时间：2023-10-12 09:41:35
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇电磁波辐射的条件，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
论文关键词：电磁辐射；生物效应；抗辐射镜片；防护
论文摘要：日益增多的电磁辐射成为危害人体健康的环境污染之一。具有抗辐射功能的镜片能有效阻止有害电磁波进入人眼，从而减少视觉疲劳、预防视力下降，减小视力丧失的可能性，大大降低电磁辐射对人眼的伤害。
电磁辐射作为环境污染和职业危害的一种新形式，受到政府和社会各界的普遍关注。联合国人类环境会议已将电磁辐射列为必须控制的公害之一。电磁辐射对生物体的致伤效应，目前已成为医学领域的重大研究课题。眼睛作为人体最重要的感觉器官之一，容易受到电磁辐射的损伤。抗辐射镜片能有效阻止有害电磁波进入人眼，从而降低电磁辐射对人眼的伤害。
1 电磁辐射
在空间区域内当存在变化的电场时，会在临近的区域引起随时间变化的磁场，变化的磁场会产生新的电场，交替变化的电磁场在空间中按照一定速度由远向近传播，形成了电磁波。低频的电磁振荡主要借由有形的导电体传递，磁电之间的相互变化比较缓慢，几乎没有能量辐射出去，而是全部返回原电路。当电磁振荡频率逐渐变高时，电磁振荡既可以束缚在有形的导电体内传递，也可以在自由空间内传递。在自由空间内传递的高频率电磁振荡，磁电互变速度加快，能量不再以电振荡的形式全部返回原振荡电路，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，在不借助任何介质的情况下以波的形式向外传递能量，这就是电磁辐射[1]。电磁辐射是传递能量的一种方式，电磁辐射所衍生的能量，取决于频率的高低，频率愈高，能量愈大。
电磁辐射广泛存在于职业场所和生活环境中，生物体时时刻刻都会受到不同程度的电磁场辐照。自然环境中的电场和磁场分别为10－4V/m和10－13T，而50hz高压输电线下的电场和磁场约为1～10KV/m和1－10μT，极端情况下可达到11KV/m和100μT；普通居民家中的本底电场约为1－10V/m，但电热毯或加热水床可达几个kv/m[2]。电磁辐射的频谱很宽，频率范围从0至1025 Hz，不同频率的电磁辐射其生物学效应不同。广义的电磁辐射是指所有能辐射出能量的电磁波，狭义的电磁辐射指频率小于300GHz的在生活环境中存在并且可能对生物体造成某种伤害的电磁波。抗辐射镜片所指的辐射是针对于在一定时间或者一定强度下会对人眼产生暂时性、永久性或者累积性伤害的电磁辐射。
2 电磁辐射的生物效应
电磁辐射使生物系统产生的与生命现象有关的响应称为电磁辐射的生物学效应。影响电磁辐射生物学效应的主要参数是频率和强度，不同频率和强度的电磁辐射产生生物学效应的方式不同，效应也不同[3]。电磁辐射效应按照效应出现时间可以分为近期效应和远期效应。从电磁辐射的热作用方式达到一定量值或者一定时间的生物学效应可以分为热效应和非热效应。热效应和非热效应作用于人体后，对人体伤害尚未进行自我修复之前，再次受到电磁辐射，其伤害程度就会发生累积，这种效应称为电磁辐射的累积效应[4]。
世界卫生组织在1998年的调查报告中指出，过量的电磁辐射可导致视力下降，严重者可导致视网膜脱落。长期遭受低强度电磁辐射的作用，可促使视觉疲劳，眼睛不舒适和眼感干燥等现象发生。眼睛是人体中对电磁辐射比较敏感的器官之一，容易受到电磁辐射的损伤。眼部无脂肪层覆盖，眼组织含有大量的水分，晶状体缺少血管散热，在受到电磁辐射热效应后，晶状体蛋白质凝固并产生酶代谢障碍，从而导致晶状体混浊，严重的会形成白内障[5]。同时强电磁辐射会使人眼的重要器官角膜受到伤害，从而造成视觉疲劳、视力下降或丧失。
3 抗辐射镜片的原理
电磁波通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等。为了有效的阻止有害电磁波进入人眼，必须在镜片中添加特定材料或者在镜片表面进行镀膜，从而能够将特定频段的电磁波通过折射、反射、吸收等方式屏蔽，同时要保证可见光能够正常透过镜片进入人眼之中。由于镜片折射率差异较大，选择添加抗辐射材料很难保证镜片稳定的光学特性，因此选择具有吸波特性的材料镀膜至镜片表面是实现镜片抗辐射功能的重要形式。
应用于镜片镀膜的材料必须在超薄厚度的前提下具有良好的吸波作用和透明导电的特性，对于可见光区具有非常优良的透过率。能够产生吸波作用的材料主要有羟基铁、导电高聚物、多晶铁纤维、金属氧化物超细粉末等[6]。多数吸波材料的共同缺点就是不透明，无法应用于镜片镀膜中。经过细化的金属氧化物吸收剂粒子的磁、电、光等物理性能发生了质的变化，同时具有吸波、透波等功能。
抗辐射镜片按其作用原理可以分为吸收型抗辐射镜片和干涉型抗辐射镜片。吸收型抗辐射镜片是利用材料吸收入射的电磁波，并将电磁能转变成热能。干涉型抗辐射镜片是利用电磁波在传播过程中到达各膜层分界面以及膜层和镜片基体分界面上会发生反射、吸收和透射三种光学作用以此改变电磁波传播方向或者使电磁波产生干涉作用而相互抵消。
抗辐射镜片可以选择采用特殊工艺将金属氧化物超细粉末镀膜至镜片表面的方法来阻挡有害电磁波。由于金属氧化物膜层对于可见光的透过率很高，同时能够对某些频段的有害电磁波有效阻挡，可以满足眼用镜片的需求。当电磁波到达镜片外表面膜层时，产生反射、吸收和折射的作用。外表面膜层只吸收很小一部分电磁波，而反射和折射是主要的。折射过的电磁波通过镜片基体后有少量的反射和吸收，大部分电磁波正常透射到达镜片内表面，内表面膜层反射的电磁波和从外表面透射到达镜片基体的电磁波在满足一定条件下产生干涉作用，相互抵消。镀膜方式也可以采用单面多层镀膜，利用多层膜之间产生干涉相消来阻挡电磁波的通过。
4 结论
在电磁辐射广泛存在的今天，采用镀有金属氧化物超细粉末膜层抗辐射镜片能缓解电磁辐射对人眼的近期效应、远期效应以及累计效应，能有效减少视觉疲劳、预防视力下降，减小视力丧失的可能性。在辐射可能存在的环境中应用抗辐射镜片是保障良好视觉状态的重要手段之一。
参考文献
[1] F.H. Read著． 密予宏译． 电磁辐射．高等教育出版社，1988
[2] 黄德寅．电磁辐射对生物体的生物学效应．职业卫生与应急救援，2004．3
[3] 曹毅，童建．电磁辐射生物效应研究综述．环境与职业医学，2007．4
[4] 姚智兵，蒋昊等．电磁辐射的危害及防护．中国社会医学杂志，2007．9 ．
关键词 电磁防护；飞机；设计
中图分类号V22 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）116-0173-02
0 绪论
随着现代电子战飞机的发展，任务系统的发射功率越来越大，作用距离越来越远，对飞机其他系统及人员的影响就越来越严重，因此电磁防护性能对载机安全性、可靠性方面显示出越来越重要的的作用。
1 电磁辐射危害初步分析
电磁辐射场对人员和设备的安全性危害“看不见、摸不着”，其危害性不容易被人们认识。电磁辐射造成的瞬时过电压不仅会引起机载电子系统中的敏感元器件暂时故障或永久性损害，甚至还会引起机载人员生理机能的暂时或永久性损伤。现就飞机任务系统电磁辐射初步分析，电磁辐射可能危害在如下几个方面：
1）超量的电磁辐射对人体有害，系统设计中应考虑人员的电磁防护问题；
2）燃油和其它易燃物在强电磁环境下可能发生危险，系统设计中要采取有效措施，尽量避免发生危险；
3）强电磁能会危害部分结构、系统装置、部品器件的非金属零部件、绝缘材料的物理特性、系统设计中应分析可能的危害，采取有效措施避免发生危害；
4）电磁辐射会直接造成部分元器件及电子电气设备的物理损坏。系统设计中应分析可能的危害，采取有效措施避免发生危害；
5）强电磁辐射可能危及飞机发动机的系统装置、危及发动机的非金属零部件、电子电气设备等，造成部分系统装置、部品期间的失效或损坏。系统设计中应分析电磁辐射可能的危害，采取措施避免发生危害；
6）机上部分设备的自毁装置、信号弹等在强电磁场环境中，可能接受传导发射或辐射发射能量而意外引爆。故系统设计中应分析可能的危害，采取适当措施避免发生意外引爆。
2 电磁防护设计
2.1 电磁防护定义
电磁防护是利用连续导电材料减少电磁场向机体内指定区域穿透，控制电磁波由辐射源经泄露途径向飞机各指定舱室传导和辐射传播。
