电磁波的应用 电磁场与电磁波研究型学习论文

电磁波的应用

摘要：

本文从电磁波频段使用的角度介绍了电磁波在生活中的应用，包括通讯方面的应用、医疗保健方面的应用、家用电器方面的应用，信息化战争的应用。

This paper introduces the electromagnetic wave from the Angle of the electromagnetic spectrum used in the application of life, including communications applications, the application of health care, home appliance applications, the application of information war.

引言

随着信息技术的飞速发展，电磁场与电磁波理论在通信,广播，电视，导航遥感遥测等方面有着越来越多的应用。要想在电磁场与电磁波的应用上有所作为，首先我们需要了解电磁波的基本概念，了解它目前现有的应用，再对电磁波应用在其他领域进行可行的预测。

正文

1电磁波的简要介绍：

电磁波，又称电磁辐射。是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁辐射的载体为光子，不需要依靠介质传播，在真空中的传播速度为光速。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。因此，人们周边所有的物体时刻都在进行电磁辐射。尽管如此，只有处于可见光频域以内的电磁波，才可以被人们肉眼看到。电磁波主要用以下参数描述：（1）周期T——相邻两个波峰或波谷通过某一固定点所需要的时间间隔，单位为s（秒).(2)频率f——单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波谷数目，即单位时间内电磁波振动的次数。f=1/T=w/2π（Hz)。（3）波长——波是由很多前后相继的波峰和波谷所组成，两个相邻的波峰或波谷之间的距离称为波长。频率与波长成反比：

其中，是波速（在真空里是光速；在其它介质里，小于光速），是频率，是波长。（4）波数k——表示在波的传播方向上单位距离滞后的相位，也称作相移常数。k=2π/λ（rad/m)。（5）光电子能量E——电磁辐射拥有像粒子的性质。电磁辐射是由离散能量的波包形成的，这波包又称为量子，或光子。光子的能量与电磁辐射的频率成正比。由于光子可以被带电粒子吸收或发射，光子承担了一个重要的角色：能量的传输者。根据普朗克关系式，光子的能量是

；其中，是能量，是普朗克常数，是频率。电磁辐射可按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380至780纳米之间，称为可见光。按照在空间固定的场点，电场矢量末端随时间变化的轨迹不同，电磁波的极化可分为直线极化，圆极化和椭圆极化三种状态。

2 电磁波的应用

（一）通讯方面的应用

1、无线电广播中的应用。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）。根据电磁波的调制方式不同又分为调幅波和调频波，即AM波和FM波。无线电广播是实现最早、最普及的一种应用。

2、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。电视广播分为两部分，一部分是声音信号的传播，另一部分是图像信号的传播。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。

3、移动通信。是指通信的双方，至少有一方是在移动（或暂时静止）中进行信息交换的。其中，包括移动台（汽车、火车、飞机、船舰等移动体上）与固定台之间通信，移动台与移动台之间通信。频率作为一种资源并不是取之不尽的，且在同一时间、同一场所、同一方向上不能使用相同的频率，否则将形成干扰无法进行通信，因而频率的利用就必须以一定的规则并且有序地进行。国际频率分配表按照大区域和业务种类给定。全球划分为三大区域，我国位于第三区，分配给我国的民用移动通信的频段

为（单位为MHZ）：29.7～48.5 、64.5～72.5 、72.5～74.6 、75.4～76 、138～149.9 、150.05～156.725 、156.875～167、223～235 335.4～399.9 、406～420 、450～470 、550～606 、798～960 、1427～1535 、1668.4～2690 、4400～4990。目前移动通信使用的频段主要在150MHZ、450MHZ、900MHZ和2000MHZ频段。

4、卫星通信。卫星通信简单地说就是地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是: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;不易受陆地灾害的影响(可靠性高);只要设置地球站电路即可开通(开通电路迅速);同时可在多处

接收,能经济地实现广播、多址通信(多址特点);电路设置非常灵活,可随时分散过于集中的话务量;同一信道可用于不同方向或不同区间(多址联接)。卫星通信通常使用的无线电频段：C 频段（3.4-6.65GHz) 、Ku频段(10.95-18GHz) 、Ka频段(18-40GHz)、L频段(1.12-2.6GHz) 、其他频段(UHF,S,X,Q,V)。目前多数商用卫星固定业务使用C波段和Ku波段，ka波段，C 频段已十分拥挤，且存在与地面微波中继网的同频干扰问题；Ku波段频率高，可用频段宽，可以传输更多的业务，Ka波段正在一些国家和组织的加紧开发和利用中。

5、无线网络通信。自从2002年5月中国电信拆分以来，电信运营商竞争的局面已基本形成；同时由于宽带业务发展迅猛，运营商们共同面临着有线网络资源缺乏、无法充分满足快速发展的市场需求的问题。基于3.5GHz、5.8GHz、26GHz频率上的无线宽带接入系统都为解决这种矛盾提供了各自的方案。其中5.8GHz是2002年7月无线电管理委员会核准运营的频段，5.8GHZ频段频率支持工作在5.725～5.850GHz的IEEE 802.11a标准，支持

