电磁波的实际应用范文

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作者简介：张清河（1969-），男，湖北当阳人，三峡大学理学院，副教授。

基金项目：本文系国家自然科学基金（项目编号：61179025）、三峡大学教学研究项目共同资助的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）14-0071-02

鉴于“电磁场与电磁波”在电子与通信技术领域的重要性，各国高校的电子与信息技术类专业一直将其作为一门必修的基础课程。[1-3]对于电子与信息技术类大学本科专业学生而言，“电磁场与电磁波”无疑是理论性最强、逻辑性最严密、数学工具应用最多、概念最抽象、涉及应用领域最广的课程之一。学好这门课，对培养学生严谨的科学思想、科学分析问题的能力、复杂抽象的逻辑思维能力、勇于开拓的创新精神等将起着十分重要的作用。笔者在三峡大学（以下简称“我校”）电子信息科学与技术、光信息科学与技术两个本科专业讲授“电磁场与电磁波”课程多年，根据该课程的特点和知识体系，结合学生实际，采用多样化教学方法、新颖独特的教学内容，强化理论与实际应用相结合，激发了学生的学习兴趣，有效地改善了教学效果。

一、教材内容灵活处理

我校选用文献[4]作为电磁场与电磁波课程教材，它同时也是国内多所高校选用的教材。在多年讲授的基础上，对教材中的一些内容进行了灵活处理，取得了良好的效果。

在“媒质的电磁特性”一节中，教材直接给出了介质表面极化电荷面密度、磁化电流面密度的表达式，没有具体的推导过程，学生理解不了。事实上，这一结论的前提应该是自由空间中单一均匀介质表面，而教材中没有明确这一前提。在讲授这一部分内容时，先推导出任意两种不同均匀介质形成的交界面上极化电荷、磁化电流面密度，然后再退化到自由空间中单一均匀介质表面，下面仅以极化电荷为例。如图1，由于两者介质的极化强度不同，极化迁出与迁入的电荷不相等，导致在交界面的薄层内存在极化面电荷分布。

二、注重课程在新技术领域中的应用

在教学过程中，在阐述基本理论和基本概念的同时，积极引导学生去寻找电磁场与电磁波的应用，特别是在若干新技术领域中的应用，让学生了解电磁场与电磁波在科学技术进步中的作用，极大地激发了学生的学习兴趣，收到了良好的教学效果。

在讲授“均匀平面波在各向异性媒质中的传播”一节时，重点放在均匀平面波在磁化等离子体中的传播。首先介绍了电离层依据电子浓度的不同，具有层状结构的分布特点，如D层、E层、F层等，在地磁场的作用下，电离层具有两个特性角频率，即电子的回旋角频率和等离子体临界频率。并指出电磁波在电离层中的传播特性与这两个频率紧密相关。当电磁波频率接近电子的回旋角频率时，将发生磁共振现象，导致电磁波能量损耗极大，电离层对电磁波的吸收最大，这是短波通信应该尽量回避使用的频率。为了实现卫星通信，电磁波频率必须高于等离子体临界频率，否则信号将不能穿过电离层。另一方面，频率小于临界频率的电磁波不能穿透电离层而被反射，利用电离层对电磁波的反射原理，可以实现短波远距离的通信和远距离目标的探测，这正是天波雷达的基本原理。在讲述“天线阵”一节时，结合现代军事尖端武器装备，讲解了相控阵雷达及相控阵天线的概念，并简要介绍了其工作原理，即通过控制相邻天线之间的相位差，就能够改变天线阵波束最大值的指向，实现主波束在全空间的扫描。讲解电磁波在导电介质中的传播时，结合海水的导电特性，向学生解释了为什么对潜通信要用长波通信。在讲解电磁波的极化概念时，引导学生分析为什么收音机和电视的天线架设不同，并简要介绍了电磁波的极化在微波遥感、光学工程、分析化学等应用领域中的广泛应用。通过理论知识与实际应用相结合，学生对这些问题有了较深的认识，开阔了视野，对本课程的学习兴趣也越来越浓厚。

三、结语

“电磁场与电磁波”课程难学难教，而掌握本课程的理论基础知识，对电子信息类专业的学生来说又非常重要。我们在教学过程中进行了一些有益的探索，通过对教材内容的灵活处理、大量穿插理论知识在高新技术领域中的应用实例等，激发了学生对该课程的学习兴趣，取得了良好的教学效果。

参考文献：

[1]Jin Au Kong.电磁波理论[M].吴季，等，译.北京：电子工业出版社，2003.

