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1、电磁场与电磁波电磁场与电磁波绪绪 论论西安科技大学西安科技大学 Ph.D Ph.D 王树奇王树奇 E-Mail: E-Mail: QQ:1078072804 QQ:1078072804 电话：电话：8558316585583165绪论绪论一、电磁场与电磁波课程涉及的主要研究领域 二、电磁场理论发展简史 三、电磁场理论的主要研究对象四、学习的目的、方法及其要求 绪论绪论主要研究领域作为理论物理学的一个重要研究分支，主要致力于统一场理论和微观量子电动力学的研究。电磁场理论的主要研究领域 作为无线电技术的理论基础，集中于三大类应用问题的研究。绪论绪论绪论绪论作为信息的载体应用于通信、广播、电视 电磁
2、波作为探求未知物质世界的手段应用于雷达、导航、遥测、遥感和遥控 研究设计产生能满足各种应用要求的电磁波能量存在的一种形式时变电流或加速运动的电荷向空间辐射电磁波电磁波辐射问题绪论绪论 电磁场理论发展简史1电磁场理论的建立 电、磁现象是大自然最重要的往来现象，是最早被科学家们关心和研究的物理现象。 19世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象，没有发现电与磁的联系。但这些研究（特别是伏打1799年发明了电池），为电磁学理论的建立奠定了基础。绪论绪论 库仑于1779年通过实验和采用类比方法归纳、导出了两个静止点电荷间的相互作用规律，即库仑定律，是静电学理论建立的实验基础。绪论绪论 奥斯特从180
3、7年开始研究电磁之间的关系。1820年，他发现电流以力作用于磁针。 近于同时，安培发现磁力作用的规律安培力公式。绪论绪论 法拉第敏锐地意识到，电可以对磁产生作用，磁也一定能够对电产生影响。 1821年他开始探索磁生电的实验。1831年他发现，当磁捧插入导体线圈时，导线圈中就产生电流，这表明：电与磁之间存在着密切的联系。法拉第发现电磁感应定律。绪论绪论 麦克斯韦在法拉第实验的基础上，总结了宏观电磁现象的规律，引入了“感生电场”、“位移电流”两个概念，其核心思想是：变化的磁场要产生感生电场，变化的电场也要产生磁场。在此基础上，1864年提出了一套偏微分方程来表达电磁现象的基本规律，称为麦克斯韦方程
4、组，是经典电磁场理论的基本方程。绪论绪论 1887年，德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环状天线接收，证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场理论应用与发展时代，并且发展成为当代最引人注目的学科之一。绪论绪论赫兹设计的电磁波发生和接收装置l（a）是振荡电路，含有两个金属放电杆，每根杆的一端有一金属球，两球间有一个敞开的空气隙。 l（b）是一个检测电磁波的装置 ，不带电池或其它内部电源，是将一条导线弯成圆形，在导线的两端焊上两个金属小球，小球间留有小的间隙 。绪论绪论 无线电报 1895年，（意）马可尼成功地进行了2.5公里
5、距离的无线电报传送实验。1896年，波波夫进行了约250米距离的类似试验, 1899年, 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距离的试验成功。 马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了1909年的诺贝尔奖金物理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期。 有线电话 1876年,（美）A.G.贝尔在美国建国100周年博览会上展示了他所发明 的有线电话。此后,有线电话便迅速普及开来。2、电磁场理论的应用和发展绪论绪论 广播 1906年，（美）费森登用50千赫频率发电机作发 射机，用微音器接入天线实现调制，使大西洋航船上 的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。1919
6、年，第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电台在英国建 成。次年，在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台。 电视 1884年，（德）尼普科夫提出机械扫描电视的设想，1927年，（英）贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西 洋中的船上。兹沃霄金在1923和1924年相继发明了摄像管和显像管。1931年，他组装成世界上第一个全电子电视系统。绪论绪论雷达（Radio Detection and Ranging无线电探测和测距） 二次世界大战前夕，飞机成为主要进攻武器。英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。1936年，（英）瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰
7、炸机。1938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。1940年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。1944年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明,使雷达更加完善。在整个第二次世界大战期间,雷达成了电磁场理论最活跃的部分。绪论绪论相控阵天线是获得窄的辐射或接收波束的关键技术绪论绪论 卫星通信技术 1958年, 美国发射低轨的“斯科尔”卫星成功,这是第一颗用于通信的试验卫星。1964年,借助定点同步通信卫星首次实现了美、 欧、非三大洲的通信和电视转播。1965年,第一颗商用定点同步卫星投入运行。1969年, 大西洋、太平洋和印
8、度洋上空均已有定点同步通信卫星,卫星地球站已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地区的通信网接通。卫星通信经历10年的发展，终趋于成熟。绪论绪论 卫星定位技术（ GPS） 1957年卫星发射成功后，人们试图将雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地球表面及近地空间目标的定位和导航。1958年底，美国开始研究实施这一计划，于1964年研究成功子午仪卫星导航系统。1973年美国提出了由24颗卫星组成的实用系统新方案，即GPS计划（Navigation Satellite Timing and Ranging /Global Positioning System 的字头缩写NAVSTAR/GPS的简称
9、），其含义是利用导航卫星进行测时和测距。1990年最终的GPS方案是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。绪论绪论GPS定位系统在确定目标的精确位置时，必须考虑电磁波在电离层和大气中传播中波传播速度的修正。绪论绪论GPS卫星天线系统绪论绪论无线通信目标绪论绪论PSTNBTSMSCBTSIP NET GATEWAY移动通信网络结构绪论绪论蜂窝移动电话用户增长USAChinaEstimatesIndiaJapanGermany Italy / UK绪论绪论VoiceWide bandBroad bandAnalogDigitalIntegratedDataNarrow bandB3G/4G3G2
10、GMulti-function1GMultimediaSmartPoint frequency移动通信发展演进绪论绪论IMT-2000WLANtypeCellular2ndgen.Short RangeConnectivityWirelinexDSLotherentitiesDigitalBroadcastreturn channele.g. cellulardownload channelNew RadioInterfaceIMT-2000WLANtypeCellular2ndgen.Short RangeConnectivityWirelinexDSLotherentitiesDigita
11、lBroadcastreturn channele.g. cellulardownload channelNew RadioInterfaceIP based Core Network Services andapplicationsB3G/4G绪论绪论 电磁场的基本属性及其运动规律； 波与物质的相互作用及信息的提取； 电磁场系统的计算方法，仿真技术； 工程技术应用中的电磁场理论问题。3、电磁场理论的主要研究对象绪论绪论 掌握宏观电磁场的基本属性和运动规律； 掌握宏观电磁场问题的基本求解方法； 了解宏观电磁场的主要应用领域及其原理； 学习分析问题、归纳问题的科学方法，培养用数学解决实际问题的能
12、力； 独立完成作业，做好课堂笔记，精读教材及一至二本教学参考书。学习的目的、方法及其要求绪论绪论主要参考书【1】谢处方，电磁场与电磁波，高等教育出版【 2】王家礼等，电磁场与电磁波，西安电子科大 出版社【3】王增和等，电磁场与电磁波（通信专业）， 电子工业出版社 【4】 王蔷等，电磁场理论基础，清华大学出版社【5】柯亨玉，电磁场理论，人民邮电出版社绪论绪论欢迎大家和欢迎大家和我一起进入我一起进入 电磁世界电磁世界绪论绪论接收机接收天线馈线导行波导行波导行波导行波发射机发射天线馈线导行波导行波广播、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用。下面以无线电通信系统为例来说明。绪论绪论 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。 传输导行电磁波 发射和接收天线 传播入射、反射、透射、绕射一些常见的天线和馈线绪论绪论中、短波发射天线微波接力天线绪论绪论卡塞格仑天线绪论绪论MMDSA型微波天线MMDSC型微波天线绪论绪论对数周期天线