6、9、12、18、24、36、48以及54Mbit/s动态速率调整，在增压工

作模式下，可获得高达108Mbit/s的带宽。

（二）医疗、保健方面的应用

除了在电磁波上调制上有效信号，用来传输信息，单就电磁波来说，某些频段的电磁波具有特殊的物理、化学、生物特性。使得电磁波在医疗、保健方面的应用越来越广泛。从较早的X光透视、CT扫描、核磁共振等医疗仪器帮助医务人员发现病情、诊断病情，到现代家庭常用的保健器械，很多都是对不同频段电磁波的开发和利用。下表为常用医疗设备使用带宽的频段表：

（三）家用电子产品方面的应用

越来越多的家庭用到了微波炉、无绳电话等利用电磁波工作的家用电子产品。为了不干扰雷达和其他通信系统，微波炉通常工作在1.7GHZ或2.45GHZ 两个频段。无绳电话为满足市场对数字无绳电话机的需求，并考虑未来我国第三代移动通信系统的频谱需求，及有效利用有限的无线电频谱资源，2002年以前生产的数字无绳电话机使用频率：1915－1920MHz，2002年以后生产的数字无绳电话使用的是2.4GHZ。

（四）信息化战争的应用

随着电子信息技术的迅猛发展和在军事领域的广泛应用，数量繁多、构成复杂的电磁辐射体，人为与自然、敌方与我方、对抗和非对抗的各种电磁信号交织于战场，使信息化战场与传统战场相比，有了一个显著变化—战场环境的内涵急速拓展，电磁空间极大

拓展了战场空间，电磁环境成为从根本上决定和影响其他战场环境要素发挥作用的“锁钥”，成为作战主动权得失的决定性因素。某一特定空间范围内存在的所有无线电波在频率、功率和时间上的分布称为电磁环境，可用电磁场强分布表示，是特定时间和空间内所有电磁能量的总和。电磁环境的频谱表现形式相对复杂，在频域上主要由各种电平大小不同、占用带宽不等的可测量频谱线和类似于噪声的环境噪声构成。电磁环境是看不见、摸不着的，与其他自然环境相比，它具有空间、时间和频谱上的三维特性。也就是说，在不同的空间、不同的时间和不同的频谱上，

电磁环境的表现方式和分布情况是不同的。此外，它还具有覆盖全空域、全时域和复杂多变的特点。在电子信息技术广泛应用的今天，构成空间电磁环境的主要因素可以概括为两大类:一是自然环境因素;二是人为环境因素。自然环境因素包括雷电电磁辐射源、静电电磁辐射源、太阳系和星际电磁辐射源、地球和大气层电磁场等。人为环境因素包括各种电磁发射系统，工频电磁辐射系统，工业、科学、医疗、商业、军事领域中有电磁辐射的各种设备或系统，各种家用电器、现代化办公设备、电动工具及武

器装备等，这些设备和系统都会产生不同频率、不同强度的电磁辐射。当我们研究或关注某一局部环境时，小区域的电磁环境往往由附近作用比较明显的个别电磁辐射源所决定。按照场所大小、辐射源性质和应用目的的不同，电磁环境可分为许多具体的小环境，如城市电磁环境、家庭电磁环境、医院电磁环境、工业区电磁环境、舰船电磁环境、电力系统电磁环境、武器系统电

磁环境、战场电磁环境等。

某一特定空间范围内存在的无线电波在频率、功率和时间上分布密集，使用频繁，则称为复杂电磁环境。复杂电磁环境是电磁环境的复杂化，是特定时间或空间内高密度电磁能量的总和。通俗地说，在特定地域集中了大量的无线电装备，在特定时间同时或集中使用，各无线电装备的工作频率(频段)又非常集中，由此构成的电磁环境空间就是复杂电磁环境空间.

依据电磁环境在频域上的表现方式，复杂电磁环境在频域上的具体体现是:在全频段或特定频段内可测量频谱线密集分布，电平大小高低不一、相差悬殊，信号频谱种类繁多，占用带宽宽窄不等，环境噪声起伏明显，噪声底线提高。从无线电装备使用效果的感知角度分析，复杂电磁环境下无线电装备使用效果的主要表现是:环境噪声底线增大，无线电通信的接收灵敏度下降，导致通信装备及信息化武器装备的通信距离或作用范围减小;干扰信号增加，无线电通信系统信干比恶化，导致通信装备及系统的通信质量下降或误码率增加;近距离存在大功率发射源，导致无线电接收装备信号阻塞及敏感信息化武器装备效能下降。从无线电频谱使用和管控的角度分析，复杂电磁环境下无线电频谱使用和管控的显现情况是:可用频谱资源供不应求，供需矛盾突出，需要进行精细的频谱分配计算;需要限制大功率、宽频带的用频装备,消除各种干扰发射源,最大限度地满足大部分无线电装备的频谱需求;电磁环境

