电磁场理论与天线优秀PPT.ppt
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1、电磁场理论与天线现在学习的是第1页,共57页电磁场理论与天线电磁场理论与天线ElectromagneticFieldTheoryandAntenna物电学院通信研究室物电学院通信研究室现在学习的是第2页,共57页电磁波谱电磁波谱ElectromagneticSpectrum 绪绪 论论Introduction现在学习的是第3页,共57页按波长分:宇宙射线,按波长分:宇宙射线,射线,射线,X射线,紫外线,可射线,紫外线,可见光,红外线(反射红外,热红外,微波),无线见光,红外线(反射红外,热红外,微波),无线电波和长波,电波和长波,不仅无线电波是电磁波,光、不仅无线电波是电磁波,光、X射线、射线
2、、射线也都是电射线也都是电磁波。磁波。可见光可见光:visible light:visible light 无线电波无线电波:radio waves:radio waves 微波微波:microwaves:microwaves 红外红外:infrared light:infrared light 紫外紫外:ultraviolet light:ultraviolet light X-X-射线射线:X-rays:X-rays-射线射线:-rays:-rays 电磁波是一个大家族电磁波是一个大家族现在学习的是第4页,共57页无线电波是振荡电路中自由电子的运动产生的;无线电波是振荡电路中自由电子的运动
3、产生的;红外线、可见光和紫外线是原子的外层受到激发后产生红外线、可见光和紫外线是原子的外层受到激发后产生的;的;X射线是原子内层电子受到激发后产生的;射线是原子内层电子受到激发后产生的;射线是原子核受到激发后产生的。射线是原子核受到激发后产生的。各种电磁波的产生机理不同各种电磁波的产生机理不同在不同的电磁波段,可以使用不同的波长单位,如在不同的电磁波段,可以使用不同的波长单位,如埃埃()、纳米(、纳米(nm)、微米()、微米(m)、毫米()、毫米(mm)、)、米(米(m)等。有时还使用另外两个与波长相关的)等。有时还使用另外两个与波长相关的计量单位:波数计量单位:波数(单位为单位为cm-1)和
4、频率和频率V(单位为赫(单位为赫兹)。兹)。表示表示现在学习的是第5页,共57页光波的频率比无线电波的频率要高很多,光波的波长比无光波的频率比无线电波的频率要高很多,光波的波长比无线电波的波长短很多;而线电波的波长短很多;而X射线和射线和射线的频率则更高,射线的频率则更高,波长则更短。波长则更短。不同频率的电磁波在传输过程中具有不同的特性不同频率的电磁波在传输过程中具有不同的特性波长越长,绕射能力越强,穿透能力越强波长越长,绕射能力越强,穿透能力越强它们的区别在于频率或波长有很大差别它们的区别在于频率或波长有很大差别现在学习的是第6页,共57页一、课程的性质和任务“电磁场与电磁波电磁场与电磁波
5、”是高等学校电子信息类及电气信息类是高等学校电子信息类及电气信息类专业本科生必修的一门专业本科生必修的一门技术基础课技术基础课;课程涵盖的课程涵盖的内容内容:是合格的电子、通信、电气、遥测遥感、是合格的电子、通信、电气、遥测遥感、信息类专业本科学生所应具备的知识结构的重要组成部分。信息类专业本科学生所应具备的知识结构的重要组成部分。电磁场与电磁波基本理论又是一些交叉学科的生长点和新兴边电磁场与电磁波基本理论又是一些交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础,缘学科发展的基础,而且对完善自身素质,增强适应能力和创造能力长远地而且对完善自身素质,增强适应能力和创造能力长远地发挥作用。发挥作用。现在学
6、习的是第7页,共57页 本课程将在本课程将在“大学物理(电磁学)大学物理(电磁学)”的基础上,的基础上,进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其分析计算方法。及其分析计算方法。通过课程的学习,掌握基本的宏观电磁理论,具通过课程的学习,掌握基本的宏观电磁理论,具备分析和解决基本的电磁场工程问题的能力备分析和解决基本的电磁场工程问题的能力。现在学习的是第8页,共57页 二、电磁场理论发展历史二、电磁场理论发展历史定性观察电现象、磁现象定性观察电现象、磁现象电磁场理论发展中的重大事件:电磁场理论发展中的重大事件:库仑定律库仑定律(电荷相互作用力规律)(
7、电荷相互作用力规律)1820:电流磁效应电流磁效应(奥斯特)(奥斯特)安培力定律安培力定律(安培)(安培)1831:电磁感应电磁感应(法拉第)(法拉第)1864:位移电流假说,:位移电流假说,麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组(麦克斯韦方程)(麦克斯韦方程)1888:试验证明:试验证明电磁波存在电磁波存在(赫兹)(赫兹)现在学习的是第9页,共57页三、电磁波的传播过程三、电磁波的传播过程 当今世界,电子信息系统,不论是通信、雷达、广播、当今世界,电子信息系统,不论是通信、雷达、广播、电视,还是导航、遥控遥测,都是通过电磁波传递信息来进电视,还是导航、遥控遥测,都是通过电磁波传递信息来进行工作的。因此