飞机结构电磁防护设计是基于电磁波传播特性采取的结构设计措施。对一个完整的导电连续体，可以阻挡外部电磁波的辐射进入或大大降低辐射进入的强度，对内部的人员或设备就不会造成安全问题。但飞机因使用和制造要求，存在大量的活动门、窗、结构缝隙、电介质结构等，这些部位就是通过电磁波辐射进入的通路，通过这些辐射进入的电磁波，当能量达到一定强度时，就会危害到舱内人员安全和设备的正常工作。
2.2 电磁防护原理
电磁防护原理就是对非导电连续结构采取必要的设计措施，阻断电磁辐射从一个区域进入另一个区域的通路，或通过降低辐射进入的强度，达到满足人员安全和设备安全可靠工作的目的。
2.3 电磁防护材料和要求
为保证人员安全，驾驶舱、工作舱、休息舱的电磁环境应满足一定的安全限值。
电磁防护材料选择的原则是使用标准、导电性材料，或则使用铁磁性材料；在选择时主要考虑的是材料的机械性能而不是铁磁特性。通常选择的电磁防护材料为以下几种：
1）金属丝网
材料通常为蒙乃尔合金、铍铜、镀锡铜丝等。屏蔽材料在低频电磁波时较高、高频时屏蔽效能较低，一般是用在1GHZ以下的环境。
2）导电布
是以纤维布经过前置处理后施以电镀金属镀层使其具有导电性能的导电纤维布。一般使用镍包铜的镀层顺序（镍―铜―镍）制成，其表面电阻小于0.08Ω/sq，最佳屏蔽电磁波频率范围为100KHZ～3GHZ，屏蔽效能大于60dB，对高频电磁波屏蔽效果不理想。
3）硅脂导电胶
利用硅脂的高粘性和金属颗粒的高导电性结合而成，是一种室温固话的导电胶，固化后形成一个易弯曲且有弹性的导电连接头或密封垫。
硅脂导电胶包括72-00002、72-00192/00139、50-02-1030-0000、72-00236、72-00035、TP-SAS-200-0251等牌号。
4）导电布衬垫
由镀有铜镍等导电织物包覆不导电的泡沫棉制成，屏蔽性能可超过95～120dB，具有导电性高，抗腐蚀特性；多背部贴胶，方便安装，对于宽频段电磁波都具有较好的屏蔽性能。但频繁摩擦会损坏导电表层。
5）导电橡胶
导电橡胶是将导电颗粒填料均匀分布在硅橡胶中，通过压力使导电颗粒接触达到良好的导电性能，兼具良好的密封和屏蔽性能。
导电橡胶填料一般包括镍包铜粉填料、铝镀银填料、铜镀银填料、玻璃镀银填料、纯银填料等。
6）导电腻子
导电腻子由四种填有玻璃银或铜镀银微粒的单组分树脂组成。用于提高结构接口、孔缝和空隙的完整性，填实较大范围的。使用安全性较高、耐腐蚀性强、最大屏蔽效能可达100dB。
导电腻子包括72-00005、72-00014、72-00151、72-00202等牌号。
2.4 机体结构电磁防护设计
在飞机的电磁防护设计过程中，要求对内部隔框、地板、顶棚等进行电磁防护设计。飞机内部电磁防护设计主要用于防止内部辐射源或泄漏源辐射进入工作舱或设备舱，对人员或设备造成辐射危害。对内部辐射场的防护，通常由隔框、地板、机身壁板、顶棚、纵向墙等机身结构组成电磁屏蔽线，将电磁辐射场控制在电磁屏蔽线内。
由于舱内空间有限，设备多，电缆铺设密集，内部辐射场对全机的电磁干扰难以排除，为降低电磁辐射设计难度，应考虑采取以下措施来提高人员或设备电磁辐射安全性设计要求：
1）设计合理的屏蔽线；
2）设置屏蔽舱。若有多个发射机，尽可能将发射机集中布置后设计屏蔽舱，再对屏蔽舱采取电磁防护设计，以降低电磁防护设计难度，降低电磁防护设计成本，减轻电磁防护设计重量；
3）在管接头、接缝、通过孔处，采用屏蔽材料包扎，以封堵辐射能量泄露。
2.5 电磁防护设计存在的技术问题
电磁防护设计在飞机结构中存在以下几方面的技术问题：
1）飞机电磁防护设计是关系到飞机在复杂电磁环境下的安全性和可靠性的设计技术。在电磁防护设计时，应明确飞机使用剖面的外部辐射场，避免过设计或设计不足；
2）国内还没有能适应飞机电磁防护设计的屏蔽材料，目前所使用的屏蔽材料如导电胶、导电腻子、导电布、导电橡胶板、导电布衬垫、铍铜簧片等很难适应飞机结构耐环境、大间隙、变间隙、空中变形等条件下的适应性要求；
3）现有技术条件下，电磁防护设计缺乏全状态试验验证，难以真实反映飞机结构的防护性能。
3 结论
飞机电磁防护设计在国内外还没有相关技术资料和成熟经验可借鉴，要形成完整成熟的技术体系，还需很多问题去解决。由于电磁辐射危害与电磁防护设计工作的复杂性，对这一方面的问题需要更多的工程技术人员去关注和参与，努力尽快提升我国飞机电磁防护设计技术水平，提高飞机在复杂电磁环境下的适应能力和生存能力。
关键词：电磁辐射，存在问题，对策
中图分类号：O441 文献标识码：A
1 城市电磁辐射污染源
随着我国城市化的快速发展，着科学技术的进步,无线电技术已经被广泛应用于国防、工农业生产、交通运输、通讯、信息产业等各个领域并深入到千家万户，它给人类创造了巨大的物质文明，但同时也把人们带进了一个充满人造电磁辐射的环境里。电磁辐射主要分为天然产生和人为产生，过量的天然电磁辐射和人为电磁辐射均会造成电磁辐射污染。一般而言，城市电磁辐射污染主要指人为电磁辐射污染，按照电磁波频率的大小，人为电磁辐射源又可分为工频辐射源和射频辐射源，其中射频辐射源释放的电磁波的频率较高且频谱范围较宽，其电磁辐射的影响范围也较大。各类电磁波发射系统、工频辐射系统、利用电磁能的工业、科学、医疗设备等甚至包括部分家用电器，均是城市电磁辐射的污染源或潜在污染源(见表1) 。
由表1可知，城市电磁辐射污染源(含潜在污染源)的种类多、分布广，存在于人们生活的方方面面，其中广播电视、雷达、卫星通信及移动通信对区域电磁辐射水平贡献较大，各种电子设备、室内线缆布设是居室电磁辐射污染的主要来源。
2 城市目前电磁辐射存在的一些问题分析
2.1 我国相关法规、标准还需要继续完善
1997年我国颁布的《电磁辐射环境保护管理办法》是我国仅有的针对电磁辐射污染防治的立法，属部门规章。随着城市空域电磁辐射环境的日趋复杂，该管理办法已不能完全满足目前辐射环境监管的需要，主要表现为法规的内容相对滞后、效力级别低、难以有效执行。虽然广播、电信、电力等部门在《广播电视设施保护条例》、《中华人民共和国电信条例》、《无线电管理条例》、《城市电力规划规范》等法规和规范中对电磁辐射污染防治作出了相应规定，但《电磁辐射环境保护管理办法》中的部分制度在这些法规中没有得到充分反映，在实际执法过程中常常出现电磁辐射污染纠纷的各方当事人各执一词、各执一法的现象。因此，有必要尽快制定与实施更高级别的电磁辐射污染防治法。
在电磁辐射防护标准方面存在以下问题:第一，上世纪80年代末原国家环境保护总局的《电磁辐射防护规定》(GB8702-88)和卫生部的《环境电磁波卫生标准》(GB9175-88)是我国电磁辐射防护领域的2个基本标准，但它们对环境电磁波容许辐射强度标准的规定存在不一致。管理标准的不一致直接导致在实际执行过程中，有关行政执法部门和监测部门采用的标准不一。而且，这2个标准的法律效力相同，发生冲突时需呈请国务院裁决其适用性。第二，关于高压送变电设施的工频电磁场强度限值尚无国家标准，相关部门推荐暂分别以4kV/m和0.1mT作为居民区工频电场标准和磁感应强度标准，这直接导致输变电设施电磁场评价标准的针对性不强，即对于不同电压等级的输变电工程均适用相同的标准限值。因此为做好电磁辐射环境影响评价工作和管理工作，应统一各标准中的管理限值，并加快设立尚未制定国家标准的电磁辐射设施的辐射水平限值。
2.2 城市空域电磁辐射能量密度不断增大
电磁辐射技术的广泛应用已造成城市空域电磁能明显上升。根据资料调查显示，某地区环境电磁辐射污染1991-2006年进行调查，该地区平均辐射强度增长17.5倍，年均增长率达12.1%。此外，根据有关资料调查显示，某市部分居住社区的电磁辐射监测结果虽符合《环境电磁波卫生标准》的1级标准(小于5V/m)，但100KHz～3GHz频率段的电场强度已接近容许场强值的上限，部分社区的复合功率密度出现个别值超标现象。
2.3 电磁辐射纠纷日益增多
近年来，公众的辐射防护意识逐渐提高，对居住环境的电磁辐射暴露水平也更加重视，电磁辐射污染纠纷随之逐年增多。引发电磁辐射污染纠纷的主要原因有:在社区建设移动通信基站、10kV变电站等电磁辐射设施;在社区附近建设高压输变电设施、电气化轨道交通设施；房地产开发商隐瞒商品房周围电磁辐射污染现状，以及电磁辐射污染致人身伤害等。
2.4 电磁辐射设施环境敏感性日渐增强
