1、電磁場與電磁波在實際中的應(yīng)用班級：電子0801姓名：鄭文韜學(xué)號：20082653一、電磁場與電磁波課程綜述：電磁場與電磁波課程要求電子類各專業(yè)主要課程的核心內(nèi)容都是電磁現(xiàn)象在特定范圍、條件下的體現(xiàn)，分析電磁現(xiàn)象的定性過程和定量方法是電類各專業(yè)學(xué)生掌握專業(yè)知識和技能的基礎(chǔ)之一，因而電磁場與電磁波課程所涉及的內(nèi)容，是合格的電子類專業(yè)本科學(xué)生所應(yīng)具備的知識結(jié)構(gòu)的必要組成部分。不僅如此，電磁場理論又是一些交叉領(lǐng)域的學(xué)科生長點和新興邊緣學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)。學(xué)好電磁場理論將增強學(xué)生的適應(yīng)能力和創(chuàng)造能力。因此本課程的作用不僅是為進(jìn)一步學(xué)習(xí)準(zhǔn)備必要的基礎(chǔ)，更為深遠(yuǎn)的是關(guān)系到所培養(yǎng)學(xué)生的基本素質(zhì)，因此“電磁場與電磁

2、波”課程在教學(xué)計劃中應(yīng)占有重要地位，它是電子類專業(yè)本科學(xué)生的一門技術(shù)基礎(chǔ)課。通過學(xué)習(xí)本課程，應(yīng)具備以下能力： （1）在大學(xué)物理電磁學(xué)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步掌握宏觀電磁場的基本規(guī)律，并結(jié)合各專業(yè)實際介紹其技術(shù)應(yīng)用的基本知識； （2）通過教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生用場的觀點對電器工程中的電磁現(xiàn)象和電磁過程進(jìn)行定性分析和判斷的能力，了解進(jìn)行定量分析的基本途徑，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和應(yīng)用各種較復(fù)雜的電磁場計算方法打下基礎(chǔ)； （3）通過電磁場理論的邏輯推理，培養(yǎng)學(xué)生正確思維和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。二、電磁場與電磁波在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用（1）光電開關(guān)光是一種電磁射線，其特性如同無線電波和X射線，傳遞速度約為300000千米/秒，因此它可以

3、在發(fā)射的一瞬間被其接收。紅外線開關(guān)光電開關(guān)是利用人眼不可見（波長為780nm-1mm）的近紅外線和紅外線的來檢測、判別物體。通過光電裝置瞬間發(fā)射的微弱光束能被安全可靠的準(zhǔn)確的發(fā)射和接收。光電開關(guān)的重要功能是能夠處理光的強度變化：利用光學(xué)元件，在傳播媒介中間使光束發(fā)生變化；利用光束來反射物體；使光束發(fā)射經(jīng)過長距離后瞬間返回。光電開關(guān)是由發(fā)射器、接收器和檢測電路三部分組成。發(fā)射器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于發(fā)光二極管（LED）和激光二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。受脈沖調(diào)制的光束輻射強度在發(fā)射中經(jīng)過多次選擇，朝著目標(biāo)不間接地運行。接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的

4、前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面的是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。光電開關(guān)可分為對射型、漫反射型、鏡面反射型。對射型光電開關(guān)：由發(fā)射器和接收器組成，結(jié)構(gòu)上是兩者相互分離的，在光束被中斷的情況下會產(chǎn)生一個開關(guān)信號變化，典型的方式是位于同一軸線上的光電開關(guān)可以相互分開達(dá)50米。特征：辨別不透明的反光物體；有效距離大，因為光束跨越感應(yīng)距離的時間僅一次；不易受干擾，可以可靠合適的使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中；裝置的消耗高，兩個單元都必須敷設(shè)電纜。漫反射型光電開關(guān)：是當(dāng)開關(guān)發(fā)射光束時，目標(biāo)產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器構(gòu)成單個的標(biāo)準(zhǔn)部件，當(dāng)有足夠的組合光返回接收器時，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，作

5、用距離的典型值一直到3米。特征：有效作用距離是由目標(biāo)的反射能力決定，由目標(biāo)表面性質(zhì)和和顏色決定；較小的裝配開支，當(dāng)開關(guān)由單個元件組成時，通常是可以達(dá)到粗定位；采用背景抑制功能調(diào)節(jié)測量距離；對目標(biāo)上的灰塵敏感和對目標(biāo)變化了的反射性能敏感。鏡面反射型光電開關(guān)：由發(fā)射器和接收器構(gòu)成的情況是一種標(biāo)準(zhǔn)配置，從發(fā)射器發(fā)出的光束在對面的反射鏡被反射，即返回接收器，當(dāng)光束被中斷時會產(chǎn)生一個開關(guān)信號的變化。光的通過時間是兩倍的信號持續(xù)時間，有效作用距離從0.1米至20米。特征：辨別不透明的物體；借助反射鏡部件，形成高的有效距離范圍；不易受干擾，可以可靠合適的使用在野外或者有灰塵的環(huán)境中（2）微波和磁場強化細(xì)菌浸