恶劣,需要进行无线电管制,重点保障主要信息化武器装备的频谱需求和效能发挥。

所谓战场电磁环境,是指战场空间内对作战有重大影响的电磁活动和现象。信息化战场,构成复杂电磁环境的主要因素有敌、我双方的电子对抗,各种武器装备所释放的高密度、高强度、多频谱的电磁波,民用电磁设备的辐射和自然界产生的电磁波等。这些电磁辐射体的共同作用,将给战场空间状态、时间分布、频谱范围和能量密度带来巨大影响,使战场电磁环境日趋复杂和恶化。“空域”上纵横交错。信息化战场,来自陆海空天不同作战平台的电磁辐射,交织作用于敌对双方展开激战的区域,形成了重叠交叉的电磁辐射态势,使该区域的任何

一个角落,都被多种电磁辐射笼罩。“时域”上持续不断。信息化战场,围绕着电子侦察与反侦察、干扰与反千扰、摧毁与反摧毁的对抗持续进行,作战双方的电磁辐射活动持续不断,致战场电磁环境始终处于剧烈的动态变化之中。“频域”上密集重叠。受电磁波传播特性的限制,信息化战场,交战双方都将高密度地使用有限的频谱片断,这就使密集的电磁波拥挤在狭窄的频谱之中,大大增加了电磁环境的复杂性。“能域”上复杂多变。在作战的全过程,敌对双方都会根据作战目的和毁伤要求,频繁调控变换辐射能量的强弱及形式,如此一来,不仅可以更多、更远、更快地探测和传递电磁信息,还可以形成干扰、压制与欺骗,甚至达成毁伤效果。

复杂电磁环境对武器装备或生物体的作用效果称作电磁环境效应,国外一般称为〔3问题。信息化战争是在复杂多变的电磁环境中进行的,战场的电磁环境效应直接影响着武器装备战斗效能的发挥,决定着战场的生存能力。从作用机理上看,复杂的电磁环境主要通过四个方面影响武器装备的战术、技术性能:热效应。静电放电和高功率电磁脉冲产生的热效应一般是在纳秒或微秒量级完成的,是一种绝热过程。这种效应可作为点火源和引爆源,瞬时引起易燃、易爆气体燃烧爆炸;也可以使武器装备中的微电

子器件、电磁敏感电路过热,造成局部热损伤,导致电路性能失效。

射频干扰和“浪涌”效应。电磁辐射引起的射频干扰,可对信息化设备造成电噪声、电磁干扰,使其产生误动作或功能失效。强电磁脉冲及其“浪涌”效应,还会对武器装备造成硬损伤。强电场效应。电磁辐射源形成的强电场不仅可以致使武器装备的电路失效,而且还可能对武器装备的自检仪器和敏感器件的工作可靠性造成影响。磁效应。电磁脉冲引起的强电流可以产生强磁场,使电磁能量直接祸合到武器系统内部,干扰电子设备的正常工作。

严峻的挑战不容回避。创造有利的战场电磁环境,加强武器装备电磁危害的防护加固,警惕“电子奇袭”或“电子珍珠港事件”的发生,应是研究信息化战争防御手段的重要内容。目前,世界发达国家,特别是美国、俄罗斯等国家都非常重视武器装备电

磁环境效应和防护加固的基础研究及仿真模拟试验研究。早在1991年,美国就在其政府工作报告中强调:“应把电磁环境效应问题和每个武器系统的维修计划与集成化保障计划放在同等重要的地位”,指出:“所考虑的电磁环境效应包括静电放电、电磁兼容性、电磁敏感性、电磁辐射危害、雷电效应、电子对抗等14种因素”。其研究从早期的“射频对军械的危害”,到目前“武器装备的电磁环境效应”,研究概念和范围不断更新和扩展。在试验对象上,从小

型电子元器件到「一16战斗机、B一52轰炸机等大型武器装备,都进行了电磁脉冲——模拟试验。在进行效应试验的同时,建立了武器装备电磁脉冲效应试验数据库。据资料透露,如今,美国已建成了世界上规模最大、设备最先进的陆、海、空三军电磁脉冲效应研究所。

电磁环境已经成为信息化战场区别与传统战场最突出的标志。这一重大变化，要求我们必须高度重视电磁环境效应的问题，全面提高对战场复杂电磁环境的适应能力，加强平战结合的电磁资源管控，尽早展开探索主动电磁对抗行动的方法，力争化不利为有利，变被动为主动，并最终驾驭之。

结论：

电磁波的应用极其广泛，可以说渗透到了我们日常的点点滴滴。而且这门科学的发展也是非常的快，电磁理论也是新兴学科的增长点和交叉点。这就要求我们掌握这门课的理论体系，将理论和实践紧密结合，做出有用的创新。

参考文献

1 《电磁场与电磁波》邵小桃李一玫王国栋编著

2《电磁波的应用》时振栋

3《电磁场与电磁波学习指导书》杨儒贵

4 维基百科电磁场词条

5徐立勤等.电磁场与电磁波理论[M].北京：科学出版社，2006.

6毕德显.电磁场理论[M].北京：电子工业出版社，1985.

7李友章.无线局域网在医院网络环境中的应用探讨[J].医疗设

备信息，2005，（8）.

8刘志华等.电磁辐射对人类健康的影响[J].生物学通报，

2006，（3）.

9孙青卉.移动通信技术[M].北京：机械工业出版社,2001.