城市和广播电视通信技术的发展使电磁辐射设施与公众的距离得以缩短，电磁辐射设施的环境敏感性随之日渐增强，主要表现为：城市扩张使一些广播电视和无线电通信发射台逐渐被新建城区包围，造成局部居民生活区场强较高；城市用电需求的增加及电网改造工程的实施使大量高压输变电设施进入城市市区，而且电压等级不断升高，其产生的工频电磁场可能对公众健康产生不利影响，此外其产生的噪声可能干扰广播和无线电通信；通信技术的发展使居民区被通信基站包围，虽然单个基站的功率较小，但是大量的通信基站会使城市空域电磁场不断增强，另外，高层建筑顶部建有的微波定向天线、卫星天线等，易造成对高层建筑的电磁污染；城市交通的迅猛发展使交通干线的电磁噪声不断加重，在车流量高峰时段的交通路口，电磁噪声值可达44～50dBμV/m。
3 对策与建议
在利用电磁技术推进城市建设、创建便捷生活的同时，应以电磁辐射防护管理办法与防护标准为依据，加强电磁辐射环境管理，优化电磁辐射设施布设，采取有效防护措施，以降低或避免电磁辐射对公众健康和环境安全的不利影响。
3.1 不断完善电磁辐射污染防治法规、标准
现行的《电磁辐射环境保护管理办法》已不能适应当前电磁辐射监管的需要，而且其与广电、通信等领域制定的相关法规无法全面兼容，因而适时制定与电磁辐射污染防治相关的专项法规势在必行。该法规须在综合考虑电磁辐射污染源及其辐射特性的基础上，以风险预防为原则，以保护环境与公众健康为出发点，建立健全城市电磁辐射环境容量控制制度、电磁辐射设施规划制度、辐射设施环境影响评价制度、辐射环境监管与监测制度、辐射环境风险预防制度、辐射危害事件处理与报告制度、公众参与制度等。
此外，为规范电磁辐射设施的辐射水平、提高电磁辐射环境监管能力，并为解决电磁纠纷提供标准数据支持，应加快出台统一的电磁辐射防护国家标准。该标准应根据电磁辐射的危害性，并借鉴国外标准限值，在总结电磁辐射设施的辐射水平及我国城市电磁辐射环境质量现状及发展趋势的基础上，统一《电磁辐射防护规定》与《环境电磁波卫生标准》中关于电磁场强度及功率密度的导出限值。同时，还应出台相关电磁辐射安全管理导则，明确主要辐射设施的建造使用规范、管理要求、环境影响评价范围等内容。
3.2 加强电磁辐射环境管理
为保护环境安全和公众健康，促进各类电磁辐射设施的规范、有序发展，需切实加强对电磁辐射环境的管理。首先要严格执行国家相关法律法规及技术标准规范，落实电磁辐射设施环境影响评价制度、审批制度、“三同时”制度、监测制度、公众参与制度等。其次要明确城市空域电磁波发展规划，并将其纳入城市建设总体规划，合理布局电磁发射设备，防止造成城市空域局部电磁污染。实施区域电磁辐射环境容量控制措施，对可能造成周边辐射环境污染的中短波发射台实施异地搬迁，对微波天线等辐射源周围的建筑物高度予以限制，控制室内微蜂窝基站天线的悬挂高度及影响半径，如高度不宜低于2.3m，影响半径约为1m，室外宏站与周边敏感建筑的水平距离应保持30m等，高压线两侧50m内不宜建设学校、住宅及医院等环境敏感建筑。
3.3 采用电磁辐射控制技术
可以通过采取电磁辐射控制技术来防治电磁辐射污染。第一，通过产品设计、工程设计等方式有效减少电磁辐射，如在输电线路设计中采取提高输电导线对地高度、进行双回路导线逆相布置、高低压导线分层架设等方式，变电站的进出线在穿越居民区和人口密集地段时采用地下电缆布设方式。第二，通过优化设计减少基站数量并降低天线增益，如根据通信基站的发射功率、天线高度和方向图、基站覆盖区的边界场强等条件对通信基站覆盖区进行优化设计，在达到最佳地域覆盖和最佳通话质量的同时，尽量降低天线增益，减少电磁辐射污染。第三，通过屏蔽辐射源降低电磁泄漏，可采取被动屏蔽、主动屏蔽方式对辐射源进行屏蔽，还可采用高频接地方式将屏蔽体内产生的射频电流导入大地，有效避免屏蔽体成为二次辐射源。第四，增加环境保护目标与电磁辐射源间的距离及绿化。研究表明，树木具有吸收电磁能的作用，在电磁波的传播路径上进行植被绿化，可增加电磁波在传播过程中的衰减。第五，采用滤波技术抑制电磁干扰，通过滤波线路将有用信号提取出来，同时阻截干扰信号通过。第六，开发利用防电磁辐射材料。利用防电磁辐射材料对电磁波的吸收或反射等特性，在建筑、交通、包装、服装等领域使用防辐射材料可有效衰减电磁辐射强度，如使用碳素系列和金属系列等增强水泥基复合材料、防电磁波玻璃、吸收电磁波的涂料等用于建造房屋便可有效阻挡室外电磁波进入室内。
3.4 普及电磁辐射知识
城市空域及居室内广泛存在的电磁辐射因其无色、无味、无嗅的特性容易被公众忽略其存在的同时，也极易引起公众的恐慌，进而导致发生电磁辐射纠纷事件。相关部门应积极开展电磁辐射知识宣传工作，增强公众的辐射防护意识，使其了解过量电磁辐射的可能危害，正确理解生活中人为电磁辐射的来源及其实践的正当性、安全性，掌握如何降低居室电磁辐射的方法或防护方法。此外，相关部门在监管工作中要切实落实公众参与制度，并充分发挥其监督作用，与广大公众及电磁辐射设施建造运营单位共创安全的城市电磁辐射环境。
参考文献
关键词：电磁辐射污染 电磁辐射污染机理 电磁辐射污染防范
1831年英国科学家法拉第应用电磁感应的方法,使磁场中的导体在一定条件下产生了感应电流。这是19世纪最伟大的发现之一,随即世界上第一座发电站的建成标志着人类迈进了电磁辐射的应用时代。一百多年前,电磁辐射已经深入到了人类生活的方方面面,当今更是进入了一个电磁辐射的高利用时代。
不过,科学历来都是一把双刃剑,时代的进步常常是要付出一定代价的,这种二律背反的现象已经得到了历史的多次验证。人们在充分享受电磁辐射带来的方便舒适的同时,也日渐感受到了它的负面效应。如各类各类办公自动化设备、移动通讯设备、家用电器迅速进入我们的生活,提高了我们的工作效率,丰富了我们的精神和物质生活。就在我们的生活前所未有的便捷的同时,我们所使用的高科技产品所产生的电磁辐射,又成为继室内空气污染、放射性污染和噪音污染之后的又一室内环境污染。特别是近些年来,国内外媒体上屡屡报道的有关电磁辐射对人体有害,更是让人们感觉到了来自电磁辐射的威胁,以致于很多人一提起它,就有一种莫名的痛恨和恐惧。
1 电磁辐射污染:
所谓电磁辐射污染是指高压电、变电站、电台、电视台、雷达站、电磁波发射塔和电子仪器、医疗设备、自动化设备及微波炉、收音机、电视机、电脑、手机等工作时产生的各种不同波长频率的电磁波。人体如果长期暴露在超过安全的电磁辐射剂量的电磁辐射下,细胞就会被杀伤或杀死。随着信息技术产品的不断丰富,电磁辐射污染已经成为危害人们工作和生活的辐射污染的重要类型之一。另一个方面,信息技术要依靠电磁波,而电磁波极容易扰和破坏,由此会带来一些垃圾信息、有害信息的侵害,这也是电磁辐射污染的一个方面。电磁辐射会造成所谓的“电磁污染”,人们也叫它电子“烟雾”或电子垃圾,即电磁辐射的强度超过人体或环境所能承受的限度所产生的危害现象。它无色、无味、无形、无踪,无任何感觉,可穿透包括人体在内的多种物质,无处不在,被科学家称为“电子垃圾”或“电子辐射污染”,有专家称这是继大气污染,水污染和噪音污染的第四污染。
2 电磁辐射对人体作用机理
人体是导体,可以吸收电磁场的能量。在电磁场的作用下,人体的分子会发生取向排列,在分子排列过程中相互碰撞消耗磁场能而转化为内能,引起热效应。电磁场强度越大,则热效应越明显;电磁振荡频率越高,热效应越明显,即电磁辐射对人体的作用:微波>超短波>短波>中波>长波。而且干扰人体生物电信息的传递。科学实验已表明,电磁辐射污染对人体的危害主要为两个方面——致热作用和非致热作用。
致热作用致热作用是指电磁波穿透生物体表层,直接对肌体内部组织“加热”(如同微波炉加热食品一样),即在高频电磁波作用下,物质的温度会发生改变。高频电磁波的致热作用会对生物体产生影响,从而对人体造成严重的伤害,导致乳腺癌、阳痿、流产、胎儿畸形等疾病。
非致热作用非致热作用主要是指电磁波对人体植物神经系统的危害,造成心悸、脱发、心动过缓、血压降低和妇女月经失调等疾病。有一个典型的实验是这样做的:从鸡雏、猫的体内摘取出大脑皮质,用调制后的特高频、甚高频电磁波对其进行照射,发现有钙离子析出。钙离子是生物体内信息传递、免疫系统工作和细胞繁殖不可缺少的物质,它的浓度变化必然会对生物体产生影响。
3 生活中电磁辐射污染的防范
现代生活,处处离不开与电子设备打交道。能制造电磁辐射污染的污染源无处不在,电脑、打印机、复印机、手提电话、无线电仪器等无不产生对身体不利的电磁辐射波;与日常生活有关的如电视机、音响、洗衣机、电冰箱、空调、微波炉等均能产生各种数量不等的电磁干扰,我们如何防护呢?
