1、本科生学年论文（课程设计）题目： 电磁场与电磁波的应用 学 院 物理科学与技术学院 学科门类 理学 专 业 应用物理 学 号 2012437019 姓 名 郭天凯 指导教师 闫正 2015 年 11 月 18 日河北大学 2012 届本科生学年论文（课程设计）电磁场与电磁波的应用摘 要随着社会的不断进步与发展，科学技术的不断改革创新，电磁场与电磁波已经应用于社会生活的方方面面，受到了越来越多人的高度重视和关注。电子通信产品的随处可见，手机通信，微波通讯以及无线电视等；电磁波极化在雷达信号滤波、检测、增强、抗干扰和目标鉴别/识别等方面的应用；电磁场在金属材料加工、合成与制备中的应用；电磁波随钻遥
2、测技术在钻井中的应用；电磁场的生物效应在电磁治疗方面的应用等都离不开电磁成与电磁波。本文将进一步对电磁场与电磁波在通讯、科技开发、工业生产、生物科学、材料科学等方面的应用展开分析和探讨。关键词：电磁场；电磁波；极化；电子通信技术；电磁波的应用河北大学 2012 届本科生学年论文（课程设计）目 录1 电磁场与电磁波的概况12 电磁场与电磁波在通讯方面的应用22.1 在无线电广播中的应用 22.2 在电视广播中的应用22.3 在移动通信中的应用22.4 在卫星通信中的应用23 电磁波极化的应用33.1 利用极化实现最佳发射和接收33.2 利用极化技术提高通信容量33.3 极化在雷达目标识别、检测和
3、成像中的应用33.4 极化在抗干扰中的应用44 电磁波随钻遥测技术在钻井中的应用54.1 采用数据融合技术，优化产品性能，提高传输深度54.2 采用广播芯片技术，提高信息传输能力55 在生物医学中的应用65.1 电磁场的生物效应及其发展65.2 电磁场作用的机理66 电磁场在材料科学中的应用77 结束语7参考文献8河北大学 2012 届本科生学年论文（课程设计）1 电磁场与电磁波的概况电磁场现象的研究发现是从十六世纪下半叶英国人吉尔伯特实验展开的，在研究过程中它采用的方法比较原始，无法完全解释出电磁场的现象原理。电磁场的近代研究要追溯到 18 世纪，由法国物理学家库伦以及英国物理学家卡文迪许展
4、开研究分析，他们的主要贡献是发明了用测量仪器对电磁场现象做定量的规律，从而促使电磁场的发展得到了质的飞越。英国著名物理学家法拉第在哲学家谢林的影响下，认为大自然中的光、电、磁之间是存在一定的联系的。1820 年，奥斯特研究发现电流以力作用于磁针后，法拉第就更加肯定电与磁之间是相互影响作用，然后在 1831 年他研究发现，只要把磁棒插入到导体线圈时，导体线圈中就会产生一定的电流，这种实验现象证明了电与磁两种之间是有着紧密联系的。 1从 19 世纪 60 年代麦克斯韦建立了完整的电磁场理论并预言了电磁波的存在， 到1887 年德国科学家赫兹证实了电磁波的存在，到现在不过 100 多年的时间，但电磁
5、波的应用已经渗透到人类生活的方方面面。可以说离开了电磁波人类的活动将会举步维艰。 2河北大学 2012 届本科生学年论文（课程设计）22 电磁场与电磁波在通讯方面的应用2.1 在无线电广播中的应用其中在无线电广播中的应用是实现最早、最普及的一种应用。这是一种发射台与接收台分离、发射台对接收台之间的单向模拟通信方式，主要是指收音机广播。按照所使用的载波的波长不同分为长波（低于 535KHz） 、中波（535KHZ1605KHZ） 、短波（2.3MHZ26.1MHZ）以及调频波段（87MHZ108MHZ） 。根据其调制方式又分为调幅波（AM）和调频波（FM） 。2.2 在电视广播中的应用上世纪 5
