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电磁波的实际应用范文1
关键词：矩形波导;传输系数;反射系数
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.
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[4]马军，王弘刚，杜广星等.矩形波导TM11-TE10模式转换器的初步设计[J].强激光与离子束，2014，26（06）：063004-1-5.
电磁波的实际应用范文2
一、教学分析
知识与技能：
1.了解无线电波的波长范围.
2.了解无线电波的发射过程和调制的简单概念.
3.了解调谐、检波及无线电波接收的基本原理.
过程与方法：
通过观察总结了解无线电波的基本应用，了解现代技术的应用方法，学会基本原理.
情感、态度与价值观：
通过对无线电波应用原理的基本认识感悟科学技术的价值和重要性.端正科学态度，培养科学的价值观.
二、教学重点
对本节基本概念的理解.
三、教学难点
对调谐的理解，无线电波发射与接收过程.
四、教学方法
演示推理法和分析类比法.
五、教学用具
信号源，示波器，收音机，录音机，调频发射机，计算机多媒体，实物投影仪等.
六、教学过程
（一）引入新课
师：在信息技术高速发展的今天，电磁波对我们来说越来越重要，无论是广播、电视还是无线电通信以及航空、航天中的自动控制和通信联系，都离不开电磁波．在无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波，那么无线电波是怎样发射和接收的呢？这节课我们就来学习电磁波的发射和接收.
（二）进行新课
1.无线电波的发射
师：请同学们讨论，在普通LC振荡电路中能否有效地发射电磁波？（学生讨论.）
生：在普通LC振荡电路中，电场主要集中在电容器的极板之间，磁场主要集中在线圈内部.在电磁振荡过程中，电场能和磁场能的相互转化主要是在电路内部完成的，辐射出去的能量很少.不能有效地发射电磁波.
师：有效地发射电磁波的条件是什么？（学生阅读教材有关内容.）
师生总结：
要有效地向外发射电磁波，振荡电路要满足如下条件：
（1）要有足够高的振荡频率.
（2）振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，才能有效地把电磁场的能量传播出去.
师：如何改造普通的LC振荡电路，才能使它能够有效地发射电磁波？（引导学生讨论.）
（师生一起讨论后，引出开放电路的概念.将闭合电路变成开放电路就可以有效地把电磁波发射出去.）
如图1所示，是由闭合电路变成开放电路的示意图.
师：无线电波是由开放电路发射出去的.
讲解：在实际应用中常把开放电路的下端跟地连接.跟地连接的导线叫做地线.线圈上部接到比较高的导线上，这条导线叫做天线.天线和地线形成了一个敞开的电容器，电磁波就是由这样的开放电路发射出去的.电视发射塔要建得很高，是为了使电磁波发射得较远.实际发射无线电波的装置中还需在开放电路旁加一个振荡器电路与之耦合，如图2所示.
振荡器电路产生的高频率振荡电流通过L2与L1的互感作用，使L1也产生同频率的振荡电流，振荡电流在开放电路中激发出无线电波，向四周发射．
师：发射电磁波是为了利用它传递某种信号.例如无线电报传递的是电码符号，无线电广播传递的是声音，电视广播传递的不仅有声音，还有图像.这就要求发射的电磁波随信号而改变.电磁波是怎样传递这些信号的呢？
讲解：在电磁波发射技术中，如果把这种电信号“加”到高频等幅振荡电流上，那么，载有信号的高频振荡电流产生的电磁波就载着要传送的信号一起发射出去.把要传递的信号“加”到高频等幅振荡电流上，使电磁波随各种信号而改变的技术叫做调制.
进行调制的装置叫做调制器.要传递的电信号叫做调制信号.
使高频振荡电流的振幅随调制信号而改变叫做调幅（AM）.
使高频振荡电流的频率随调制信号而改变叫做调频（FM）.
图3是调幅装置的示意图．接在振荡器和线圈之间的话筒就是一个最简单的调制器，由声源发出的声音振动使话筒里的碳粒发生时松时紧的变化，它的电阻也发生时大时小的变化.所以，虽然振荡器产生的是高频等幅振荡电流，但是线圈通过的却是随声音而改变的高频调幅电流．由于线圈的互感作用，从开放电路中发射的也是这种高频调幅电流.这种电磁波叫调幅波.（多媒体演示：调幅波.）
（用示波器观察调幅波形.）
2．无线电波的接收
师：处在电磁波传播空间中的导体，会产生感应电流，导作中感应电流的频率与激起它的电磁波频率相同，因此，利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波，这样的导体就是接收天线.
在无线电技术中，用天线和地线组成的接收电路来接收电磁波.