生活中怎样才能防止和减少室内电磁辐射污染呢?中国室内装饰协会室内环境监测中心的专家提醒大家注意以下几点:
在购买电子产品是应注意证实该产品是否已经通过了CCC认证(国家对电子电磁兼容性的安全认证);尽量减少对高辐射产品的使用;尽量使用低辐射的产品,如低辐的电视机、微波炉、电脑等;尽量使用坐机拨打电话,少用手机拨打电话。手机接通瞬间释放的电磁辐射最大,最好在铃声响过一两秒或两次铃声之间接听,使用时头部和手机天线的距离尽量远一些。
有人说了,不买家电或是有也束之高阁不再用,污染不就没有或减少了嘛。好倒是好,可是要没了它们,咱们的生活就该倒退回从前的艰苦时代了。恐怕没人愿意放弃好生活而去过苦日子吧,多学几招防范措施才是现实可行之策。例如:
不要把家电摆放得过于集中,以免使自己暴露在超限量辐射的危险之中。特别是一些易产生电磁波的家电,如电视、电脑、冰箱、收音机等,最好不要集中摆放在卧室里。
要避免长时间使用家用电器、手机等,还要尽量避免同时启用多种家电。与家电保持安全距离很有必要。距离越远,受电磁波侵害就越小。
彩电的安全距离是荧光屏宽度的5倍左右,日光灯为2～3米,微波炉开启之后要离开至少1米远,孕妇和小孩应尽量远离微波炉。电器暂停使用时,最好不让它们处于待机状态,因为此时可产生较微弱的电磁场,长时间也会产生辐射积累。
还有一招就是吃东西。多食用胡萝卜、豆芽、西红柿、油菜、海带、卷心菜、瘦肉、动物肝脏等富含维生素A、C和蛋白质的食物,加强机体抵抗电磁辐射的能力。
居住、工作在高压线、雷达站、电视台、电磁波发射塔附近的人,佩带心脏起搏器有条件的应配备阻挡电磁辐射的屏蔽防护服。
电视、电脑等有显示屏的电器设备可安装电磁辐射保护屏,使用者还可配戴防辐射眼镜。显示屏产生的辐射可能导致皮肤干燥,加速皮肤老化甚至导致皮癌,因此在使用后应及时洗脸。
油菜河水库位于贵州省安顺市龙宫风境区上游9km，距安顺市约13km，是安顺市唯一的一座中型水库，是一座集灌溉、发电、防洪、供水、养殖、旅游为一体的多功能综合利用的龙头水库。该水库是在强岩溶地带堵洞筑坝建库。水库正常高水位1290m，总库容5960×104m3，坝高41m，坝型为浆砌石单曲拱坝。发电引水隧洞洞轴线穿行于溶蚀洼地、峰丛洼地、峰林谷地之中，引水隧洞开挖至0+620时，掌子面突发涌泥现象，洞渣封堵施工面至桩号0+730m，在此过程中，施工方共计清理塌方淤泥1450m3以上，清理长度为100m(0+730～0+630桩号之间)。此后，掌子面再次突发涌泥现象，由于担心掌子面再次发生涌泥现象产生较大的人员伤亡，目前处于停工状态。经专家研究决定，初步采用改线方案。本次电磁波CT探测查明岩溶洼地新改线处岩溶发育情况。
2工程地球物理勘探技术应用
2.1基本原理钻孔电磁波CT技术基本原理借助于医学CT技术。医学CT技术是利用X射线扫描人体切面，经计算机处理显示人体病灶的精确图像。依据这一理论，当要研究两钻孔间岩体内构造时，在一钻孔内发射电磁波，而在另一钻孔内接收电磁波进行断面扫描，经地球物理反演计算，就可重建目标体的二维图像。井中电磁波CT层析资料的解释基础是基于不良地质体与其完整围岩吸收系数的差异，而破碎带、溶洞或溶蚀裂隙等都可以形成吸收系数差异较大的非均匀体，产生出局部高吸收系数异常，从形态和大小上易于识别。因此，跨孔电磁波透视在孔间可以较好地探测不良地质体，确定空间位置和形态。
2.2数据处理方法与技术资料处理是在微机上完成的，处理流程为:数据传输到计算机建立成像区域坐标系形成CT输入数据层析反演成像成图。1)CT输入数据的形成。对每对跨孔剖面的原始数据输入到微机，按建立的坐标系形成CT输入数据文件。这次野外采集工作中，以孔口高程最高的孔为坐标原点，X轴沿水平方向为孔间水平距离，建立坐标系形成CT输入数据。2)层析反演。CT输入数据直接送至EM－SYS层析成像软件处理流程中，进行电磁波层析反演，其计算过程如下:由电磁波理论知道，在各向同性均匀岩体中，当在一钻孔中发射电磁波，另一钻孔中接收电磁波时，若发射天线长度远小于两钻孔间距离，则接收到的电磁波场强为:E=E0fS(θS)fr(θS)R－1.exp(－∫Lβdl)(1)式中:E0是发射击天线初始辐射常数;E为相距R处接收到的电场强度;fS(θS)和fr(θS)分别是发射和接收天线的方向函数;θ为天线的辐射角度;L为射线路径;dl为积分元;β为介质的吸收系数。经变换:InA=In［E0fSfr(ER)－1］=∫Lβdl(2)对于式(2)中的投影函数A进行图像重建可求出目标函数β。具体算法即把图像划分成M个互不重叠的像元，以各像元内的重建结果组成数字图像:∑DijXj=Yi式中:Dij为第i条射线在第j个像元中的长度;Yi为第i条射线迭代计算值与实测值之差;Xj为要求的第j个像元中的衰减系数β。上述方程实际上是求解一个大型稀疏矩阵议程组。具体算法有:反投影法(BPT)、代数重建法(ART)、联立迭代重建法(SIRT)和正交变换投影法(LSQR)等等。本次反演方法为联立迭代重建法。3)层析成像成图。最终层析成果采用GoldenSurfer绘图软件，显示每对跨孔声波层析成像图。层析结果采用统一格式成图，在二维断面上，发射孔孔口位于区域左侧坐标原点，以孔口高程取代Z轴0点。水平方向X轴向右表示为跨孔水平距离。将层析反演输出数据输入至成图软件，形成二维区域网格化文件。然后再将网格文件送入成图程序，获得层析成像图。
3工程地质物理勘探技术应用成果
评析经上述数据处理，结合钻探、地质调绘成果得出本次物探解释成果，现将本次物探勘察成果分述如下:
1)ZK1－ZK2剖面:本剖面见4处电磁波高吸率异常，其电磁波吸收系数均大于0.4dB/m，说明电磁波在穿透过程中急剧衰减，结合钻探分析，推断4处0.4～0.6dB/m的异常区域为节理裂隙发育带，带内岩体完整性较差;推断2处大于0.6dB/m的异常区域为溶蚀裂隙发育带，带内岩体破碎，完整性差，局部形成小规模岩溶。由于异常主要集中在孔深25m以上，对隧道施工及安全运行影响较小。吸收系数小于0.3dB/m的区域岩体完整性较好。
2)ZK2－ZK3剖面:本剖面见3处电磁波高吸率异常，其电磁波吸收系数均大于0.4dB/m，说明电磁波在穿透过程中急剧衰减，结合钻探分析，推断2处0.4～0.6dB/m的异常区域为节理裂隙发育带，带内岩体完整性较差;推断2处大于0.6dB/m的异常区域为溶蚀裂隙发育带，带内岩体破碎，完整性差，局部形成小规模岩溶。由于下部两异常在新改线隧道附近，对隧道施工及安全运行有一定影响，因此需采取相应的工程措施处理异常洞段。吸收系数小于0.3dB/m的区域岩体完整性较好。
3)ZK4－ZK3剖面:本剖面见2处电磁波高吸率异常，其电磁波吸收系数均大于0.4dB/m，说明电磁波在穿透过程中急剧衰减，结合钻探分析，推断2处0.4～0.6dB/m的异常区域为节理裂隙发育带，带内岩体完整性较差;推断2处大于0.6dB/m的异常区域为溶蚀裂隙发育带，带内岩体破碎，完整性差，局部形成小规模岩溶。由于下部异常在新改线隧道附近，对隧道施工及安全运行有一定影响，因此需采取相应的工程措施处理异常洞段。吸收系数小于0.3dB/m的区域岩体完整性较好。
4)ZK4－ZK5剖面:本剖面见4处电磁波高吸率异常，其电磁波吸收系数均大于0.4dB/m，说明电磁波在穿透过程中急剧衰减，结合钻探分析，推断4处0.4～0.6dB/m的异常区域为节理裂隙发育带，带内岩体完整性较差;本剖面未见大规模岩溶破碎带发育。由于下部异常在新改线隧道附近，对隧道施工及安全运行有一定影响，因此需采取相应的工程措施处理异常洞段。吸收系数小于0.3dB/m的区域岩体完整性较好。
5)ZK5－ZK6剖面:本剖面见3处电磁波高吸率异常，其电磁波吸收系数均大于0.4dB/m，说明电磁波在穿透过程中急剧衰减，结合钻探分析，推断3处0.4～0.6dB/m的异常区域为节理裂隙发育带，带内岩体完整性较差;本剖面未见大规模岩溶破碎带发育。由于下部异常在新改线隧道附近，对隧道施工及安全运行有一定影响，因此需采取相应的工程措施处理异常洞段。吸收系数小于0.3dB/m的区域岩体完整性较好。
4结语
【关键字】经济 环境 高压输变电 电磁辐射 电磁污染
电磁辐射对于人身和环境的影响越来越受到人们的关注。近年来，随着城市规模的扩大，高压输电线路的敷设越来越多，输电线路与居民区之间的距离也越来越近，人们开始关注城市的电力设施是否会影响市民的身体健康等问题。从而输变电工程电磁辐射减缓措施及提出相应的新技术也已成为重要的研究内容。
1 电磁辐射及电磁辐射污染
变化的电场会激起变化的磁场，而变化的磁场又可以产生变化的电场，电现象与磁现象紧紧地联系在一起。这种交替产生的具有电场与磁场作用的物质空间，称为电磁场。电磁辐射是指以电磁波形式通过空间传播的能量流，且限于非电离辐射。带电体在其周围产生电场，电流通过的导体在其周围产生磁场，随时间变化的电场和磁场会产生相应的磁场和电场，在低频（100kHz）情况下为静电感应或磁感应，在高频（100kHz）情况下，随时间变化的电场和磁场互相耦合，并以一定的速度向前传播从而形成电磁波。电场、磁场和电磁波存在的空间称电磁场，凡是通过空间传播的电磁效应称为电磁辐射。事实上，在低频条件下为静电感应或磁感应，在高频条件下才是真正的电磁辐射。