8、以宏观电磁理论为基础,电磁信息的传输和行工作的。因此以宏观电磁理论为基础,电磁信息的传输和转换为核心的电磁场与电磁波工程技术将充分发挥其重要作转换为核心的电磁场与电磁波工程技术将充分发挥其重要作用。下面以无线电通信系统为例来说明。用。下面以无线电通信系统为例来说明。现在学习的是第10页,共57页 发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天线,通发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天线,通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去;到了接收端,电磁波在接收过发射天线将其转换成电磁波辐射出去;到了接收端,电磁波在接收天线上感生高频振荡电流,再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入天线上感生
9、高频振荡电流,再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路,这就完成了信息的传递。在这个过程中,经历了电磁波的传输、回路,这就完成了信息的传递。在这个过程中,经历了电磁波的传输、发射、传播、接收等过程发射、传播、接收等过程。传输导行电磁波 发射和接收天线 传播入射、反射、透射、绕射接收机接收天线馈线发射机发射天线馈线导行波下行波现在学习的是第11页,共57页四、电磁波的应用四、电磁波的应用THz电磁波产生与应用电磁波产生与应用电磁波在医疗上的应用电磁波在医疗上的应用电磁高速公路电磁高速公路微带线微带线RFID微波炉微波炉电磁炉电磁炉隐形飞机隐形飞机电磁式生物芯片电磁式生物芯片无线通信无线通信现在学
10、习的是第12页,共57页电磁兼容电磁兼容 随着现代科学技术的发展,电子、电气系统获得越来越广泛的随着现代科学技术的发展,电子、电气系统获得越来越广泛的应用。运行中的电子、电气设备大应用。运行中的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转换,使得多伴随着电磁能量的转换,使得高密度、宽频谱的电磁信息充满整个人类的生存空间,构成极其复高密度、宽频谱的电磁信息充满整个人类的生存空间,构成极其复杂的电磁环境,出现了电磁干扰和电磁污染。使电子系统受到严峻杂的电磁环境,出现了电磁干扰和电磁污染。使电子系统受到严峻的挑战,人类生存受到威胁。人们面临的一个新问题就是如何提高的挑战,人类生存受到威胁。人们面临的一个新问
11、题就是如何提高电子系统在复杂电磁环境下正常运行的能力,如何改善人类生存环电子系统在复杂电磁环境下正常运行的能力,如何改善人类生存环境。境。在这样的背景下提出了电磁兼容的概念,逐渐形成了一门新学科在这样的背景下提出了电磁兼容的概念,逐渐形成了一门新学科电磁兼容性(电磁兼容性(ElectromagneticCompatibility,简写为简写为EMC)。)。电子电子系统的电磁兼容性的分析、计算、试验都要用到大量的电磁场理论知识,系统的电磁兼容性的分析、计算、试验都要用到大量的电磁场理论知识,应用到电路的基础知识,甚至生物医学知识。可以说,电磁兼容学科是电应用到电路的基础知识,甚至生物医学知识。可
12、以说,电磁兼容学科是电磁场学科和其他相关学科相结合而形成的新学科磁场学科和其他相关学科相结合而形成的新学科。现在学习的是第13页,共57页五、本课程知识结构体系五、本课程知识结构体系电电磁磁场场与与天天线线静态场静态场静电场静电场(第三章)(第三章)恒定电流场恒定电流场时变场时变场时变场基本性质时变场基本性质(第六章)(第六章)无界空间中的电磁波无界空间中的电磁波(第六章)(第六章)有界空间中的电磁波有界空间中的电磁波(第七章)(第七章)电磁波的产生基本理论天线电磁波的产生基本理论天线(第八章)(第八章)恒定电场恒定电场恒定磁场恒定磁场静态场边值问题静态场边值问题(第五章)(第五章)电磁场的基
13、本方程电磁场的基本方程(第二章)(第二章)(第四章第四章)现在学习的是第14页,共57页学学 时时 安安 排排矢量分析:矢量分析:6 6电磁场的基本方程电磁场的基本方程 8 8静电场:静电场:7 7恒定电流场:恒定电流场:8 8静电场边值问题:静电场边值问题:8 8时变电磁场平面电磁波:时变电磁场平面电磁波:1212电磁波的反射折射:电磁波的反射折射:8 8电磁辐射:电磁辐射:7 7(总学时(总学时72:讲授:讲授64,机动,机动8)现在学习的是第15页,共57页考考核核平时成绩平时成绩(30)期末考试成绩(期末考试成绩(70)平时成绩平时成绩:专题研究专题研究1515到课率到课率(5)(5)
