1、 緒 論一、課程的性質(zhì)和任務(wù) “電磁場(chǎng)與電磁波”是高等學(xué)校電子信息類及電氣信息類專業(yè)本科生必修的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，課程涵蓋的內(nèi)容是電子、電氣信息類專業(yè)本科學(xué)生應(yīng)具備知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。近代科學(xué)的發(fā)展表明，電磁場(chǎng)與電磁波基本理論又是一些交叉學(xué)科的生長(zhǎng)點(diǎn)和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)，而且對(duì)完善自身素質(zhì)，增強(qiáng)適應(yīng)能力和創(chuàng)造能力長(zhǎng)遠(yuǎn)地發(fā)揮作用。 本課程將在“大學(xué)物理（電磁學(xué)）”的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究宏觀電磁現(xiàn)象和電磁過程的基本規(guī)律及其分析計(jì)算方法。通過課程的學(xué)習(xí)，掌握基本的宏觀電磁理論，具備分析和解決基本的電磁場(chǎng)工程問題的能力。 先修課程：高等數(shù)學(xué)，大學(xué)物理（電磁學(xué)），電路，電動(dòng)力學(xué)等后繼課程：通信原理，

2、數(shù)字信號(hào)處理，微波理論等 二、電磁場(chǎng)理論的主要研究領(lǐng)域 作為理論物理學(xué)的一個(gè)重要研究分支，主要致力于統(tǒng)一場(chǎng)理論和宏觀量子電動(dòng)力學(xué)的研究。 作為無線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)，集中于三大類應(yīng)用問題的研究。三大類應(yīng)用問題： 1、 能源-電磁場(chǎng)（或電磁波）作為能量的一種形式，是當(dāng)今世界最重要的能源，其研究領(lǐng)域涉及電磁能量的產(chǎn)生、儲(chǔ)存、變換、傳輸和綜合利用。2、 信息傳輸-電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類社會(huì)發(fā)布和獲取信息的主要手段，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾畔⒌漠a(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲(chǔ)存、處理、再現(xiàn)和綜合利用。3、 探測(cè)手段-電磁波作為探測(cè)未知世界的一種重要手段，主 要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶挪ㄅc目標(biāo)的相互作用特性、目標(biāo)

3、特征的獲取與重建、探測(cè)新技術(shù)等。 三、電磁場(chǎng)理論發(fā)展簡(jiǎn)史 1電磁場(chǎng)理論的早期研究 電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的往來現(xiàn)象，也是最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象，其中貢獻(xiàn)最 大的有來頓、富蘭克林、伏打、法拉第等科學(xué)家。 19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn) 象，沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系。但是由于這些研究 （特別是伏打1799年發(fā)明了電池），為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。2電磁場(chǎng)理論的建立 18世紀(jì)末期，德國哲學(xué)家謝林認(rèn)為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認(rèn)為電就是宇宙的活力，是宇宙的靈魂；電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。 奧斯特是謝林的信徒，他從1807年開始研究電磁之間的關(guān)系。1820年，他發(fā)現(xiàn)

4、電流以力作用于磁針。安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向以及磁針到通過電流的導(dǎo)線的垂直線方向相互垂直，并定量建立了若干數(shù)學(xué)公式。 。 法拉第在謝林的影響下，相信電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳地意識(shí)到，電可以對(duì)磁產(chǎn)生作用，磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。1821年他開始探索磁生電的實(shí)驗(yàn) 。 1831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁捧插入導(dǎo)體線圈時(shí),導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這表明，電與磁之間存在著密切的聯(lián)系 。3電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用和發(fā)展 1887年，德國科學(xué)家赫茲用火花隙激勵(lì)一個(gè)環(huán)狀天線，用另一個(gè)帶隙的環(huán)狀天線接收，證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了后來無線電

5、報(bào)的發(fā)明。從此開始了電磁場(chǎng)理論應(yīng)用與發(fā)展時(shí)代，并且發(fā)展成為當(dāng)代最引人注目的學(xué)科之一。(1）無線電報(bào) 1895年，意大利馬可尼成功地進(jìn)行了 2.5公里距離的無線電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn)。1896年，波波夫進(jìn)行了約250米距離的類似試驗(yàn), 1899年, 無線電報(bào)跨越英吉利海峽的試驗(yàn)成功；1901年，跨 越大西洋的3200公里距離的試驗(yàn)成功。馬可尼以其在無線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。無線電報(bào)的發(fā)明，開始了利用電磁波時(shí)期。（4）電視 1884年，德國尼普科夫提出機(jī)械掃描電視的設(shè)想，1927年，英國貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西 洋中的船上。茲沃霄金在1923和1924年相繼發(fā)