所谓电磁辐射污染，是指人类使用产生电磁辐射的器具泄露的电磁能量传播到环境中，其量超出本底值，且其性质、频率、强度和持续时间等综合影响对环境及人类活动与健康等造成危害。1972年首次人类环境会议向全人类提出保护我们生存环境的必要性和重要性，并将电磁辐射写进“广泛国际意义污染物的控制与鉴定”一文中“造成公害的主要污染物”一览表中。
2 电磁辐射的危害
研究表明，电磁波的致病效应随着磁场振动频率的增大而增大，频率超过10万赫兹以上，可对人体造成潜在威胁。人们在这种环境下工作和生活过久，由于受电磁波的干扰，人体组织内分子原有的电场会发生变化，给组成脑细胞的各种生物分子以一定程度的破坏，制造出一些非生理性的神经递质。人体如果长期暴露在超过安全的辐射剂量下，人体细胞就会被大面积杀伤或杀死。
电磁辐射对电器设备来说是一种干扰，电磁辐射可以使测量仪器性能变低，使电子开关或继电器工作失常，使无线电接收设备出现噪声，如电视机图像声音变差，收音机信号不好等，干扰党、政、军机关的无线电设备，使病人心脏起博器停止工作等。
3输变电工程电磁辐射减缓措施
减少电磁辐射或泄露的措施很多，如屏蔽、滤波、接地、布线、辐射吸收等技术，都可最大限度地减少污染。电磁场的防治工作可从源强、传播途径和接受体三个环节进行。
3.1源强。对于输电线路，通过控制高压输电线路下的工频电场强度值，可有效地防止静电感应的产生。根据输电线路跨越农田、公路、航道和民房等不同情况，可采取优化输电线路电压等级、增大导线对地距离、采用三角排列、减少相间距离、减小分裂导线根数、采用双回路线路逆相序排列、提高导线光洁度等一系列措施降低输电线路下的空间场强及输电线的静电效应影响。例如：增大导线对地高度，初始时可显著减小场强；减小导线相间水平距离对减少地面附近一些场强较为有利；导线呈三角形排列比水平排列对减少地面附近场强更有利；对同塔双回或多回路线路，穿越城镇居民区时，应尽量采用逆相序排列，以达到有效减小路线下方电场的目的；在高压输电线路下方同杆增设低压线路，并且高、底压线路采用不同的相序设置，不但能降低场强，同时可以大大提高走廊的利用率，节约土地资源，这在人口密集区是一种优化的线路布置方式，是一项有价值的研究课题；高压输电线路下，表面积很大的金属物必须良好地接地，否则会对人产生电击。
对于变电站可采取以下措施减缓电磁辐射：①对于电磁污染较严重的电抗器，可采用干式铁芯电抗器代替，同时在电抗室用非导磁材料加以屏蔽。干式铁芯电抗器不易燃，不漏油，体积小（占地面积仅是相同容量的空心电抗器的30%～50%），便于维护，有铁芯结构，漏磁小，对周围环境的电磁污染小，适合于城市变电站。②各电压等级的配电装置应尽量采用开光柜及封闭式母线等，同时利用金属罩的屏蔽作用降低电磁场强度。应采取措施减少变电站电气设备的放电，如使用设计合理的绝缘子，控制绝缘子表面放电；减少因接触不良而产生的火花放电；避免尖角和凸出物等引起火花放电产生高频电场等。对的电气设备同样应采取有效的屏蔽措施。③变电站建筑物设计中采取适当的屏蔽措施，并保证电气设备房间墙壁的厚度。
3.2 传播途径。可通过屏蔽线或屏蔽网等屏蔽办法减小地面场强。屏蔽工频磁场要比屏蔽工频电场困难。常用金属网和金属板进行静电屏蔽和交变电磁场屏蔽。同时还可利用建筑物及其内部所用材料的电磁场屏蔽作用减小地面场强。
同时，可在高压输电线路经过区域建立线路保护区。线路保护区的设计必须严格按设计标准进行。线路保护区设计标准见表1。
3.3 接受体。可采取远离措施，如建议输电线路、变电站250～300m规定范围内不建住宅和人群密集的活动场所，在个人保护上为减少电磁场对人体的影响，居民应该尽量远离电池场污染源区，在高强场区域内活动的维护人员可穿抗电辐射服装等。
[关键词] 电磁屏蔽材料；分类；发展前景；应用
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 05. 041
[中图分类号] F273.1 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）05- 0067- 01
1 屏蔽材料分类
屏蔽是利用屏蔽体阻止或衰减电磁骚扰能量的传输，是抑制电磁干扰的重要手段之一。屏蔽有两个目的：限制内部辐射的电磁能量泄漏；防止外来的辐射干扰进入。根据屏蔽的工作原理可将屏蔽分为以下三大类。
1.1 电场屏蔽
电场屏蔽主要是为了防止电子原件或设备间的电容耦合，它采用金属屏蔽层包封电子器件或设备，其屏蔽体采用良导体制作并有良好的接地，这样就把电场止于导体表面，并通过地线中和导体表面上的感应电荷，从而防止由静电耦合产生的相互干扰。
1.2 磁场屏蔽
磁场屏蔽是抑制噪声源和敏感设备之间由于磁场耦合所产生的干扰。磁场屏蔽是把磁力线封闭在屏蔽体内，从而阻挡内部磁场向外扩散或外界磁场干扰进入，为屏蔽体内外的磁场提供低磁阻的通路来分流磁场。
1.3 电磁屏蔽
电磁屏蔽主要用于防止在高频下的电磁感应，利用电磁波在导体表面上的反射和在导体中传播的急剧衰减来隔离变电磁场的相互耦合，从而防止高频率电磁场的干扰。
2 电磁材料的具体运用
2.1 电磁材料在发射箱上的应用
用金属材料做成的发射箱，其电磁屏蔽效果很好。这是因为当高频电磁波射向导体表面后，会在导体中感应出一个高频交流电流，此电流会形成一个新的电磁波，新形成的电磁波在导体内部与入射的电磁波相位相反，同时导体内电流的产生导致能量的消耗，结果导体内总的电磁场随着深度呈现指数衰减趋势，可用穿透深度表示电磁波的影响程度，穿透深度与入射波的频率、材料的导电率和磁导率有关系。频率越高、导电率越大、磁导率越大，穿透率越小，金属的导电率都很高，因此有良好的电磁屏蔽效果，但由于金属材料做成的发射箱成本高，重量也大，因此相当一部分发射箱采用了非金属材料。
2.2 在火箭弹包装中的应用
火箭弹的储存要求是将其单独存放，当存放在地面库时应置于边远库房，弹头朝向空旷地。理论上讲，这种储存要求可以将火箭弹意外发火的可能性及危害程度降至较低点。单纯地以改善储存条件来减少火箭弹的意外发火是被动的方法。必须从火箭弹的包装入手，切断外界电磁危害对火箭弹的影响，彻底解决火箭弹的意外发火问题。
近年来生产的火箭弹包装分为外包装和内包装两部分。外包装是采用角钢焊接成框架的铁笼式包装，其主要作用是便于该弹种的装卸搬运以及堆码方便。但是，由于外包装采用的是框架形式，内包装还是在外而直接与外界接触，因此外包装起不到防止火箭弹意外发火的作用。
3 研究展望
将有机组分和无机组分在纳米尺寸上相结合，设计和制备出具有各种独特性质的杂化材料，一直是材料化学研究和努力的方向。溶胶-凝胶合成技术，为实现材料的制备提供了可靠的实验手段。无疑，光化学杂化材料展现出广阔的应用前景。
从电磁屏蔽材料的发展来看，未来电磁屏蔽材料的发展趋势主要有：①屏蔽材料内部结构优化、成型工艺改进，可以提高材料的综合电磁屏蔽材料；②材料的非晶化和纳米化，通过这两种手段，可以对材料内部组织进行优化，甚至使材料内部晶粒细化到纳米级别，从而可能产生质的飞跃，大大提高材料包括电磁屏蔽性能在内的综合性能；③用工艺及结构的复合化改良材料的电磁屏蔽材料，例如将有机组分和无机组分在纳米尺寸上相组合，制得各种性质独特的杂化材料等。
电磁屏蔽材料在电子工业高速发展的时代是一种防止电子污染所必需的防护材料，是目前新技术发展领域中的新型化工材料。其电磁屏蔽性能及材料的物理机械性能将随着我国电子工业的飞速发展而日益改善和提高。
摘要： 指出移动网络的数据流量无法一直依靠增加基地台的数组天线个数提升，认为电磁波在复杂的立体空间传播所产生各种穿透与反射的波传递现象深深影响了数据流量。提出了可能的有效物理方法或路径，用以克服高速移动、多媒体宽频带通信的诸多困难。
关键词： 电磁理论；高速移动；多媒体；宽频带通信；远场；近场
Abstract： In this paper， we point out that the data flow of mobile communication cannot always rely on the increasing of antenna elements of base station. Electromagnetic propagation in the complex environment mainly affects the quality of wireless data transmission. We propose effective physical methods for overcoming many difficulties with high speed mobile， multimedia broadband communication.