14、作业作业(10)(10)专题研究:提交一篇专题研究:提交一篇5000字以上的专题研究论文字以上的专题研究论文现在学习的是第16页,共57页研究专题vEM与日常生活与日常生活vEM与现代科技与现代科技vEM与前沿科技与前沿科技vEM与人,人与与人,人与EMv电磁与环境电磁与环境现在学习的是第17页,共57页参参 考书目考书目1.1.曹伟曹伟 ,徐立勤等,电磁场与电磁波理论,徐立勤等,电磁场与电磁波理论 ,北京邮电大学出版,北京邮电大学出版社,社,20022002。2.2.谢处方谢处方,饶克谨饶克谨.电磁场与电磁波电磁场与电磁波.第三版第三版.北京北京:高等教育出高等教育出版社版社,1999,19
15、993.3.倪光正倪光正.工程电磁场原理工程电磁场原理.北京北京:高等教育出版社高等教育出版社,2002,20024.4.Kraus J D,Fleisch D A.Electromagnetics with Kraus J D,Fleisch D A.Electromagnetics with Applications.5th.New York:McGraw-Hill,1999Applications.5th.New York:McGraw-Hill,19995.5.影印版影印版:Kraus J D,Fleisch D A.Electromagnetics:Kraus J D,Fleisch
16、 D A.Electromagnetics with Applications.with Applications.电磁学及其应用电磁学及其应用.北京:清华大学出版北京:清华大学出版社社.New York:McGraw-Hill,2001.New York:McGraw-Hill,20016.6.陈抗生陈抗生.微波与光波导技术教程微波与光波导技术教程.杭州杭州:浙江大学出版社浙江大学出版社,20002000现在学习的是第18页,共57页电磁炉电磁炉Electromagnetic OvenElectromagnetic Oven电磁炉是采用电磁炉是采用磁场感应涡流磁场感应涡流加热原理,利用电流通
17、过加热原理,利用电流通过线圈产生磁场线圈产生磁场当磁场内之磁力线通过金属器皿的底部时即会产生当磁场内之磁力线通过金属器皿的底部时即会产生无数小涡流,使器皿本身自行高速发热无数小涡流,使器皿本身自行高速发热再加热于器皿内的食物。再加热于器皿内的食物。其神奇之处就在于炉面的陶瓷表面不会发热,而锅具自其神奇之处就在于炉面的陶瓷表面不会发热,而锅具自行发热,并煮食锅内食物。其最高温度高达行发热,并煮食锅内食物。其最高温度高达240240度。度。基本原理基本原理现在学习的是第19页,共57页电磁炉的热效率极高,煮食时安全、洁净、无火、电磁炉的热效率极高,煮食时安全、洁净、无火、无烟、无废气、不怕风吹、不
18、会爆炸或引致气体中无烟、无废气、不怕风吹、不会爆炸或引致气体中毒。毒。当磁场内的磁力线通过非金属物休,不会产生涡流,当磁场内的磁力线通过非金属物休,不会产生涡流,故不会产生热力。炉面和人都是非金属物体,本身故不会产生热力。炉面和人都是非金属物体,本身不会发热,因此没有被电磁炉烧伤的危险,安全可不会发热,因此没有被电磁炉烧伤的危险,安全可靠。靠。特点特点现在学习的是第20页,共57页蓝牙技术蓝牙技术 Blue-toothTechnology蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,它以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与范,它以低成本的近距
19、离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个个9x9mm的微芯片中。的微芯片中。例如,如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑例如,如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中,就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间的令人讨中,就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间的令人讨厌的连接电缆而而通过无线使其建立通信。打印机、厌的连接电缆而而通过无线使其建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。除此有其它的数字设备都可以成为