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1 引言

波导是一种用来约束或引导电磁波传输的结构。尽管存在很多不同形式的波导，而且新的形式还不断涌现，但到目前，在实际应用中矩形波导和圆波导仍是两种最主要的波导形式。人工电磁材料是本世纪初物理学和电磁学的重要发现之一。作为人工电磁材料的一种，相对介电常数接近零的超材料（Epsilon-near- zero，ENZ超材料）具有低折射率，高相速度，近零相移等特点，这种超材料突破了传统电磁场理论中的一些重要概念，可以应用于标准化技术领域，如新型电磁元器件、天线和开环谐振器等[1，2]，矩形波导在接近截止频率时的色散特性可以用来模拟ENZ超材料的行为[3]。该结构有大量的应用前景，特别对于隐形装置和微型天线的设计[4] 具有重要的理论参考价值和实际应用意义。

2 理论分析

图1是宽度为a和高度为b（其中a>b）的矩形波导。根据Maxwell方程组可以得到矩形波导TEmn模式电磁波的空间传输表达式：

TE波场方程 （1）

表式中w为电磁波角频率，kc为临界波数，m表示x方向变化的半周期数，n表示y方向变化的半周期数，γ为传播常数。

3 变形矩形波导的传输特性

选择两个过渡层厚度相等形成Π通道（或ENZ通道）[4]，对ENZ通道的传输系数进行模拟。介质通道和过渡区的介电常数εRCH=1（空气），波导输入端的介电常数εR=2，bs = bch = 0.8毫米时，Π通道传输系数曲线如图2所示。

可见，第一次传输峰出现在1.476 GHz，该点代表零阶共振，即在隧道中出现的频率;第二次传输峰值是由于法布里-珀罗共振所引起，其峰值位置很大程度上取决于隧道长度。

第二传输峰值的产生主要是由于法布里-珀罗共振引起的，并且高度依赖通道长度的变化而变化。法布里 - 珀罗共振的变化相当于狭窄的通道各种长度分别改变了L1 = 95毫米，L2= 127毫米，L3 = 190毫米，如图3所示。可见，该属性可以用来操纵第二传输高峰期。

5 结论

通过矩形波导的边界条件解出Maxwell方程组关于电磁波的空间传输表达式，得到了矩形波导截止频率和模式谱图的一般结果。讨论了ENA通道发生几何变形的传输电磁波的特征，改变通道长度仅影响法布里-珀罗共振出现的位置，并不会影响零阶共振的产生。

参考文献：

[1]谢处方，饶克谨.电磁场与电磁波[M].北京：高等教育出版社，2006：160-168.

[2]邵毅全，吴国建.矩形波导中电磁波传输特性研究[J].激光杂志，2011，32（01）：06-07.

[3]黄丽，蒋练军，张学军等.基于高阻抗表面材料电磁特性的矩形波导[J].中南大学学报，2012，43（10）：3912-3916.

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电磁波层次成像技术是在医学层析成像技术理论上发展起来的，结合了层析成像技术和电磁波勘探技术的特点，具有探测精度高、信息量大的优势，因此在地质体内部结构的勘测中应用也越来越多。电磁波层析成像技术最初于上世纪二十年代在前苏联进行研究，至七十年代美国开始应用于钻孔间的探测等。直到上世纪八十年代，在我国的一些高校才开始对该技术进行研究，现在，高技术已经在石油、金属矿、地下水、岩溶、桩基等领域内广泛使用。电磁波层析成像技术主要涵盖电磁波系数层析成像、电磁波走时层析成像或电磁波相位层析成像，因此文章针对该技术在复杂高边坡工程地质勘察中的实际应用进行分析。

1 电磁波层析成像技术

电磁波层析成像技术，简称EMT，是根据医学中的CT技术发展而来，电磁波勘探是利用电磁波在介质中传播的速度以及衰减性来判断介质的分布及存在，通过一定频率的电磁波对地质体进行扫描，然后利用根据系统接收到周围不同方向的电磁波波场性质，进行计算以及图像重建，从而得到地质体内部的结构构造分布及其性质。在工程中，通常是利用介质对电磁波的衰减吸收系数对地质体中电磁波的传播特性指标进行定量，例如完整的岩体、坚硬的岩体中电磁波的吸收系数低，完整性越差、如溶洞、断裂带、裂隙带的电磁波波速低，吸收系数高，通过对吸收系数的分析，真实的反映出地质发育的空间分布特征。