6、明了攝像管和顯像管。1931年，他組裝成世界上第一個(gè)全電子電視系統(tǒng)。（5）雷達(dá)（Radio Detection and Ranging）二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機(jī)成為主要進(jìn)攻武器。英、美、德、法等國競(jìng)相研制一類能夠早期警戒飛機(jī)的裝置。1936年，英國的瓦特設(shè)計(jì)的警戒雷達(dá)最先投入了運(yùn)行。有效地警戒了來自德國的轟炸機(jī)。1938年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達(dá)。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷達(dá)的研制成為可能。1944年，能夠自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功。1945年，能消除背景干擾顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明,使雷達(dá)更加完善。在整個(gè)第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達(dá)成了電磁場(chǎng)理論最活躍的部分。（

7、6）衛(wèi)星通信技術(shù) 1958年, 美國發(fā)射低軌的“斯科爾”衛(wèi)星成功,這是第一顆用于通信的試驗(yàn)衛(wèi)星。1964年,借助定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了美、 歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年,第一顆商用定點(diǎn)同步衛(wèi)星投入運(yùn)行。1969年, 大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星地球站已遍布世界各國，這些衛(wèi)星地球站又和本國或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)歷10年的發(fā)展，終趨于成熟。四、電磁場(chǎng)理論的主要研究對(duì)象 1、 電磁場(chǎng)的基本屬性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律 2、波與物質(zhì)的相互作用及信息的提取 3、 電磁場(chǎng)系統(tǒng)的計(jì)算方法，仿真技術(shù) 4、工程技術(shù)應(yīng)用中的電磁場(chǎng)理論問題五、學(xué)習(xí)的目的、方法及其要求1、掌握

8、宏觀電磁場(chǎng)的基本屬性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律 2、掌握宏觀電磁場(chǎng)問題的基本求解方法 3、了解宏觀電磁場(chǎng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域及其原理 4、訓(xùn)練分析問題、歸納問題的科學(xué)方法 5、培養(yǎng)用數(shù)學(xué)解決實(shí)際問題的能力 6、動(dòng)手、動(dòng)腦，獨(dú)立完成作業(yè)，做好課堂筆記 7、精讀一至二本教學(xué)參考書廣播、電視，還是導(dǎo)航、遙控遙測(cè)，都是通過電磁波傳遞信息來進(jìn)行工作的。因此以宏觀電磁理論為基礎(chǔ)，電磁信息的傳輸和轉(zhuǎn)換為核心的電磁場(chǎng)與電磁波工程技術(shù)將充分發(fā)揮其重要作用。下面以無線電通信系統(tǒng)為例來說明。接收機(jī)接收天線饋線導(dǎo)行波導(dǎo)行波導(dǎo)行波導(dǎo)行波發(fā)射機(jī)發(fā)射天線饋線導(dǎo)行波導(dǎo)行波 發(fā)射機(jī)末級(jí)回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過饋線送到發(fā)射天線，通過發(fā)射天線將其轉(zhuǎn)換

9、成電磁波輻射出去；到了接收端，電磁波在接收天線上感生高頻振蕩電流，再經(jīng)饋線將高頻振蕩電流送到接收機(jī)輸入回路，這就完成了信息的傳遞。在這個(gè)過程中，經(jīng)歷了電磁波的傳輸、發(fā)射、傳播、接收等過程。 傳輸導(dǎo)行電磁波 發(fā)射和接收天線 傳播入射、反射、透射、繞射一些常見的天線和饋線中、短波發(fā)射天線微波接力天線卡塞格侖天線MMDS-A型微波天線MMDS-C型微波天線對(duì)數(shù)周期天線 要掌握天線發(fā)射和接收電磁波的機(jī)理和性能，必須掌握電磁場(chǎng)與電磁波的基本理論和技術(shù)。 要掌握電磁波傳輸?shù)臋C(jī)理和性能，了解構(gòu)成導(dǎo)波系統(tǒng)的元件和器件的性能，就必須掌握電磁場(chǎng)與電磁波的基本理論和技術(shù)。 要掌握電磁波傳播的機(jī)理和性能，了解電磁波在

10、水下或地下如何傳播，了解在地面站和衛(wèi)星之間如何傳播，就必須掌握電磁場(chǎng)與電磁波的基本理論和技術(shù)。 總之，一切無線電工程系統(tǒng)，如前面提到的移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、電視、微波遙感都包含許許多多電磁場(chǎng)與電磁波的基礎(chǔ)理論問題， 而且不斷地對(duì)以電磁場(chǎng)與電磁波為基礎(chǔ)理論的無線電技術(shù)、微波技術(shù)提出新的課題。因而電磁場(chǎng)與電磁波基礎(chǔ)理論將始終發(fā)揮著重要作用，且不斷擴(kuò)充其應(yīng)用領(lǐng)域。 此外，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子、電氣系統(tǒng)獲得越來越廣泛的應(yīng)用。運(yùn)行中的電子、電氣設(shè)備大多伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換，使得高密度、寬頻譜的電磁信息充滿整個(gè)人類的生存空間，構(gòu)成極其復(fù)雜的電磁環(huán)境，出現(xiàn)了電磁干擾和電磁污染，使電子系統(tǒng)受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，人類生存