讲解：世界上有许许多多的无线电台、电视台以及各种无线电通讯设备，它们不断地向空中发射不同频率的电磁波，这些电磁波强弱不等地弥漫在我们周围.如果不加选择地把它们都接收下来，那必然是信号一片混乱，分辨不清，达不到我们传递信息的目的.所以，接收电磁波时，首先要从诸多的电磁波中把我们需要的选出来，通常叫做选台.这就要设法使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强.在无线电技术里，是利用电谐振来达到这个目的的.当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强.这种现象叫做电谐振，相当于机械振动中的共振.
（用示波器观察电谐振波形.）
师：接收电路产生电谐振的过程叫做调谐，能够调谐的接收电路叫做调谐电路.
如图6是收音机的调谐电路.调节可变电容器的电容来改变调谐电路的频率，使它跟要接收的电台发出的电磁波的频率相同，这个频率的电磁波在调谐电路里激起较强的感应电流，这样就选出了这个电台.（演示调谐过程.）
讲解：收音机接收的经过调制的高频振荡电流（对应图讲解），这种电流通过收音机的耳机或扬声器，并不能使它们振动而发声，为什么呢，假定某一个半周期电流的作用是使振动片向某个方向运动，下一个半周期电流就以几乎同样大的作用使振动片向反方向运动.高频电流的周期非常短，半周期更短，而振动片的惯性相当大，所以在振动片还没有来得及在电流的作用下向某个方向运动的时候，就立刻有一个几乎同样大的作用要使它向反方向运动，结果振动片实际上不发生振动．要听到声音，必须从高频振荡电流中“检”出声音信号，使扬声器(或耳机)中的动片随声音信号振动.
从接收到的高频振荡电流中“检”出所携带的调制信号过程，叫做检波.检波是调制的逆过程，因此也叫解调.由于调制的方法不同，检波的方法也不同.检波之后的信号再经过放大、重现，我们就可以听到或看到了.
下面介绍收音机中对调幅波的检波.
图7是晶体二极管的检波电路，是利用晶体二极管的单向导电性来进行检波的.调谐电路中产生的是经过调幅的高频振荡电流，L1和L2绕在同一磁棒上，由于互感作用，在L2上产生的是高频交变电压．由于二极管的单向导电性，通过它的是单向脉动电流，这个单向脉动电流既有高频成分，又有低频的声音信号，高频成分基本从电容器C（复习旁路电容器）通过，剩下的音频电流通过耳机发声.（用示波器观察检波过程）实际上就是一个晶体二极管收音机的电路图.这种收音机声音很小，只能用开机收听本地电台.为了提高收音机的接收性能，需要用放大器把微弱的信号放大.图8是加有放大器的收音机方框图.由天线和调谐电路接收到的高频调幅电流，先通过放大器进行高频放大，然后进行检波和低频放大，放大后的音频电流输送到喇叭，使它们发出声音.
下面我们通过调幅和调频两种方式，来看看无线电波发射和接收的全过程.
（1）调幅发射和接收.（实验演示.）
（2）调频发射和接收.（实验演示.）
比喻：
高频电流火车 音频电流货物
调制发射传播调谐解调
装货出站运行进站卸货
师：我们再来看一下无线电波的分段.（投影.）
（三）课堂总结、点评
本节课主要学习了以下内容：
1.电磁波的产生和发射条件.
2.开放电路的结构和特点.
3.电磁波的发射过程和接收过程.
七、课后作业
完成P92“问题与练习”中的题目.阅读P91“科学足迹”.
预习下一节：电磁波的发射和接收.
八、教学体会
思维方法是解决问题的灵魂，是物理教学的根本；亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开了思维方法和实践活动，物理教学就成了无源之水、无本之木.学生素质的培养就成了镜中花，水中月.
附：巩固训练
1.电磁波的调制有哪两种方式？
2.什么叫电谐振？
3.调谐过程中，若接收同一波段内的不同信号，通常是改变电路中哪个元件的值？
4.发射电磁波为什么要用开放电路？
5.接收电磁波信号时，为什么要调谐？
6.调谐电路中可变电容器的动片从完全旋入到完全旋出仍接收不到某较高频率电台发出的电信号，要收到该电台的信号，应该怎么办？
A．增加调谐电路线圈的匝数 B．加大电源电压
C．减少调谐电路线圈的匝数 D．减小电源电压
参考答案：
1.电磁波的调制有调幅和调频两种方式.
2.当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫电谐振.
3.调谐过程中，通常是改变调谐电路中电容器的电容.
4.振荡电路要有效地向外发射电磁波必须具备两个条件：（1）有足够高的振荡频率.（2）振荡电路的电场和磁场要尽量分散到大的空间，只有开放电路才能满足这两个条件，因此，发射电磁波要使用开放电路.