2 边坡工程场区地质条件

本工程为一处废弃矿山高边坡工程，高度100米左右，计划在此地利用边坡建在摩崖石刻。工程影响深度约50米，工程的规模、设计位置及建造工艺均与边坡内部岩体的完整性、岩溶及断裂构造等相关，对钻探工程也有特殊要求，所以，必须对以上一方面的因素进行详细的勘测。根据地质调查与钻探资料显示，场区近地表地层为第四季松散堆积物，下部为石炭系船山组灰岩，岩体内存在发育良好的裂隙岩溶，节理发育完整，如图1，对岩溶裂隙的分布与发育影响较大，造成沿线地质异物和周围岩物性质存在较大的差异，特别是溶洞内充满黏性土、裂隙内充水等现象，电磁波在穿过这些地质体时，有明显的衰减，吸收系数变化明显，为电磁波层析成像技术的应用提供了条件。

3 电磁波层析成像测试

测试采用国产JWQ-5地下电测波法采集系统，在钻孔中分别放置发射机与接收机，固定发射机，接收机沿孔壁上下移动扫描，发射点与接收点密度都是1米，孔间距不大于25米。进行现场测试时，电磁波透视的分辨异常和距离都受工作频率的影响，高频率下，穿透距离短，但是分辨率高，经过测试，选择8MHz的发射频率，既保证有足够的穿透距离，又保证有较好的接收质量，本测试对现场10组孔间进行电测波层析成像的测试。

4 ZK7-ZK3-ZK13-ZK5-ZK11电磁波层析成像地质解释

该层位于边坡外侧与边坡近乎平行处，是该工程最重要的探测剖面，沿着剖面穿越坡体的上部，有多条溶蚀裂隙发育。在孔ZK3-ZK13处，高程大于112米时，吸收系数范围基本高于0.80nB/m，说明该处的裂隙发育较好；而高小于112米时，吸收系数基本在0.5-0.80 nB/m之间，说明岩体的整体性较完整；高程小于104米时，吸收系数低于0.5 nB/m，说明岩体的完整性较好。在浅地表处吸收系数较高的位置，表现出高异常特征，呈块状分布，因此可能存在溶蚀、断裂发育。高程在113米时，有明显异常体，呈块状分布，因此可能存在溶蚀、断裂发育，如图2所示。而在113米到114米附近突然变高，说明该深度处存在严重的溶蚀带。

从上图可以看出，ZK13和ZK5间存在三处电磁波衰减异常带，高程在108米处有吸收系数呈带状分布的异常带，可能是受溶蚀发育的影响。在ZK13以东出现吸收系数较高的异常带，说明其裂隙、溶蚀发育较好。同时根据电场衰减曲线观测结果，在112米高程上的衰减偏高，也就说明该处肯定有裂隙或溶蚀发育。在ZK5以东大概16米处，有高异常带分布，这与溶蚀现象有直接的关系，根据吸收系数的变化，以及在114米处的电场剖面严重衰减的现象出现，可以反映出和溶蚀槽RSC5的影响有关。综合进行后，可以确定溶蚀裂隙槽向下延伸至标高105米附近，影响的宽度大概在1-1.5米。

5 电磁波层析成像探测的规律

通过对作业区10组孔间的电磁波吸收系数进行探测，用所得到的探测结果和其它方法得到的结果进行对比可以发现，在场区内将破碎-极破碎岩体、裂隙发育-强发育带的吸收系数视为大于1 nB/m，较破碎、较发育带以及溶蚀带的吸收系数视为0.75-1 nB/m之间，而局部裂隙带、较完整的wanting吸收系数范围为0.55-0.75 nB/m，完整岩体吸收系数范围为0.1-0.55 nB/m；而冲水溶洞或填充黏土的裂隙以及破碎带的吸收系数为0.95-1.5 nB/m之间，呈现出高异常孤立体、构造破碎带及裂隙发育带表现为高异常体，呈现出带状或条状分布。

岩体整体的破碎程度可以用电磁波同步测量曲线的形状变化进行宏观的反应。通常，曲线 向右偏，表明吸收系数相对较大，存在大规模的溶洞或裂隙发育，如果曲线向左偏，表明此处岩体较为完整。岩体完整性的垂向变化规律可以由各剖面电磁波吸收系数成像剖面的垂向变化宏观反映出来。在存在溶蚀槽、溶蚀裂隙带以及溶洞等构造发育的时候，岩体的电磁波衰减一般比较强烈，岩体较为破碎，岩体结构以及完整性的变化通过其它探测方法测得结果与电磁波层析成像探测的结果相似性较高。