Key words： electromagnetic theory； high-speed mobile； multimedia； broadband communication； far field； near field
1电磁场与移动无线通信
伴随3G的普及和4G无线移动通信的来临，基站数目随之增加，以满足高速而大量的数据传输量。1990年的第2代移动通信数据传输率小于200 kbit/s，到2000年的第3代移动通信数据传输率小于2 Mbit/s，再到2010年的第4代移动通信，数据传输率可达到100 Mbit/s。这个趋势可由香农信道容量理论来描述[1]：
[C=iMBilog21+PSPN] （1）
在（1）中， Bi是信道带宽，PS是信号强度，PN是干扰强度。从调变技术的演进过程可看出，为了更有效地提高传输数据量，科学家已把调变方法从时间域转到频率域，再转到码域中。唯一可以继续开拓的只有空间域了，可见将来5G的技术关键将是空间信道技术。通过增加每个基站的天线数或增加通道数Bi，或增加信号功率对杂波功率比，都可以增加信号通载量。而使用多输入多输出（MIMO）来增加无线基站的传送数据能力，已是相当普遍的做法了。基站或基站天线数的增加，也已无法让无线信道容量呈线性增加，甚至当天线增加到移动数量后信号容量也无法再提升。从上述观察我们可看出现今的通信技术无论在硬件或软件似乎达到某一极限。这对4G移动通信的改进以及未来5G移动通信的设计都蒙上一层阴影。是不是现今无线移动通信理论面临无法突破的障碍？频宽不足是真实的主因吗？文章将从电磁理论与技术角度，探讨电磁波传导现象，并结合香农信道容量理论的实际使用状况进行讨论。
2 近场、远场的电磁现象
及其影响
在香农信道容量理论中PS及PN是代表两个标量（正实数），其前提条件是天线的辐射场是远场。目前移动通信信道分析中普遍采用如下的一些假设：
・不考虑发射天线和接收天线的几何尺寸。
・不考虑接收发射天线间的几何走向，也就是假设接发收天线相互水平放置或垂直放置都不会对信道产生任何的影响。
・不考虑接发收天线几何大小的不同。
・电磁波在空间的传播是标量，可利用射线跟踪法来估算多径。
・天线辐射的电磁波是在自由无界的空间。
这时PS及PN所代表的物理量必须是远场才有可能实现。如果是近场的情况，PS及PN是复数，此时香农信道容量理论无法代入复数量。
从电磁场理论可以知道，自由平面电磁波是一个矢量波，并且波的特征和天线的放置有关，但实际的天线都是假设在离地面一定高度的地方，而地面均被假设是一个良好的无限大导体。这时候除去射线跟踪法中描述的LoS路径外，还存在着许多其他的波传输路径，最主要的是地面发射波和表面波。同样，当天线辐射的电磁波照射到立体的建筑物表面时，也会产生反射波和表面波。无论是基站的设置或是室内Wi-Fi 接入点的架设，人们往往没有考虑到上述的这些情形。
3 近场、远场表面波
天线种类非常多，除了熟知的方向性天线如号角天线，电流流动双极式天线、单极式天线或磁流流动的回路天线，另外还有贴片天线等[2-4]。这些不同的天线置于实际的无线通信环境中，其辐射场型（远场）往往产生大幅变化。因为，有所谓的镜像电流伴随边界条件而产生[5-8]。由于是矢量的电磁场，天线的辐射源和它的镜像所产生的综合场型会产生建设性或破坏性电磁辐射场，这使得远场场型更加不易掌握。因此，天线的摆设，譬如极化方向、天线和周边环境的物理距离，譬如天线Aperture，都会对远场辐射产生很大影响[9-10]。有两个值得注意的问题：（1） 多远才是远场？一般可用d > 2D 2/λ0来评估距离天线多远才是远场。其中，d代表物体距天线的距离，D代表天线的有效辐射面积，λ0代表天线操作频率对应的波长。假设一个1.0 GHz双极化天线悬挂在20 m空中，其远场大约是2.67 km之外。我们可以推测，大部分时候，我们是在天线的近场范围内工作。同时，天线也会激发出地面的表面波。表面波的存在，使电磁传播在地表更复杂。虽然表面波的研究已有数十年了，但是它的存在对电磁无线通道的影响，迄今尚未有完整的研究。天线所发出的电磁波，入射到地表时，除了反射和折射外，地表的表面波也会和入射波一起作用。（2） 是否能对表面波多加利用？我们不仅可以增加通道，还可以改进无线移动通信品质。众所周知，光是电磁波。太阳离我们很远，可以假设成远场合电源。即使如此，当阳光照射到水面时（水面这时候可以假设成理想导体表面），水中不仅仅是一个太阳的镜像。我们常常看到一条太阳的带子在水面上。如果把我们的眼睛当作接收天线（点源），我们除了接收到了太阳直射光线和镜像光线（射线跟踪法可以描述）外，还收到了水面表面波。
4 近场的波阻抗
天线在远场时，有明确的辐射场型；而在近场时，它的辐射场型随观察点到天线的距离变化而变化[11-14]。因此，近场辐射场型是不确定的。利用精准全波电磁场论我们可计算在近场时，电磁波的传播方向由电场（Et）及磁场（Ht）决定， 所呈现的波阻抗特性。波的阻抗（Z0）由电场（Et）除以磁场（Ht）计算得出。由于电场与磁场均为向量，包含大小与相位。因此，波的阻抗为复数值，不仅随距离变化，也随天线极化方向（或天线之摆设）、天线的性质、天线所处环境等等而有所不同，其特性类似于一般微小化天线的输入阻抗特性。由此，如需要设置近场的天线，可借精密电磁估算出复数的波阻抗。由此，我们得以将天线电路系统优化。譬如采用共轭复数阻抗匹配来达到功率匹配目的，这和一般将天线输入端视为某一正实数之阻抗匹配设计是截然不同的，也解释了为什么实际使用香农信道容量理论一直无法达到它应有的理论的上限值。
5 阵列天线的模型
无线通信理论工作者及工程师，往往视天线阵列（两支天线或更多）中的天线为标量辐射源，根据此假设推导出MIMO使用状况的空间通道模型，而忽略了实际上电磁场的是运作在矢量场的状况。虽然大量的文献报导了天线（辐射源）与天线（辐射源）之间的藕合对通道的影响，但是却忽略了它们是电磁信号源。无论何种形式，都是矢量信号源，必须考虑天线的极化现象，加上天线尺寸的大小和形状[2]皆改变了电磁辐射场型。因此，只有准确地计算Maxwell方程式所描述的物理状况才能让阵列天线信号处理变得有意义。阵列天线的近场模型，不仅具有单一天线时的复数波阻抗，同时其藕合天线阵列自身也产生所谓多模的状态。而任意被激发出的阵列天线信号，即是这种多模天线状态的线性组合[15]。电磁场是一个矢量场的基本物理事实，一方面让标量场假设所导出的信号处理方式变得过度简化，另一方面也腾出一个大幅改进现今信号处理天线阵列的巨大空间，得以改善4G无线移动通信，或进一步研发更有效率的无线移动通信的空间使用，但这都可源自精确掌握实际电磁场的电路效应。
6 结束语
文章简述了电磁波在无线电环境中如何扮演重要角色但又被忽略的情形。此现象若不予以适当改进， 则无法对信号处理进行最佳化设计。这是因为大幅度违背物理现象， 则不可能有最佳设计，因此无法让无线电通道传播更大量且更高速的数据。另一方面，用精确电磁计算得到的天线辐射模型，无论是近场或远场，都提供了最佳化微波通信系统电路的解决方向，从而可大幅提升信号与杂波的比值（S/N）。因此，无线电通道和天线系统间电磁物理现象的掌握，对4G、5G等高速移动无线通信，会有重要的贡献。
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【关键词】电磁辐射； 危害； 防范
1 电磁污染源分析
什么是电磁污染？来自中国消费者协会的信息称，电场和磁场的交互变化产生电磁波，电磁波向空中发射或汇汛的现象，叫电磁辐射。
影响人类生活环境的电磁污染源可分天然的和人为的两大类。
1.1 天然电磁污染源
天然的电磁污染是某些自然现象引起的。最常见的是雷电，除了可能对电气设备、飞机、建筑物等直接造成危害外，而且会在广大地区从几千赫到几百兆赫以上的极宽频率范围内产生严重电磁干扰。火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等都会产生电磁干扰。天然的电磁污染对短波通信的干扰特别严重。
1.2 人为电磁污染源
人为的电磁污染主要有：（1）广播电视发射设备：主要部门为各地广播电视局：辐射特征为大功率定时全向发射；转输信号送至天线辐射出去。（2）通信雷达及导航发射设备：通信包括短波发射台、微波通信站、地面卫星通信站、移动通信基站、专业通信网站、寻呼通信基站。通信、雷达及导航多为定向不定时发射，传输信号同样通过天线辐射出去。（3）工业、科研、医疗高频设备：该类设备把电能转换为热能或其它能量加以利用，某些设备例如切断大电流电路时产生的火花放电，其瞬时电流变率很大，会产生很强的电磁干扰。它在本质上与雷电相同，只是影响区域较小。（4）电力系统电磁辐射：高压输电线包括架空输电线和地下电缆；变电站包括发电厂（升压站）和变压器电站降压站，它并不以电磁波形式向外辐射，但在近场区会产生严重电磁干扰。（5）交通系统电磁辐射干扰：电气化铁路、轻轨及电气化铁道、有轨电车、无轨电车等。（6）各种家用电器、电子设备、办公自动化设备、移动通讯设备等电器装置。只要它们处于操作使用状态，它的周围就会存在电磁辐射。
2 电磁幅射的危害
2.1 电磁幅射传播途径
电磁幅射是如何对人体产生影响的呢？电磁波由具有一定发射功率的电磁源产生，并通过空气传播，无色无味无形，进入人们的生活空间，可以穿透包括人体在内的多种物质，对人体健康构成一定威胁。
2.2 电磁辐射对人体健康产生的影响
据专家介绍，长期处于高电磁辐射环境下，可能会对人体健康产生以下影响：①对心血管系统的影响，表现为心悸，失眠，部分女性经期紊乱，心动过缓，心搏血量减少，窦性心率不齐，白细胞减少，免疫功能下降等。②对视觉系统的影响，表现为视力下降，引起白内障等。③对生殖系统的影响，表现为降低，男子质量降低，使孕妇发生自然流产和胎儿畸形等。④长期处于高电磁辐射的环境中，会使血液、淋巴液和细胞原生质发生改变；影响人体的循环系统、免疫、生殖和代谢功能，严重的还会诱发癌症，并会加速人体的癌细胞增殖。⑤装有心脏起搏器的病人处于高电磁辐射的环境中，会影响心脏起搏器的正常使用。
3 电磁幅射的防范
3.1 电磁辐射的一般防范
针对我们身边接触到的电磁辐射可能给消费者带来的人身健康威胁，中国消费者协会郑重发出2001年第9号消费警示，提醒广大消费者：①多了解有关电磁辐射的常识，学会防范措施，加强安全防范。如：对配有应用手册的电器，应严格按指示规范操作，保持安全操作距离等。②不要把家用电器摆放得过于集中，或经常一起使用，以免使自己暴露在超剂量辐射的危险之中。特别是电视、电脑、冰箱等电器更不宜集中摆放在卧室里。③各种家用电器、办公设备、移动电话等都应尽量避免长时间操作。如电视、电脑等电器需要较长时间使用时，应注意至少每一小时离开一次，采用眺望远方或闭上眼睛的方式，以减少眼睛的疲劳程度和所受辐射影响。④当电器暂停使用时，最好不要让它们处于待机状态，因为此时可产生较微弱的电磁场，长时间也会产生辐射积累。⑤对各种电器的使用，应保持一定的安全距离。如眼睛离电视荧光屏的距离，一般为荧光屏宽度的5倍左右；微波炉在开启之后要离开至少一米远，孕妇和小孩应尽量远离微波炉；手机在使用时，应尽量使头部与手机天线的距离远一些，最好使用分离耳机和话筒接听电话。
3.2 电磁辐射的特殊防范
人们如果长期涉身于超剂量电磁辐射环境中，应注意采取以下自我保护措施：（1）居住、工作在高压线、变电站、电台、电视台、雷达站、电磁波发射塔附近的人员，佩戴心脏起搏器的患者，经常使用电子仪器、医疗设备、办公自动化设备的人员，以及生活在现代电器自动化环境中的人群，特别是抵抗力较弱的孕妇、儿童、老人及病患者，有条件的应配备针对电磁辐射的屏蔽防护服，将电磁辐射最大限度地阻挡在身体之外。（2）电视、电脑等有显示屏的电器设备可安装电磁辐射保护屏，使用者还可配戴防辐射眼镜，以防止屏幕辐射出的电磁波直接作用于人体。（3）手机接通瞬间释放的电磁辐射最大，为此最好在手机响过一两秒后或电话两次铃声间歇中接听电话。（4）电视、电脑等电器的屏幕产生的辐射会导致人体皮肤干燥缺水，加速皮肤老化，严重的甚至会导致皮肤癌，所以，在使用完上述电器后应及时洗脸。（5）多食用一些胡萝卜、豆芽、西红柿、油菜、海带、卷心菜、瘦肉、动物肝脏等富含维生素A、C和蛋白质的食物，以利于调节人体电磁场紊乱状态，加强肌体抵抗电磁辐射的能力。
无线通信 涡旋电磁波 轨道角动量 涡旋性
A Survey on the Application of Vortices Wave in Wireless Communication
HUANG Jia-bin1， WAN Pin1， WANG Yong-hua1，2， HUANG Wei1， JIANG Wei-yong1
（1. School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China；
2. Shenzhen Key Laboratory of High Performance Data Mining， Shenzhen 518055， China）
As a new technology， vortices wave can greatly broaden the bandwidth of wireless communication， effectively solving the problem of lacking wireless spectrum resources， in the meantime， having a revolutionary impact on the wireless communication. In this paper， the latest research progress of vortices wave used in wireless communication is introduced， including the concept of vortices wave， the effect of orbital angular momentum in the vortices wave communication， the experimental verification of electromagnetic vortices， as well as the sending and receiving problems of electromagnetic vortices wave. Finally， some problems that remain in the application of electromagnetic vortices wave in wireless communication are pointed out， as well as the next research emphasis is proposed.