6、0 年代发明的电视系统实现了声音和图像的同步广播，即电视广播。它分为声音和图像信号的传播两部分。电视广播系统使用的频段是 54MHZ806MHZ 之间，每频道电视信号占用 8MHZ 带宽，其中图像信号使用低端的 6MHZ，以单边带方式调制，声音信号使用 6.5MHz 以上部分，使用调频或调幅方式调制。2.3 在移动通信中的应用在 1920 年，现代移动通信技术的研究发展正式开始。相继出现了第一（1G） 、二（2G） 、三（3G） 、四（4G）代移动通信技术，逐步通过模拟、数字、无线网络等技术手段使移动通信具备了更加完美的抗信号衰落的功能，进一步提高了人们的上网速度，最高可达到 100MB/s，
7、实现了不同频率间的自动切换功能。2.4 在卫星通信中的应用他的发展离不开电磁场与电磁波的积极应用，主要通过采用人造地球卫星作为中继站，从而有效转发或者反射无线电波，它有地面通信站、海洋通信站以及地球大气通信站。其通信范围大，只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；同时，它不易受陆地灾害的影响(可靠性高)，同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信等。 3-7河北大学 2012 届本科生学年论文（课程设计）33 电磁波极化的应用电磁波的极化特性是指给定空间观察点电场强度的取向和幅值随时间变化的规律，是电磁场与电磁波电动力学课程中的一个重要概念 8-11，电磁波的极化在物
8、理学中称之为偏振 12、13 。极化是除时域、频域和空域信息之外的又一可利用的重要信息，在通信、雷达信号滤波、检测、增强、抗干扰和目标鉴别/识别等方面都有广泛的应用，因此对极化理论的教学和研究有着重要的意义。3.1 利用极化实现最佳发射和接收无线电技术中，利用不同极化的电磁波具有不同的传播特性，结合收发天线的极化特性，可实现无线电信号的最佳发射和接收。例如，中波广播采用垂直极化波。电视调频广播和短波广播一般采用水平极化方式，我们知道，任意极化均可由一对正交极化以不同的幅度比和相位差相合成，因此，发射时，将同一信号源经功分器后，分别经过不同的幅相关系处理并送到极化正交的一对天线上，便可合成任意极
9、化状态。接收时，用两副互相极化正交的天线，并将两个通道信号以不同幅相关系相合成，便可实现任意极化状态的最佳接收。可见对极化域的充分利用，并不要求去构造许多不同形式的天线。3.2 利用极化技术提高通信容量在通信中，为了在有限频带范围内尽量提高可用信道数，增加信道容量，提高频率利用率，减少波道间干扰。目前广泛采用的频率复用技术之一是在同一传输链路上，利用电波的正交极化隔离，把互相正交极化的相邻两条信道安排在同一频段上，这样使频率利用率提高了一倍。以往研究极化分集技术主要是为了抗衰落，然而多径散射的存在，却为更多信息的传输提供了可能。研究表明，在城市密集区的散射环境下，收发两点间存在多径散射，在接收
10、端空间所有的 3 个方向上会产生附加的极化状态，选用三振子的复合天线系统 14 ，3 副天线正交放置，相比于传统的使用双极化天线，可以获得 3 倍的信道容量，也即散射的存在使得我们可以利用 3 个电场极化信道进行无线通信。从应用极化技术抗衰落到应用极化技术来提高信道容量，极化技术的应用出现了质的飞跃。3.3 极化在雷达目标识别、检测和成像中的应用雷达回波信号中除了幅度、相位信息外，还有一个重要的信息资源，极化信息，电磁波照射目标后，其极化状态将发生改变，它与目标的形状、结构材料以及姿态等因素有关，还与照射到目标的极化状态有关，因此，可以利用目标回波中的极化特征来识别目标。 15 在气象雷达中可