5.在空间里有大量的不同频率的电磁波传播.要接收到其中某一频率的信号，必须使这一信号在接收电路中引起电谐振，因此必须进行调谐.
6.C
电磁波的实际应用范文3
关键词 电磁场与电磁波 课程教学探究 现代信息技术 整合
中图分类号：G424 文献标识码：A
1 省内外相关研究现状分析
“卓越人才培养计划”要求学校培养出基础扎实、知识面宽、创新实践能力强、具有社会责任感、团队合作精神和卓越人才培养潜质的优秀学生。对于我校电信、电科专业学生而言，最好的平台之一就是利用好每一年一度的电子设计竞赛和物理创新大赛。而要想在各类大型竞赛中获得成绩，学生必需要有扎实的理论知识。其中电磁场与电磁波是高等院校通信工程、电子信息工程专业的一门重要的专业基础课。如何上好这门基础课，给同学们提供扎实的理论指导，是卓越人才培养计划必然要求。信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，当代教育技术的发展，给电磁场与电磁波课程的学习带来新的春天。在新的教育理念下，探索信息技术与学科课程整合成为当前教育研究的一个热点内容。研究信息技术与电磁场与电磁波课程整合，对于整体优化教学过程，深化高等教育改革，增进学生的专业知识学习效果，提高学生的信息技术能力，培养学生的合作意识和创新精神具有重大的现实意义。作为一门探究性课程。我们将如何信息技术与电磁场与电磁波课程整合方面进行了初步的探讨。将“知识、能力、人格”的培养理念落实到具体教学环节中。推行启发式、探究式、讨论式、小制作等授课方式，将创新实践能力训练贯穿于课程教学之中。
2 课程教学改革研究对促进教学工作、提高教学质量的作用和意义探究
（1）作为一门探究性课程，电磁场与电磁波课程是通信工程、电子信息工程专业的一门重要的专业基础课。它以麦克斯韦方程为根本基础构建电磁理论的知识体系，它研究自然界中电磁现象和电磁过程。近年来材料、光子晶体等领域的理论研究和材料研发的突破给经典电磁理论带来了勃勃生机。
（2）另一方面，电磁场与电磁波课程对于学生的动手创造能力的培养遗迹从事相关科学研究都具有基础性的重要意义，对于学习其它相关专业（如通信技术、电力系统、电子技术、激光技术、光学工程等）的课程也有重要影响。
（3）以多媒体技术和网络技术为核心的信息技术在教育领域中的应用是教育信息化的重要标志。通过电磁场与电磁波课程的探究教学与当代信息技术的整合与深化，使学生掌握电磁场与电磁波课程知识所涉及的相关科学方法，有效提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，提高学生知识拓展能力和自我学习能力。
3 课程教学探究的实施方案
3.1 具体研究对象和内容
（1）我们将采用传统板书、电子课件、网络和视频多种手段结合。课内讲授与课外讨论和制作相结合、基础理论教学与学科前沿讲座结合，基本理论训练与科研实践训练相结合。（2）针对电磁场与电磁波是理论基础课的特点，课堂教学主要采用探究式课堂教学法：即每节课突出一个主题，讲清论透；每个主题，通过多种形式的师生互动，及时了解学生的疑难问题和创造欲望。（3）鼓励和指导有能力的学生提早进入科研实践训练、参加各类科技竞赛。将学生撰写课程小论文融入教学全过程，从中选出有质量的项目进入科研实践训练。构建多样化应用型人才，培养应用型、复合型、技能型人才，增强毕业生就业能力；完成本课的预期目的。（4）电磁场与电磁波也是一门实践性很强的课程，其研究对象——场是区别于实物的物质形态，具有抽象的特征。为避免课程教学的数学化，我们将充分应用当代信息技术的优势，比如说应用视频教学资料增强学生的感性认识和动手能力，同时反过来应用于当代信息技术，充分发展学生的物理思维和物理探究能力。（5）我们将充分利用好点子竞赛等创新平台，促进电磁场与电磁波的教学。
