电磁场和电磁波的应用

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

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

目录

1 电磁场与电磁波的概况 (1)

2 电磁场与电磁波在通讯方面的应用 (2)

2.1 在无线电广播中的应用 (2)

2.2 在电视广播中的应用 (2)

2.3 在移动通信中的应用 (2)

2.4 在卫星通信中的应用 (2)

3 电磁波极化的应用 (3)

3.1 利用极化实现最佳发射和接收 (3)

3.2 利用极化技术提高通信容量 (3)

3.3 极化在雷达目标识别、检测和成像中的应用 (3)

3.4 极化在抗干扰中的应用 (4)

4 电磁波随钻遥测技术在钻井中的应用 (5)

4.1 采用数据融合技术，优化产品性能，提高传输深度 (5)

4.2 采用广播芯片技术，提高信息传输能力 (5)

5 在生物医学中的应用 (6)

5.1 电磁场的生物效应及其发展 (6)

5.2 电磁场作用的机理 (6)

6 电磁场在材料科学中的应用 (7)

7 结束语 (7)

参考文献 (8)

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]

2 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（535KHZ～1605KHZ）、短波（2.3MHZ～26.1MHZ）以及调频波段（87MHZ～108MHZ）。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50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54MHZ～806MHZ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，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]

3 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

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