wireless communication vortices wave orbital angular momentum vorticity
1 引言
随着无线通信技术的高速发展，无线通信系统所分配的频谱变得异常拥挤，频谱资源贫乏的问题日益严重，已成为无线移动通信与服务应用持续发展的瓶颈。为缓解频谱资源与日益增长的无线业务需求之间的矛盾，认知无线电技术应运而生。但瑞典空间物理研究所Bo Thide教授等人另辟蹊径，通过实验将一束电磁波扭曲成一束涡旋电磁波，并提出了利用涡旋电磁波用于增大无线通信容量的设想。
2011年6月24日，Bo Thide教授研究团队在意大利威尼斯的泻湖展开了一个引人注目的实验，证明利用电磁波的轨道角动量即通过扭曲电磁波，可大幅提升无线通信的容量。在通常情况下，同一频率只能传输一路信息。而在此，他们通过对电磁波的不同轨道角动量进行编码，即使在现实环境中，也可实现同一频率（实际上是一个频带）传输多路信息，这就有可能大幅度提升现有的无线通信容量（带宽）。理论上，即使在不使用偏振或密集编码技术的情况下，这项新的无线通信技术也可在某一固定频带范围内实现无限多的信道传输，这对解决日益突出的无线通信频谱拥挤问题提供了一个全新的解决思路。
2 轨道角动量和涡旋电磁波
根据麦克斯韦的经典电磁理论，电磁场能同时运载能量和动量，其中动量又包括线性动量和角动量。线性动量与平动、力作用相关；角动量与转动、扭矩作用相关。对于角动量来说，电磁场的总角动量J可分解成两个部分，首先是轨道角动量L，它与空间分布有关；另一个是光子内在的固有的自旋角动量S，它与偏振有关，二者满足J=L+S。一般意义上，一个沿着直线运动的小球没有角动量，一个绕着Z轴旋转的小球有角动量。因此，一个平面波中的光子是没有轨道角动量的；而一个具有螺旋波前波中的光子是具有轨道角动量的。
轨道角动量的本征态具有相位因子为，轨道角动量的本征态可以表征为一个量化的拓扑荷，其中为任意整数（），表示绕光束闭合环路一周线积分为2π整数倍的个数。然而在大多数情况下，轨道角动量并不是一个整数值R。
非整数型轨道角动量分解成正交傅里叶级数表达式：
Z （1）
公式（1）表明：涡旋的拓扑荷通常有整型值，光束中的每个光子可以携带轨道角动量中任何整型值。
决定涡旋场的相位分布的是相位因子。涡旋光束具有柱对称的传播性质，这种光束中心光强为零，并且在传播过程中也保持着此性质。涡旋光束的相位波前成螺旋状，且其绕着涡旋中心旋转。受到相位因子的影响，涡旋光束的相位波前绕涡旋中心旋转一周，相位改变2π，并且相位波前在沿传播方向上形成螺旋状，它们都有螺旋状的非平面波前结构，如图1所示：
在图1中，（a）（b）（c）（d）（e）分别表示拓扑荷为=+2，=+1，=0，=-1，=-2的五束光束的波前分布。
Bo Thide教授等人从光学涡旋中得到启发，借鉴了光学涡旋产生的方法，提出了涡旋电磁波这个概念。
最简单的电磁波有一个波前，波峰和波谷可以连接在一个虚平面上，与波的传播方向垂直。但是如果波束被扭曲了，波前会以螺旋状态旋转于波的传播方向，产生一个涡旋，而且波前中心的场强为零。物理学家把这种扭曲的波束称作涡旋电磁波，它是具有连续螺旋状相位的电磁波。
3 电磁波涡旋性的实验验证
涡旋是在电磁辐射中普遍存在的一种现象。当电磁波中存在着类似于晶体的“螺旋式缺陷”时，波前会绕其传播方向以螺旋方式产生旋转，形成螺旋形的波前，非常类似于流体中的涡旋现象。早在19世纪30年代，George Biddell Airy就观测到在透镜焦平面处有反常的光环存在。1952年，Braunbek和Laukien在一束平面波和其经半反射屏反射光束的干涉场中发现了涡旋。1989年，Coullet等开始对激光腔中的非线性光学涡旋产生了兴趣，并首次引入“光学涡旋”（Optical Vortices）这一术语。1992年，Allen等人证明在近轴传播的条件下，具有相位因子的光束（即光学涡旋）具有的轨道角动量。1995年，He最早观察到光学涡旋轨道角动量对粒子的传递，实现利用光涡旋操纵微小粒子。2004年，Fischer对部分相干光（谢尔光束）聚焦场的相关特性作了分析，发现在焦面也存在有相干涡旋。
2011年5月，瑞典空间物理研究所Bo Thide教授和其意大利同事小组在实验室环境中开展实验，证明涡旋电磁波的存在。他们利用一种通常用于长距离通信的无线路由器天线发射电磁波，通过一个离天线数米远的八级螺旋阶梯状结构的反射器（见图2）来反映电磁波的情况，要求反射器的轴线与电磁波束平行。他们的中心思想是当电磁波入射到反射器后，波前的不同区域会反射到不同的阶梯上，从而引起相邻部分的反射有一个相对延迟，进而导致波前扭曲，并且会在反射器上显现形状。
图2 八级螺旋阶梯状结构的反射器
图2中八级螺旋阶梯状结构的反射器由聚苯乙烯泡沫塑料块制作而成，修剪成有八级阶梯状的结构。除了-45°方向（此处的相位阶跃为+2π），反射器的每一个阶梯引入一个（-π/8）的依次局部间断的相位阶跃。
如果说反射器上有N个离散的阶梯并出现了一个表面距离ησ，那么波长为λ的电磁波的轨道角动量可以表示为：
（2）
其中，ησ=-6.22cm，λ=12.49cm（f=2.40GHz），取N=8。通过公式（2）可以计算出一个非整型的轨道角动量值为：α≈-1.12。
4 涡旋电磁波的发送与接收
为了让他们的科研成果更具有说服力，Bo Thide教授研究团队在意大利威尼斯的泻湖向公众演示他们的实验结果。实验证明，在现实环境中可以实现两列不相干的电磁波以相同的频率传播，但以不同的轨道角动量编码，同时在两个独立的无线电信道中传输。
实验略图和原理图如图3、图4所示：
图3从左到右依次是：发射天线、涡旋电磁波、接收天线A和B、电磁波的奇点。实验中接收天线之所以这样放置，是为了便于电磁波的奇点位于接收天线AB的基线中间位置。
实验所用的发射装置包括16.5dBi增益的商业Yagi–Uda天线和直径d为80cm、26dBi增益的螺旋状的抛物面天线。它们产生并发送了两束正交的电磁波，其拓扑荷分别为=0，=1。拓扑荷=0的电磁波由Yagi–Uda天线产生，而拓扑荷=1的电磁波则由螺旋状的抛物面天线发出。
接收装置包括两个商业音频/视频可协调接收器。两个接收器直接与两个相同的16.5dBi增益的Yagi–Uda天线A、B相连，且两天线调谐到2.4GHz，两者之间的间距控制在4.5m。其中所有天线都具有水平偏振。天线A、B通过加法器模块与180°相移电缆相连是为了构造成相位干涉仪。
由于有Wi-Fi等其他资源的存在，在接收端利用这样的接收天线就是为了最大可能减少现实环境中的电磁干扰。利用发出的两束电磁波的波前相位特性的不同，天线A可自由选择其中的某束电磁波，而天线B只能在正交的水平方向移动。其水平和竖直方向线性动量的波瓣辐射图如图5所示。
干涉仪测量天线A、B之间的相位差，表征了电磁波的空间相位特性，实际上就是涡旋电磁波场的“指纹”。为了区分电磁场的两种不同的空间模式，天线A、B和电磁波奇点应该在同一直线上，其中奇点位于天线A、B的中点位置。如果这样，拓扑荷=1的电磁波会两天线之间产生180°的相位差，随后补偿延迟，将会产生一个最大场强。然而，拓扑荷=0的电磁波在相同的装置实验下，则有0°的相位差，产生一个最小场强。
5 结束语
本文综述了涡旋电磁波的产生、发送、接收机理，及其在无线通信中的应用。虽然Bo Thide教授和其意大利同事小组开展实验证明了通过扭曲电磁波即产生涡旋电磁波用于无线电通信可以大幅度提高通信容量，能给无线电通信带来革命性的影响。但是涡旋电磁波在无线电通信中的应用研究中还存在一些问题：
（1）大气湍流（引起信号的振幅和相位扰动）很可能限制电磁波束的扭曲程度，从而限制可用信道的数目；
（2）脱离实验室的实验设备，普通的通讯设备如何产生涡旋电磁波、如何做到设备的集成化；
（3）诸如手机、平板电脑之类的移动设备如何发射涡旋电磁波，因为每个通信信道都需要独立的螺旋发射器。
针对上述问题，Tamburini教授已经设计并模拟证明了一个并不要求每个信道都要有各自的螺旋反射器的方案，目前正在建立原型系统并申请专利保护。但是今后的研究重点还应放在以下三个方面：
（1）涡旋电磁波轨道角动量的产生、精确控制和测量是很有挑战和实验价值的工作；
（2）在涡旋电磁波上的编码原理有待进一步研究；
（3）如何向一个正在移动的装置发送和接收涡旋电磁波上依旧是一个需要攻克的难题。
作为一项新技术，涡旋电磁波在无线电通信中的应用还面临许多问题，但随着研究的不断深入，相信这项新技术会让无线移动通信实现新的突破。
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关键词 电磁场与电磁波 电磁学 区别 教学衔接
中图分类号：G648.2 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2016）15-0004-02
一、引言