3.2 课堂教学改革研究拟达到的目标
在课堂教学中，突出学生的参与性，使他们主动获取而不是被动接受科学结论，强调思维互动，使学生感觉电磁场与电磁波发人深思，不难入门。作为电磁理论基础的麦克斯韦方程是从大量个体电磁实验总结而得的“共性”规律。同时，电磁场与电磁波与其他物理学分支也具有“共性”和“个性”的关系。针对这一特点，教学中注意引导学生“相似性形象思维”，开展“抽象思维”，促成“顿悟思维”。学生感觉电磁场与电磁波思路清晰，容易理解。激发学生学习兴趣，经常采用课堂讨论，由学生提问，在教师引导下大家讨论，总结得出准确认识。由于分析“电磁场和电磁波”要在多维时空中抽象思维，课堂教学充分使用多媒体，尽力使用图像和色彩搭配，使学生建立正确的物理图像。
3.3 课堂教学改革研究拟解决的主要问题
（1）突出科学性和探究性。电磁场与电磁波探究式教学，强调学生能力的培养。教学中遵循“物理现象的发现—物理现象的描述—物理过程的分析—结果验证与实验测量”，再现科学研究过程，突出物理学实验性的特征。教学中注意知识拓展，充分联系实际应用和现代科技发展，提高了学生学习兴趣和毕业生就业的适应性。（2）重视物理思维和学生能力培养。课程教学中锻炼“相似性形象思维”，提高“抽象思维”，促成“顿悟思维”。采用多媒体手段、有效使用图示，帮助学生正确建立物理图像，认识物理过程。提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。培养他们的科学创新能力。（3）推进个性化教育。探究式教学可以使具有不同基础的学生各有所获。课程网站的建立和电磁场与电磁波论坛的开通，也将有效推动个性化教育的实施。
4 课堂教学改革研究的特色和应用价值及推广
4.1 特色
（1）通过网络解答学生的问题，及时了解学生的创造欲望。（2）通过课外阅读、讨论与讲座扩展学生视野，引导学生了解学科前沿发展动态，将有些问题安排给学生进行课外阅读和讨论，提高学生独立分析问题的能力。
4.2 创新点
（1）网络与视频教学可以扩展学生自主学习空间，有些问题通过播放视频，让学生可以直观地理解电磁现象基本规律的内涵。（2）多种形式的师生互动，可以了解学生的学习与创造欲望。（3）科研实践训练培养学生的探索精神和创新能力，从学生课程论文中，挑选有质量的项目进入科研实践训练。 鼓励和指导有能力的学生参加各级科研训练项目与科技竞赛。
4.3 应用价值及推广
（1）当代教育技术中网络视频教学提供了传统教学中所没有的优势。通过播放演示实验中的与电磁场与电磁波现象相关的视频资料，学生可以直观地理解这些现象及其物理内涵。（2）任课教师通过课后答疑和讨论、电子邮件、学生QQ群，解答学生的问题，了解学生的创造欲望，指导有能力的学生开展科研实践训练、参加各类科技竞赛。这种教学方式不仅对提高学生的理解能力、动手能力、创新能力都有相当好的效果，同时也可以促进本课程的教学改进也很有益。（3）同时这种教学模式还可以推广到其他物理类基础学科，对于改变传统的教学模式，增强教学效果以及学生的动手能力和知识理解都有很好的借鉴作用。
电磁场与电磁波是物理学发展比较成熟的一门学科，从电磁理论发展史看，章章节节中渗透着科学家的成功思想和方法，让学生了解并学习这一点，对于培养学生学习方法，培养学生的物理直觉和科学素质是十分有益的，这也是本课程教学的一个目的。本课程教学的基本要求是：使学生系统而深入地掌握静电场和静磁场理论，掌握电磁波的传播和电磁场辐射规律，并能够熟练运用知识分析和解决相关电磁问题。
参考文献
[1] 吴海江.科学原创与科学积累[J].自然辩证法研究，2002.18（5）：42-50.
[2] 孙秀英.全国科技创新大会在京举行[N].人民日报，2012-07-08.
[3] 姜宇.在“电磁场与电磁波”课程中建立创新理念[J].电气电子教学学报，2009（1）.
