スペクトル領域の電磁界

 直角座標系(x,y,z)において,xy面にマイクロストリップ素子がある場合を考え,電磁界 E(x,y,z)H(x,y,z) より, 空間領域(x,y)からスペクトル領域(kx,ky)へのフーリエ変換 E~(kx,ky,z)H~(kx,ky,z) を定義する. (1)E~(kx,ky,z)=E(x,y,z) ej(kxx+kyy)dxdy(2)H~(kx,ky,z)=H(x,y,z) ej(kxx+kyy)dxdy フーリエ変換対の関係より, (3)E(x,y,z)=1(2π)2E~(kx,ky,z) ej(kxx+kyy)dkxdky(4)H(x,y,z)=1(2π)2H~(kx,ky,z) ej(kxx+kyy)dkxdky これより,E は, E(x,y,z)=[1(2π)2E~(kx,ky,z) ej(kxx+kyy)dkxdky]=1(2π)2{E~ ej(kxx+kyy)}dkxdky=1(2π)2(jkxux+jkyuy+zuz)(5)E~(kx,ky,z) ej(kxx+kyy)dkxdky フーリエ変換対の関係より, (jkxux+jkyuy+zuz)E~(6)=E(x,y,z) ej(kxx+kyy)dxdy ここで, (7)ktkxux+kyuy とおくと, (8)(jkt+zuz)E~(kx,ky,z)=E(x,y,z) ej(kxx+kyy)dxdy 同様にして,H のフーリエ変換は, (9)(jkt+zuz)H~(kx,ky,z)=H(x,y,z) ej(kxx+kyy)dxdy また, ×E×H のフーリエ変換は(導出省略), (jkt+zuz)×E~(kx,ky,z)(10)=×E(x,y,z) ej(kxx+kyy)dxdy(jkt+zuz)×H~(kx,ky,z)(11)=×H(x,y,z) ej(kxx+kyy)dxdy さらに, 2E は, (12)2E(x,y,z)=2Ex(x,y,z)ux+2Ey(x,y,z)uy+2Ez(x,y,z)uz いま,添え字 xyzi で置き換え, 2Ei(x,y,z)=2[1(2π)2E~i(kx,ky,z) ej(kxx+kyy)dkxdky]=1(2π)22{E~i ej(kxx+kyy)}dkxdky=1(2π)2((jkx)2+(jky)2+2z2)E~i(kx,ky,z) ej(kxx+kyy)dkxdky(13)=1(2π)2(kt2+2z2)E~i ej(kxx+kyy)dkxdky ここで,フーリエ変換対の関係より, (14)(kt2+2z2)E~i(kx,ky,z)=2Ei(x,y,z) ej(kxx+kyy)dxdy ベクトルでも同様で, (15)(kt2+2z2)E~(kx,ky,z)=2E(x,y,z) ej(kxx+kyy)dxdy これより,電磁流がない場合のMaxwellの方程式をフーリエ変換すると, (16)×E=jωμH    (jkt+zuz)×E~=jωμH~(17)×H=jωϵE    (jkt+zuz)×H~=jωϵE~(18)E=0    (jkt+zuz)E~=0(19)H=0    (jkt+zuz)H~=0 また, (2+k2)E=0(20)  (kt2+2z2+k2)E~=(2z2+kz2)E~=0(2+k2)H=0(21)  (kt2+2z2+k2)H~=(2z2+kz2)H~=0(16)より, uz{(jkt+zuz)×E~}=juz(kt×E~)(22)=jωμH~uz (23)kxE~ykyE~x=ωμH~z また,式(18)より, jktE~=uzE~z(24)kxE~x+kyE~y=jE~zz これより,E~xE~yについて解くと, (25)E~x=jkxkt2E~zz+ωμkykt2H~z(26)E~y=jkykt2E~zzωμkxkt2H~z 同様にして,H~xH~yは, (27)H~x=jkxkt2H~zzωϵkykt2E~z(28)H~y=jkykt2H~zzωϵkxkt2E~z ただし, (29)kt2=kx2+ky2 ここで, (30)(2z2+kz2)E~z=0(31)(2z2+kz2)H~z=0 より,E~zH~z の解としては, ejkzzejkzz あるいは,sinkzzcoskzz のいずれかを考えればよい.