20、蓝牙系统的一部分。除此之外,蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供之外,蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。群。现在学习的是第21页,共57页蓝牙技术蓝牙技术 蓝牙工作在全球通用的蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM(即工业、科学、医学)即工业、科学、医学)频频段。段。蓝牙的数据速率为蓝牙的数据速率为1Mb/s。时分双工传输方案被用来实现全时分双工传输方案被用来实现全双工传输。双工传输。编码:编码:ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带,因此频带是对所有无线电系统都开放的频带,因此
21、使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等,都可家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等,都可能是干能是干扰。为此,蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保扰。为此,蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道(稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道(hopchannel),在一次连接中,无线电收发器按一定的码序列),在一次连接中,无线电收发器按一定的码序列(即一(即一定的规律,技术上叫做定的规律,技术上叫做“伪随机码伪随机码”,就是,就是“假假”的随
22、机码的随机码)现在学习的是第22页,共57页蓝牙技术蓝牙技术不断地从一个信道不断地从一个信道跳跳到另一个信道,只有收发双方到另一个信道,只有收发双方是按这个规律进行通信的,而其他的干扰不可能按同是按这个规律进行通信的,而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰;跳频的瞬时带宽是很窄的,但通样的规律进行干扰;跳频的瞬时带宽是很窄的,但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带,过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带,使干扰可能的影响变成很小。使干扰可能的影响变成很小。与其它工作在相同频段与其它工作在相同频段的系统相比,蓝牙跳频更快,数据包更短,这使蓝牙的系统相比,蓝牙跳频更快,数据包更
23、短,这使蓝牙比其它系统都更稳定。比其它系统都更稳定。现在学习的是第23页,共57页电磁波在医疗上的应用电磁波在医疗上的应用 电磁辐射的分类:电磁辐射的分类:一类是一类是天然电磁辐射天然电磁辐射,如雷电、火山喷发、地震和太阳,如雷电、火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等,除对电气设备、飞机、建筑物等黑子活动引起的磁暴等,除对电气设备、飞机、建筑物等可能造成直接破坏外,还会在广大地区产生严重电磁干扰。可能造成直接破坏外,还会在广大地区产生严重电磁干扰。另一类是人工电磁辐射,主要是微波设备产生的辐射,另一类是人工电磁辐射,主要是微波设备产生的辐射,微波辐射能使人体组织温度升高,严重时造成植物神经
24、微波辐射能使人体组织温度升高,严重时造成植物神经功能紊乱。功能紊乱。但是对电磁辐射,要正确认识,而且要科学防护。事实上,但是对电磁辐射,要正确认识,而且要科学防护。事实上,电磁波也如同大气和水资源一样,只有当人们规划、使用不电磁波也如同大气和水资源一样,只有当人们规划、使用不当时才会造成危害。一定量的辐射对人体是有益的,医疗上当时才会造成危害。一定量的辐射对人体是有益的,医疗上的烤电、理疗等方法都是利用适量电磁波来达到治病健身的的烤电、理疗等方法都是利用适量电磁波来达到治病健身的目的。目的。现在学习的是第24页,共57页生物电磁场保健生物电磁场保健激光治疗激光治疗微波治疗微波治疗电磁波消毒电磁
25、波消毒电磁刀电磁刀现在学习的是第25页,共57页生物电磁场保健生物电磁场保健将人体置于姜氏场导舱内接受载有青春信息的植物幼苗发将人体置于姜氏场导舱内接受载有青春信息的植物幼苗发射的生物电磁波。射的生物电磁波。?植物幼苗电磁波有助于红细胞功能的发挥,促进机体新陈植物幼苗电磁波有助于红细胞功能的发挥,促进机体新陈代谢,增加青春活力,提高性功能,增强免疫力,代谢,增加青春活力,提高性功能,增强免疫力,从而对从而对人体发挥返老还青和医疗保健作用。人体发挥返老还青和医疗保健作用。人体红细胞膜的渗透脆性降低,韧性增强;人体红细胞膜的渗透脆性降低,韧性增强;甲状腺素、甲状腺素、性激素分泌增加;性激素分泌增加
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