电磁波的实际应用范文4
关键词： 《电磁场与电磁波》 教学方案 教学改革
目前我国高校电子信息类专业的大部分都开设了《电磁场与电磁波》［1］课程，它是一门理论性很强的专业基础课，通过该课程的学习，可以为学生以后从事射频与微波技术技术、无线通信、天线理论与设计、电磁散射与逆散射、光通讯，以及微波通信、生物医学微波成像、微波遥感及电波传播等方面的相关工程研究打下基础。然而该课程复杂、物理概念抽象、理论性强，学生往往因缺乏感性认识，不易理解，感到难学，所以只靠课堂讲授很难收到预期的教学效果。
“深化教育教学改革，全面加强大学生素质和能力培养”［2］是21世纪人才培养的要求，也是教育系统适应我国现阶段的形势必须采用的方针战略。笔者根据目前江苏大学通信工程专业本科生教授介绍了《电磁场与电磁波》的研究对象及基本内容，通过实施电磁波理论的多方位、多层次的教学改革，将课堂激励式教学、计算机多媒体教学、实验室教学等多种手段和方式相结合，进行了《电磁场与电磁波》整体教学方案的多方位教学改革的尝试。
一、《电磁场与电磁波》课程教学现状及目前存在的基本问题
《电磁场与电磁波》课程是我校通信工程及其它电子信息类专业开设的一门重要的专业基础课，原来课时设置60学时，后来根据教学实际情况增加到75学时。但目前的课程内容没有大的改动。课程内容为：矢量分析，静态场，恒定电流场，恒定磁场，时变电磁场和平面电磁波。电磁场的物理概念抽象，难于理解。前期“电路”方面的课程基本上讲的是时间的一维函数，而电磁场中的场量都是时间、空间上的矢量函数，需要建立矢量场的概念。此外，微积分、矢量分析、数理方程等数学理论是研究电磁场的语言和工具，扎实的数学基础是学习电磁场的必备条件。
笔者在教学中发现目前存在以下方面的基本问题。1.在学习《电磁场与电磁波》课程过程中，学生常常难以将已经学好的数学知识和电磁场内容很好地结合。在学习《电磁场与电磁波》之前，学生一般都具备矢量场论的基本知识，但是在学习《电磁场与电磁波》的过程中却难以将所学知识与电磁场理论融会贯通、学以致用。还有许多学生数学基础薄弱，学习起来倍感吃力。2.在电磁场教学过程中，学生常常反映电磁场课程内容多、公式多、理论性强，很难理出头绪，或者课堂上听不明白，而且课后怕做习题，对课程学习没有兴趣。3.电磁场弥漫于空间，看不见摸不着，在理论教学过程中，学生常感到电磁场太抽象，没有实感，从心理上对这门课产生畏惧。4.在学习《电磁场与电磁波》课程中，学生时常会遇到一些似是而非的东西，产生大量的疑难问题。
二、课程教学改革尝试
为了提高教学效果，我们做了如下几方面的探索。
1.理论联系实际，提高学生的学习兴趣。
我们要结合实际应用，讲述该课程的重要性。在目前以信息科学为代表的新技术革命席卷全球，电磁场与微波作为信息载体，无疑处于这场革命的漩涡中心。例如，微波频段的移动通信的大力发展极大地改变了现代人类的生活，使手机成为人类生活的一部分。还有微波能的普及，极大地方便了人类的物质生活。另外，现代技术战争，已经是“陆、海、空、天、电磁”5位一体的联合作用。“制电磁权”成为继“制海权”、“制空权”之后战争双方极力争夺的新的制高点。通过这方面的介绍和学习，学生认识到这门课的重要性，并且认识到自身的历史使命感，从而增加了学习这门课的动力。
2.教学与科研结合，拓宽学生的知识视野，提高教学效果。
教学过程中，让学生了解最新前沿研究课题，了解最近科研动态，使学生明确当前及今后一段时间电子信息的研究热点与方向。如讲解“分层介质中的电磁波的反射及透射”时，可以结合当前电磁隐身与反隐身的科学研究进行课程的讲授，使学生领会得更加透彻。另外，我们还可以结合科研工作的一些积累，讲解电磁波的极化特性，使学生深刻领悟极化的物理概念。改变传统的教学思想，具体而言就是要改变“大而全”和“满堂灌”的教学思想，在掌握好基本知识的基础上，引导学生从被动学习向主动学习转变。我们适时地向学生提出一些综合性和灵活性的问题，使课堂生动活泼，吸引学生的注意力。有意义的启发性的问题可使学生聚拢目光，积极思考，达到新的层次。
3.采用形式多样的教学手段，实现教学方法的优化结构。