6 结论

将钻探技术与电磁波层析成像技术相结合，能够对岩体中的溶洞、断裂破碎带及裂隙发育带的分布特征及发育程度有效的进行探索，两种技术是互补的关系。根据探测结果表明，高程在108-112米以上的岩体发育有岩溶、节理裂隙，岩体较破碎；高程在100-112米范围内的岩体较完整；高程在90-85米以下，岩体完整，结构均匀。根据电磁波层析成像技术的应用，能够对勘测区域的地质构造以及发育特征有效的进行探测，从而为工程建造提供科学的参考依据。

参考文献：

[1]张旻舳，师学明.电磁波层析成像技术进展[J].工程地球物理学报，2009（4）.

[2]杜兴忠，曹俊兴.电磁波层析成像在岩溶勘查中的应用研究[J].工程地球物理学报，2008（5）.

[3]井西利，杨长春，王世清.一种改进的地震反射层析成像方法[J].地球物理学报，2007（6）.

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【关键词】电磁场理论 教学内容 教学方法 教学改革

【中图分类号】G642.0 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2013）20-0017-02

一 引言

随着中国信息科学技术的迅速发展，信息产业对电子信息工程技术人才的需求大量增加。2012年，教育部颁布了《普通高等学校本科专业目录（2012年）》（以下简称新目录），对学科专业结构进行了优化。随着教育部新目录的颁布，我校为进一步优化人才培养模式，进行了各专业培养计划的修订。电磁场理论课程作为电子信息类专业的一门专业基础课，在通信工程及电子信息工程等专业人才的培养过程中占据着重要位置。要做到培养一批适应经济社会发展需要、教育与行业同步发展的电子信息工程技术人才，需要及时在电磁场理论课程的教学过程中进行教学改革，优化教学内容，改进教学方法，不断提高人才培养质量，适应社会发展的需求。

二 教学内容及方法改革

电磁场理论课程是电子信息类专业本科生必修的一门重要专业基础课。课程以大学物理、高等数学及工程数学为基础，主要介绍电磁场与电磁波的基本特性及规律，其教学效果的好坏将直接影响到后续专业课程的学习。因此，对电磁场理论课程的教学内容及教学方法开展研究在通信工程及电子信息专业建设中有着重要的意义。

为了培养适应经济社会发展需要的高质量创新型工程技术人才，特别是强化培养学生的工程能力和创新能力，将

电磁场理论课程的培养目标定位为既要使学生理解和掌握电磁场与电磁波的基本特性及规律，更要注重学生的工程能力和创新能力的培养。为了达到上述培养目标，本文结合本专业人才培养模式的特点和学校实际情况，对电磁场理论课程的教学内容与教学方法进行了改革与探索。

1.教学内容改革

电磁场理论课程主要内容包括矢量分析、电磁场的基本规律、静态电磁场、时变电磁场和均匀平面波。为了避免与大学物理部分内容重复，本课程从场论出发，以电磁场的散度和旋度为主线介绍电磁场的基本规律，得到涵盖电磁场普遍规律的麦克斯韦方程。然后从麦克斯韦方程出发，介绍最简单的一种电磁波——均匀平面波在不同媒质中的传播规律及在不同媒质分界面的反射与折射。通过对课程的学习，使学生全面理解电磁场的散度、旋度及梯度等基本概念，掌握电磁场的有关定理、定律、麦克斯韦方程的物理意义及数学表达式，掌握时变电磁场的特点及其传播规律。培养学生正确的思维方法和分析解决实际问题的能力，使学生学会用“场”的观点分析工程中的电磁现象和电磁过程，对一些典型的场的问题能进行计算。为学习专业课程或进一步研究电磁场问题，准备必要的理论基础。

为了适应学生的工程能力培养的需要，在教学内容的设置上充分注重分析问题和解决问题的方法及手段的训练。在原有的内容基础上增加电磁场的规律在工程实践中的实际应用知识、典型例题和解题思路。如在时变电磁场介绍微波炉加热食物的原理，电磁波极化在雷达天线中应用，在均匀平面波的反射与折射部分介绍光纤通信中光纤的导光机理等。通过每章节中实际应用例子及例题的讲解，吸引学生的注意力，提高学生分析问题、解决问题的能力。