“大学物理”是我国高等院校理工科类非物理专业的必修基础课，其主要目的是为后续的专业课学习打下基础。“电磁场与电磁波” 是高等院校电子类和通信类专业的重要专业基础课程，主要学习电磁场与电磁波的基本属性、运动规律及相应工程应用等内容，但前期基础就是“大学物理.电磁学”（后简称“电磁学”）的核心内容，但在知识内容的深度、广度及实用性方面都有加深和拓展，同时也存在内容重叠的部分。为了避免“电磁场与电磁波”在教学过程中与“电磁学”中知识内容的重复，让学生更好地学好“电磁场与电磁波”课程的核心内容，应分析 “电磁学”与“电磁场与电磁波”的区别，并规划好二者的教学衔接问题，提高教学效率，保证教学质量。
二、教学衔接问题
“电磁场与电磁波”与“电磁学”这两门课程从内容上来看都会涉及到电磁运动基本理论和电磁波相关理论，从研究的对象来看，本质区别不大。但是由于它们在教学目标上的区别，导致教学内容上也存在很大的差异，因此我们应在教学方法、教学重点和教学思路上区别对待，并做好教学衔接，提高教学效率，改善教学效果。
1.教学目标的衔接。“电磁学”课程一般在大学一年级开设，其作为一门通识性基础课程，主要对电场、磁场、电磁波的基本概念、基本规律和基本方法进行学习和理解，为学生以后专业课程的学习打下坚实的基础。“电磁场与电磁波”是工科类高校电子工程、信息工程、通信工程等专业学生的必修课程，是信息技术的理论基础，是电子信息大类专业学生的基础知识部分。在课程定位上，其作为专业基础课，将为后续“微波技术”“射频通信电路”“电信传输理论”等专业课的学习奠定基础。因此，相对于“电磁学”这门公共基础课而言，其教学目标不同。通过该课程的学习，让学生建立电磁场的概念，认识电磁场的物质性，掌握电磁场运动的基本规律，理解麦克斯韦方程的表达形式及其物理意义，并让学生掌握一些典型电磁场问题的数学建模与求解，使学生能够用“场”的观点去思考、分析和计算一些简单的电磁场基本问题。这将对学生的数学功底、逻辑推理、理性思维能力有一定的拓展。可以说，两门课程在教学目标上是一个由低到高的层次递进关系。
2.教学内容的衔接。从教学内容上看，“电磁学”课程介绍了静电场的基本性质、稳恒磁场的基本规律、电磁感应的基本规律，并简单地引出麦克斯韦方程组，至于时变电磁场、平面电磁波、传输线、波导、天线等问题均未涉及。故它只是从“静态”的观点对电磁场的基本问题进行讲解，使学生从整体上对电磁场有一个初步认识。而“电磁场与电磁波”作为电子信息大类专业不可或缺的专业基础课，内容丰富的同时，难度也有所增加。它包括“电磁场”与“电磁波”两大部分的核心内容。“电磁场”部分是在“电磁学”课程的基础上，运用矢量分析描述静电场、恒定电流场和静磁场的基本物理概念，在总结基本实验定律的基础上给出时变电磁场的基本规律，引出边界条件，学习静电场问题的求解方法，如镜像法、分离变量法等。“电磁波”部分主要介绍电磁波在真空和介质中的传播规律以及天线的基本理论。具体内容包括平面电磁波、传输线理论、导行电磁波以及电磁波辐射等部分。即这部分内容主要从“动态”角度描述和分析电磁波。可见，在教学内容上，“电磁场与电磁波”课程相对于“电磁学”课程不是简单的重复，而是知识体系的递进关系。
3.教学方法的衔接。“电磁学”课程的知识相对简单，很多概念和规律都是在实验基础上，通过学生的感性认识后抽象出物理模型而建立起来的。而“电磁场与电磁波”课程却侧重于利用矢量分析和场论等数学工具，对物理模型所满足的物理规律进行严格的理论推导，得出合理的结论，形成完整的理论知识体系。因此，在教学中我们应该有意识地引导学生从“形象思维”向“抽象思维”转变与过渡，引导他们通过理性的思考、严密的分析、逻辑的推理来学习和理解电磁波传播的内在规律。在理论学习的同时，辅助以一些仿真（HFSS、CST、MATLAB等）和演示验证性实验，加强对电磁波现象和规律的理解。这样才能在教学方法上对两门课程进行良好的衔接，改善教学效果。
三、结语
本文从教学目标、教学内容、教学方法上分析“电磁场与电磁波”与“电磁学”两门课程的区别，找出它们之间的切入点，在教学过程中对两门课程进行良好的衔接、承前启后，使学生在知识上自然过渡，树立学习的信心，提高“电磁场与电磁波”课程的教学效率， 保证课程的教学质量，具有一定的参考价值。
参考文献：
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关键词：仿真软件；优化；可视化
中图分类号：TP391.7 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）04-0792-03
电磁场与电磁波课程是电子信息科学专业学生必修的一门重要的专业基础课程，该课程理论性强，相关定理模型抽象。由于电磁场、电磁波看不见、摸不着，传统教学基本依据公式推导出其传播特性、存在状态等特性，抽象的定律、严密的数学推证令学生望而生畏。整个教学过程既难教又难学，而近几年该课程在教学内容不变的情况下课时却不断被压缩。因此，如何在教学过程中把握重点、弱化数学比例、优化课程结构成为课程改革重点。
结合长期积累的教学经验，修改教学文件，将仿真软件引入电磁场与电磁波的教学中，把课程中抽象概念定理以三维模型的形式直观的展示给学生；利用软件模拟各种电磁波分布形式、波导结构和自由空间电磁波的特性等，并能动态模拟电磁波的传播和辐射特性；利用软件简化数学计算，减少公式推导过程；还可以设计电磁仿真实验，把理论教学和仿真实验教学有效结合起来，加深学生对理论知识的理解，收到了较好的教学效果。
1 仿真软件在教学中应用
1）基本概念、定理定律的仿真演示。本课程涉及较多的定理，库仑定律、安培力定律、高斯通量定理、安培环路定律等定理是研究电磁场的基础，电磁场的理论基础麦克斯韦方程组也是由这些定理上推导总结出。以往在讲解过程中，公式繁杂， 推导多， 学生用大量的时间理解定律模型、复习数学知识，浪费大量学时，反而忽略了对概念本身的理解。利用仿真软件将这些定理动态演示，将复杂的电磁场理论通过演示的方式表示出来，结果清晰、直观的表现出了各种电磁场模型的特性，形象、直观、便于理解，它不仅可以激发学生的学习兴趣，而且加快学生理解速度提高了教学质量。
2）电磁场和电磁波的存在形式、特性分布等内容的图示化。课程中涉及较多的求解场量分布、特性等内容，以往教学中推导出结果都是数学公式，对数学知识薄弱和空间思维差的学生而言整个教学过程就像解数学题、而与场无关。我们利用软件将常见的场量分布形式图形化，根据源的不同分布求出不同场图，绘制矢量线（电力线、磁力线）、等值线（等位线）、箭头图等，以帮助学生更好地理解场。例如电偶极子的电场分布、同轴电缆电场分布、均匀平面电磁波传播、球面电磁波传播、矩形波导传播时电磁场特性等。
3）计算方式的简化。课程在求解问题时，经常会涉及复杂的数学计算过程，利用软件强大的仿真功能，将计算过程简化，运用符号运算功能进行数学公式推导，根据数值计算功能进行习题求解等，节约授课时间，提高教学效率。如电磁场中梯度、散度、旋度问题、求静态边值时有限差分法、有限元法、镜像法等。
2 具体应用实例
随着计算机的快速发展，近几年出现了大量的电磁场和微波电路仿真软件，如美国ANSOFT公司的HFSS（高频电磁场仿真）、MATLAB、ANSYS等软件。这些软件功能强大、界面友好，编程简洁、效率高，特别适合于教学演示和学生实践，用户可以在短时间内掌握其主要内容和基本操作。下面我们简单介绍几个具体应用实例：
1）镜像法
镜像法是一种求解边值问题的间接方法，其基本原理是：用放置在所求场域之外的假想电荷（即像电荷）等效的替代导体表面（或介质分界面）上的感应电荷（或极化电荷）对场分布的影响，从而将求解实际的边值问题转换为求解无界空间的问题。利用软件仿真孤立电荷产生的场和像电荷产生场以及叠加后的场，电荷电量、导体半径等参数可根据实际情况输入。下图为半径为2电荷为4时产生的场图。
2）矩形波导传播
课程在讲解矩形波导传播时，电磁场分量公式表示如公式所示。
让学生根据公式理解其传输特性比较困难。通过Matlab 计算并绘出任意时刻金属矩形波导的主模 TE10 模的电磁场分布图，直观的展示了波的传输特性。
3）有限差分法求电磁场静态边值
有限差分法是求电磁场静态边值问题的一种数字计算法，把连续空间离散化，空间离散化越细，解的误差越小，其计算量就越大，就使课程中大量时间用在处理数据上。而利用matlab编写程序，根据已知条件自动生成矩阵数据，绘制电场和电力线图形，使讲解过程清晰明了。
3 结束语
本文根据电磁场与电磁波少学时、概念抽象等特点，将仿真软件强大的计算与图像功能运用于电磁场与电磁波的教学中，使电磁场与电磁波分析研究问题简单方便，帮助学生直观的分析和理解课程内容，不但能大大加深学生对抽象电磁场问题的理解，激发学生的学习兴趣，而且也提高了学生对工程软件的实际应用能力，取得了很好的教学效果。对提高教学效果具有非常重要的意义。
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