我们利用计算机多媒体辅助教学，增加直观的课堂演示。通过直观演示，很容易引发学生的兴趣，目的在于使学生对所学知识加深理解和巩固，并能得以运用和发展，使知识、技能转化为能力，同时也可得到信息反馈，发现不足及时补救。比如“平面电磁波”等章节内容，是本课程的重点及难点，通过制作一维电磁波的动画效果进行课堂演示，使学生可以清晰地看到平面电磁波在一维空间中的传播情况，以及当遇到理想导体情形时的电磁波的反射情形，从而深刻理解驻波、半波损失等基本的物理理论；另外，还可以模拟电磁波在遇到多层介质时电磁波传输问题，让学生形象地理解电磁波行为。这些难点内容常会在学生脑海中萦绕，产生了很直观的认识，有助于进一步理解。
同时，在课堂教学外，还要结合实验室中的实验教学，让学生从实验的角度深刻理解电磁场与电磁波的理论，提高学生的动手能力。在实验中学生要养成认真细致的工作作风，训练敏锐入微的观察能力，结合理论基础分析实验现象能力，以及锻炼实际操作能力。
4.采取激励式教学方法，结合课外兴趣学习活动小组，提高教学效果。
利用教学评价机制，在学生的考核成绩中，按一定的比例，比如30%作为平时成绩。学生在课堂上主动积极地回答次数作为考核的机制，每次2分至5分。这样可以鼓励学生积极踊跃发言，活跃课堂气氛，提高学生学习的积极性和主动性；还可以吸引学生的注意力，提高课堂上的学习效率。
另外，我们还可以在课外组织学有余力的学生成立兴趣小组；引导他们利用课余时间去实验室，和研究生一起参加课题的研究，从中学习到课内没有的知识，从而不断地提高他们运用知识分析问题、解决问题的能力。
三、结语
《电磁场与电磁波》课程教学实践表明，课堂教学不但需要教师有渊博的理论知识及理论修养，还需要教师精心组织教学，激发学生的学习热情，提高教和学的质量，从而收到培养面向新世纪的合格人才的目的。通过这门课程的教改尝试，达到了激发学生的创新意识，促进学生对知识的理解和掌握，培养学生的创新意识的预期效果。总之，本课程是一门理论性很强的专业基础学科，如何搞好本课程的教学，还有待于进一步地探索及改革。
参考文献：
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电磁波的实际应用范文5
一、卫星通信的工作频段
卫星通信中，工作频段的选择是一个十分重要的问题。它直接影响系统的通信容量、质量、可靠性、设备的复杂程度和成本的高低，并且还影响到与其它通信系统的协调。一般而言，卫星通信工作频段的选择必须根据需要与可能相结合的原则，重点考虑下列因素。
（1）电波能够穿过电离层，传播损耗和外部附加噪声应尽可能小。
（2）应具有较宽的可用频带，尽可能增大通信容量。
（3）合理使用无线电频谱，防止各种宇宙通信业务之间以及与其它地面通信业务之间产生相互干扰。
（4）考虑电子技术与器件的进展情况以及现有通信技术设备的利用与相互配合。
综合上述因素，卫星通信的工作频率选择微波波段是最合适的。
二、卫星通信电波的传播损耗
卫星通信链路的传输损耗包括自由空间传播损耗、对流层传播损耗、电离层传播损耗等，下面依次来分析。
1、自由空间的传播损耗
在整个电磁波传输过程中，即使不发生反射、折射、吸收和散射等现象，也会发生能量向空间扩散而损耗的现象，这被称为自由空间损耗。电波被天线辐射后，便向周围空间传播，由电磁波传播原理可知，每个辐射出去的平面上的点都可以当做新的信源，继续向四周辐射。
实际表明，电波在自由空间以球面形式传播，电磁场能量扩散，接收机只能接收到其中的一小部分，大部分能量在传播过程中损耗了。传播距离越远，到达接收地点的能量越小。
2、对流层传播损耗
对流层是指自地面向上大约10km范围的低空大气层，对流层集中了整个大气质量的3/4，当地面受太阳照射时，地表温度上升，地面放出的热量使低温大气受热膨胀，进而造成了大气密度不均匀，于是产生了大气的对流运动，对电波传输产生了一定的损耗。
（1）大气折射
大气折射率n是指电磁波在自由空间中的传播速度c与在大气中的传播速度v之比。n随高度的增加而减小，v随高度的增加而增加，从而使电波传播的轨迹向下弯曲，因而，由于大气的折射作用，实际的电波传播不是按照直线进行，而是按曲线传播的。大气折射使电磁波射线路径发生弯曲，从而使收信点的接收功率发生变化。
（2）大气吸收损耗
任何物质的分子都是由带电粒子组成的，这些粒子都有其固有的电磁谐振频率。当通过这些物质的微波频率接近它们的谐振频率时，这些物质对微波就产生共振吸收。大气中的氧分子具有磁偶极子，水蒸气分子具有电偶极子，它们都能从电磁波中吸收能量，从而产生吸收损耗。
（3）雨雾引起的损耗