2.教学方法与手段改革

针对电磁场理论课程较难掌握的特点，从如何提高课堂教学质量和如何更好地培养学生的工程能力和创新能力出发，在教学中逐步形成多样化教学方法与教学手段，强化场与波的基本概念及其在工程中的应用，并充分注重分析问题和解决问题的方法及手段的训练，达到创新型人才的培养目标。

第一，学习兴趣的培养。在教学中通过各种方法充分调动学生的学习积极性，引导学生认识课程的重要性，把学生的主观能动性发挥出来。由于电磁场理论课程理论深奥，因此调动学生对本课程的学习兴趣非常重要。在教学开始的绪论课上介绍电磁场理论的重要性和广泛的应用，如电磁场（或波）作为当今世界最重要的能量形式，是人们日常生活用到的主要能源。电磁波作为信息的载体，更是当今社会传播信息和获取信息的主要手段。电磁波在军事上也有重要的应用，如雷达、电磁干扰等。

第二，可视化手段的应用。在教学过程中，进一步丰富完善多媒体课件，对疑难知识点采用多种方式、多种媒体、从多个不同角度进行讲解，使学生理解透彻。在教学手段上，注重传统教学与多媒体教学相结合。利用多媒体课件和Flash对电磁场理论课程的重难点内容采用直观、生动和形象的多媒体动画进行演示，把抽象的概念形象化，加强学生对基本概念的理解与掌握。如在介绍电磁波的极化时，可以通过Flash将电磁波的不同极化状态进行立体演示，方便学生理解和掌握。

第三，对比式教学的应用。根据电磁场的电场与磁场的相似性和对偶性，在教学过程中注重启发学生对电场和磁场的概念、规律及分析方法等进行对比分析，使学生更深刻地认识和理解电磁场的基本规律，同时掌握电磁场问题的分析方法。如静电场与恒定电场的对比、静电场与恒定磁场的对比、电磁波在导电媒质与非导电媒质中的传播特性的对比，平行极化波与垂直极化波对介质分界面斜入射时的对比等。

第四，互动式教学的应用。教学过程中采用回忆式提问、理解式提问、应用式提问等互动方式，引导学生积极主动思考，由被动学习变为主动学习。根据教学内容，适时组织一些讨论、思考活动，教师针对学生在讨论中反映出的问题进行适当的引导和讲解。充分调动学生的学习积极性，促进学生分析、思考、解决问题能力的培养。在教学过程中注重采用课堂提问、课堂小练习等方法对所学知识进行巩固。

第五，创新意识的培养。在教学过程中，结合实际应用介绍电磁场的基本概念和规律，注重创新意识和创新能力的培养。如在教学过程中提出一些问题，让学生边学习、边思考，如在讲到不同介质的边界条件时，让学生思考如何利用电磁参数不同的介质层，设计出性能优良的电磁波吸收材料，使其能用于军用隐形飞机涂层。在讲解均匀平面波的全反射时，让学生思考如何设计两种介质的电磁参数，使电磁波能被约束在其中一种介质中传播等。

第六，网络教学。在教学过程中，充分利用计算机网络资源，逐步建立较完善的网络课堂，为学生创建自主学习的环境。学生可通过多媒体网络课件进行自学和通过习题库进行自测，达到课前预习、课后复习的目的。借助多媒体网络课件，学生的自学、自测基本不受时间和地点的限制，方便了学生的自主学习。同时，利用仿真软件将很多抽象、难以理解的问题直观地表现出来，以提高学生的学习兴趣，达到很好的教学效果。

第七，强化实践环节。结合本课程内容，设计实验项目，通过实验过程，加深学生对本课程基本理论和基本方法的理解，使学生了解常用仪器设备的使用和操作方法，增强学生的实验技能和基本操作技能，在提高学生学习电磁场理论课程兴趣的同时，有效培养和提高学生的动手能力和理论知识的工程应用能力。鼓励学生积极参与教师的科研工作，通过科研促进教学，加深学生对所学知识的理解，提升学生对所学知识的综合应用能力。

三 结束语

通过以上实践探索，笔者认为在教学中采用多样化的教学方法与教学手段，激发了学生的求知欲，提升了学生的学习兴趣。工程实例在教学中的引入，培养了学生的工程能力和创新能力。通过科研促进教学，提升学生的综合能力。已有多名学生申请并成功获得教育部大学生创新创业训练计划项目。

参考文献