11、利用雨滴的散射极化的不同响应来识别目标，采用轮流发射正交极化波的方法，并相继接收水汽凝结物回波的正交极化分量，从而研究目标的性质3.4 极化在抗干扰中的应用河北大学 2012 届本科生学年论文（课程设计）4通信、雷达、导航等信息电子设备常会遇到来自其他设备的干扰。对于单一极化的干扰，一般来说，只要将接收天线的极化改变成与干扰电波极化相正交，即可在很大程度上抑制干扰。对于极化正交的双通道系统，采用复加权对两路极化正交信号进行求和，合成的等效极化状态可以抑制干扰，采用的电路称为极化滤波器。运动中的干扰源，发射的干扰电波的极化状态可能有变化，可采用极化滤波器组，组成一个极化抑制带，也可采用自适应极化
12、滤波器抗干扰。在多路微波分配系统当中，交替采用不同的极化方式发射，可减少在覆盖区域中同频干扰问题。采用圆极化波可以抗气象干扰，其机理是，气象微粒近似呈球形，对圆极化波的反射是反旋的，不会被雷达天线所接收；而雷达目标一般是非简单对称体，其反射波是椭圆极化波，必有同旋向的圆极化成分，因而能收到回波。 16河北大学 2012 届本科生学年论文（课程设计）54 电磁波随钻遥测技术在钻井中的应用1991 年美国石油协会随钻测量论坛专门讨论了泥浆脉冲传输能力不足的问题，这促使人们考虑研制其他井下信息遥传技术 17。电磁波随钻遥测技术很快发展起来，一般理论分析认为：实际磁天线的有效作用系数一般远小于电天线的
13、有效作用系数 18。常见的电磁波随钻测量发射天线按其电磁特性又可分为垂直磁场法和垂直电场法。垂直磁场法是纯粹通过地层传输信号的方法,而垂直电场法是通过地层钻杆(或套管)体系传播信号的方法 19。4.1 采用数据融合技术，优化产品性能，提高传输深度 20为适应深部能源勘探的需要，美国能源部国家能源技术实验室深部探测项目与圣安东尼奥 e-Spectrum 技术公司合作，经过 3a 努力，研制成高级电磁波随钻遥测技术，即把深空探测导航与导弹制导相关技术应用于 EM-MWD 系统。4.2 采用广播芯片技术，提高信息传输能力 21如前所述,电磁波传播主要依靠钻杆地层系统，为使电磁波有效穿过地层,只好采用
14、超低频或极低频波段，其传输信息量与传输距离都受到限制。由于电磁波在油基泥浆中传输损失较小，可以把油基泥浆作为电磁波传输介质。采用中频或高频波段作为载波传输钻井信息，可以达到几 kB/s 节甚至更高的传输速度，将比现在的泥浆脉冲技术快数百倍。河北大学 2012 届本科生学年论文（课程设计）65 在生物医学中的应用随着生物医学工程学发展，物理疗法已经成为当前疾病治疗一个重要手段，因此电磁场治疗及生物电磁的研究成为当前热点，特别是在骨病等相关领域的研究。5.1 电磁场的生物效应及其发展1953 年 Yasuda 首次发现骨骼的压电效应，1977 年 Bas-sett 等提出了极低频脉冲电磁场治疗骨不
15、连接取得肯定的疗效，以及 Bassett22总结了半个世纪脉冲电磁场的研究成果，预言脉冲电磁场有治疗骨质疏松的前景以来，引起了医学界对这一疗法的关注，使得电磁场在骨质疏松方面的研究经历了从临床到实验动物再到细胞水平，然后从细胞水平到实验动物再到临床的一个循序发展的过程 至今电磁场骨质疏松的临床治疗及其研究方面已经取得一定的进展。5.2 电磁场作用的机理低频电磁场与细胞作用的初始位点是胞膜，随后触发的一切反应都是由胞膜介导的23细胞膜在静息电位下产生了“微孔” ，只不过此时孔半径很小，并且在动作电位的作用下会修复，呈现瞬态性，由于细胞膜对离子或带电分子的势垒作用，此时离子很难通过在低频，低强度电磁场作用下，即使是小能量也可以导致电流体不稳定性的产生，逐步扩大这些“微孔”从而形成能让离子大量穿过细胞膜的“通道” ，导致细胞膜的导电能力增加，引起更强的电流通过细胞膜，诱发一系列生化反应,甚至产生细胞膜性质变异。 24