雨雾等自然现象都是对流层殊的大气环境造成的，并且是随机产生的，它使发端到收端之间的电磁波被散射、折射、吸收。其中，降雨损耗尤为明显。当工作频率大于30GHz时，即使是小雨，造成的损耗也不能忽视。在10GHz以下时，必须考虑中雨以上的影响。为了保证可靠通信，在进行链路设计时，通常先以晴天为基础进行计算，然后留有一定的余量，以保证降雨、下雪等的情况仍然满足通信质量要求。
3、电离层传播损耗
电离层的影响主要是电离层闪烁衰落，衰落值同地磁纬度有密切关系，在地磁纬度30°附近是一闪烁增强带，地磁纬度20°以下，春夏发生闪烁严重且频繁。电波穿过电离层的衰减量，随入射角而变化，垂直入射时，衰减量最小。
另外，电波还受地球磁场的影响，线极化电磁波的极化平面会发生旋转效应，因此，要根据不同情况，对极化面的变化进行补偿。
4、多普勒频移
当卫星与用户终端之间、卫星与基站之间、卫星与卫星之间存在相对运动时，接收端收到的发射端载频发生频移，即多普勒效应引起的附加频移，称之为多普勒频移。多普勒频移对采用相关解调的数字通信危害较大，地球站接收机必须采用锁相技术才能稳定地接收卫星发来的信息。
对于移动卫星通信而言，它可能利用静止轨道卫星，也可以是非静止轨道卫星，对于前者，产生多普勒频移主要是因为用户终端的运动，后者主要取决于卫星相对于地面目标的快速运动。
5、多径衰落和阴影遮蔽效应
电波在移动环境中传播时，会遇到各种物体，经反射、散射、绕射，到达接收天线时，己成为通过各种路径到达的合成波，即多径传播模式。各传播路径分量的幅度和相位各不相同，因此合成信号起伏很大，称为多径衰落。
电波途经建筑物、树林等时受到阻挡被衰减，这种阴影遮蔽对陆地移动卫星通信系统的电波传播影响很大。
以上分析了卫星通信电波在传输过程中可能产生的各种传播损耗，实际中，电波还受到传输噪声的影响。
三、卫星通信电波的传输噪声
当电波经过传输达到接收机时，会引入一部分噪声，这些噪声对接收机影响较大，实际中要充分考虑。接收机输入端的噪声分别由内部（接收机）和外部（天线引入）噪声源引入，外部噪声源可以分为两类：地面噪声和太空噪声。地面噪声影响最大，来源于大气、降雨、地面、工业活动等，太空噪声来源于宇宙、太阳系等。
1、太阳系噪声
它指的是太阳系中太阳、各行星以及月亮辐射的电磁干扰被天线接收而形成的噪声，其中太阳是最大的热辐射源。只要天线不对准太阳，在静寂期太阳噪声对天线噪声影响不大；其他行星和月亮，没有高增益天线直接指向时，对天线噪声影响也不大。实际上，当太阳和卫星汇合在一起，即太阳接近地球站指向卫星的延伸线时，地球站就会受到干扰，甚至造成中断。
2、宇宙噪声
外空间星体的热气体及分布在星际空间的物质所形成的噪声，在银河系中心的指向上达到最大值（通常称为指向热空），在天空其它某些部分的指向上是很低的（称为冷空）。宇宙噪声是频率的函数，在1GHz以下时，它是天线噪声的主要成分。
3、大气噪声与降雨噪声
电离层、对流层不但吸收电波的能量，也产生电磁辐射而形成噪声，其中主要是氧气和水蒸汽构成的大气噪声，大气噪声是频率和仰角的函数。大气噪声在10GHz以上显著增加，仰角越低时，由于电波穿越大气层的路径长度增加，大气噪声作用加大。
降雨以及云、雾在产生电波吸收衰减的同时，也产生噪声，称为降雨噪声。对天线噪声的作用与雨量、频率、天线仰角有关。即使在4GHz的频率下，仰角低的时候，大雨对天线噪声影响也很大，因此我们在设计系统的时候要充分考虑这些因素。
4、内部噪声
内部噪声来源于接收机，由于接收机中含有大量的电子元件，而这些电子元件中由于温度的影响，其中自由电子会做无规则的运动，这些运动实际上影响了电路的工作，这就是热噪声，因为在理论上，如果温度降低到绝对零度，那么这种内部噪声会为零，但实际上我们达不到绝对零度，所以内部噪声不可根除，只可抑制。
电磁波的实际应用范文6
[关键词] FMCW； 探地雷达； 煤层超前探测； MUSIC算法
0 引言
由于不同的煤层地质条件，煤层中可能含有瓦斯或水体，在采掘过程中会引发灾害，严重威胁职工的生命安全和设备安全。因此利用超前探测的方法提前判断掘进煤层前方可能存在的安全隐患，对于煤矿安全高效生产具有重要意义。
在实际应用中，探地雷达依据其信号形式大致可以分为三类：调频连续波（FMCW）探地雷达、脉冲探地雷达以及步进变频探地雷达。其中FMCW探地雷达属于频率域探地雷达，接收机的动态范围大，具有更高的辐射功率，可获得比时间域探地雷达更好的分辨率，并且更适合在损耗较大的媒介中工作。一直以来，由于频率域探地雷达硬件结构造价较大，所以其商业应用一直比较落后。但是随着电子技术的不断提高，使得频率域探地雷达的造价一直在降低，同时人们对目标识别的重视，使得频率域雷达的高分辨率优点更加突出，所以近年来频率域雷达得到了较好的发展。如果将FMCW探地雷达应用于煤层超前探测，其具有很高的发射功率，即探测深度很大，而且也能尽可能的增加分辨率，所以将FMCW探地雷达应用于煤层超前探测具有很大的价值。[1-7]
FMCW探地雷达是根据接收到的回波信号与本地信号进行混频，然后根据差频信号的频率进行信号位置的确定。所以在FMCW探地雷达中，频率测量的准确性直接关系到对物体定位的精确程度。而且在处理过程中，要同时确定多个信号的频率。MUSIC算法由于其超高的频率分辨能力以及可实现多目标检测的能力，使其成为处理FMCW探地雷达回波信号的主要算法。[7] [9]
1 FMCW探地雷达原理
调频连续波探地雷达的系统组成简图如图1所示， 首先向目标发射频率按一定规律变化的电磁波，此电磁波在遇到目标介质后发生反射，包含有目标介质特性的反射电磁波通过雷达的接收天线被雷达系统接收。此时，将接收到的反射电磁波与本地的发射电磁波进行混频，然后就会得到一个差频信号，我们根据发射电磁波的变化规律以及混频后的差频信号就可以得知电磁波在介质中的传播时间。
在实际应用中，我们首先根据一定的算法处理差频信号，使差频信号的频谱在差频信号的频率处产生频谱峰值，我们通过此峰值就可以确定出差频信号的频率，然后确定出目标的位置。
2 探地雷达信号处理中的MUSIC算法
MUSIC算法是一种典型的空间谱估计算法，它是将阵列接收到的数据进行特征分解，求取其特征值及特征值对应的特征向量，从而得到两个子空间――信号子空间以及噪声子空间，其中信号子空间与接收到的信号以及噪声都有关系，而噪声子空间只与噪声有关。MUSIC算法就是利用噪声子空间与信号的各个分量相正交的特性来对信号的来波方向或者频率进行估计，这种算法具有非常高的频率分辨率以及角度分辨率。前面我们已经介绍FMCW探地雷达中，频率测量的准确性直接关系到对物体定位的精确程度。而且在处理时，要同时确定多个信号的频率。MUSIC算法由于其超高的频率分辨能力以及可实现多目标检测的能力，使得MUSIC算法成为处理FMCW探地雷达回波信号的主要算法。
MUSIC算法的处理步骤：
第二步 对估计出的自相关矩阵进行分析，得出自相关矩阵的噪声子空间。
第三步 利用构造出来的谱函数P（？棕）进行计算。
3 MUSIC算法性能仿真
1）来波信号的信噪比对算法分辨率的影响 。
取来波信号的长度为1000， 探地雷达的接收天线为均匀线阵，均匀线阵的阵元数为10，来波信号的数目为三个，其归一化频率分别为？仔/2、35*？仔/64、 3*？仔/2，取信号的信噪比分别为0dB、10dB、20dB、30dB、40dB、50dB，仿真结果如图2所示。从图中可知信噪比越高，算法的分辨率就越高。
此外我们还对信号长度（信号的采样点数）、接收天线的阵元数对算法分辨率的影响进行了仿真，通过对不同参数的仿真分析总结出，当信号长度（采样点数）越大、信号的信噪比越大、接收信号的天线的阵元数越多，算法的分辨率就越高。
2）不同来波信号的归一化频率间隔对算法分辨率的影响 。
我们还对来波信号的数目对算法分辨率的影响进行了仿真，仿真结果表明当天线阵元数大于来波信号的数目时，来波信号的数目对算法的影响较少，故该算法适用于多信号的识别。
4 结论
本文由FMCW探地雷达信号的特点入手，分析了MUSIC算法用来处理FMCW探地雷达信号的优势。之后介绍了MUSIC算法的思路，根据其要利用信号子空间以及噪声子空间相正交的特性，对MUSIC算法进行了推导，最后构造出了MUSIC算法用来进行信号频率估计的谱函数。通过总结MUSIC算法的推导过程，得到了MUSIC算法的实现步骤。
最后对MUSIC算法进行仿真，通过对不同参数的仿真分析总结出，当信号长度（采样点数）越大、信号的信噪比越大、接收信号的天线的阵元数越多，算法的分辨率就越高；并通过仿真结果得知此算法的归一化频率的分辨率在3*？仔/100～4*？仔/100之间，该算法适用于多信号的识别。
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