6、出黃銅礦研究現(xiàn)狀銅是重要的有色金屬,我國銅礦的平均含銅品位為0. 71% , 品位超過1%的僅占銅礦總量的20%。品位在0. 7%以下占總量的56% ,全國未開采利用的銅資源中有一半以上是屬于低品位隨著大量開采,高品位、易選銅礦已日趨減少,使人們開始考慮開發(fā)利用低品位的銅礦以及回收利用礦渣。國外采用生物冶金技術(shù)處理單一銅礦物,邊界品位可達(dá)0. 01%。目前,采用細(xì)菌堆浸或地下浸出工藝生產(chǎn)的銅大約占全世界銅年產(chǎn)量的25% 2 。黃銅礦是低品位硫化銅礦中的主要銅礦物,又是硫化銅中最難浸出的銅礦物之一。細(xì)菌浸礦細(xì)菌氧化是20世紀(jì)下半葉冶金領(lǐng)域十分活躍的學(xué)科之一,由于其它的銅富集方法存在著一定的局限性

7、,如投資高、技術(shù)難度大、對環(huán)境污染嚴(yán)重等問題,因此人們便把目光投入到無污染、低成本的細(xì)菌氧化法,使之成為近年來開發(fā)速度快的新興技術(shù)。氧化亞鐵硫桿菌是化能自養(yǎng)菌,由于能生長在亞鐵、元素硫和硫化物礦物上,因而成為目前生物濕法冶金中應(yīng)用價值最大的一個菌種。細(xì)菌可氧化低價硫產(chǎn)生硫酸,在此過程中獲得其生長繁殖的能量,并且從培養(yǎng)基中獲得N、K、P及微量元素,以補充硫化礦物氧化所消耗的能源。細(xì)菌最主要的作用是將二價鐵連續(xù)不斷地氧化成大多數(shù)難處理礦石的浸出所必不可少的三價鐵。黃銅礦細(xì)菌浸出過程可表示為:2CuFeS2 + 8. 5O2 + H2 SO4細(xì)菌2CuSO4 + Fe2 ( SO4 ) 316+H2

8、O磁場及微波的強化作用一個水分子中含有兩個孤對電子,它們的存在使水產(chǎn)生了氫鍵,而氫鍵的存在使水的結(jié)構(gòu)特殊而易變。在磁場的作用下,水的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,但氫鍵并不破裂,只是使氫鍵產(chǎn)生彎曲。水經(jīng)磁化后光學(xué)性質(zhì)改變,影響水系中離子水合作用,磁化率改變。實驗表明磁化水能促進(jìn)細(xì)菌的生長,其可能的原因是:磁化使水的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化在水與空氣的界面產(chǎn)生壓力差,促進(jìn)了氧氣在水中的溶解,從而促進(jìn)了細(xì)菌的生長;提高了生物膜的滲透性。改善了細(xì)菌對培養(yǎng)物質(zhì)的吸收。實驗表明磁化水配制9K培養(yǎng)基能促進(jìn)細(xì)菌的生長,提高細(xì)菌的活性,對細(xì)菌浸礦有明顯的促進(jìn)作用,縮短細(xì)菌預(yù)氧化周期。微波加熱是頻率在300300000MHz之內(nèi)的電磁波對

9、物體進(jìn)行的全面加熱。水是極性分子具有永久性偶極矩,在交變電場中能發(fā)生偶極遲豫,在體系內(nèi)部直接引起微波能的損耗,水分子互相碰撞,導(dǎo)致分子化學(xué)鍵的破壞或改變水分子的原結(jié)構(gòu)形式,引起水分子結(jié)構(gòu)變化,如由水的大分子變?yōu)樾》肿?致使不能形成水合物,這樣游離的三價鐵數(shù)目會更多,有利于提高浸出。另外,電磁輻射的微波也具有相應(yīng)的磁場,引起溶液界面壓力差,促進(jìn)氧氣在水中的溶解,從而促進(jìn)了細(xì)菌的生長從而強化浸礦。微波與磁場作為物理方法強化微生物浸出與化學(xué)方法強化相比本身不產(chǎn)生任何氣體,具有操作簡單、環(huán)保、便于控制等特點。（3）濾波器用微波介質(zhì)陶瓷材料在過去30多年中，在微波傳輸中承載和傳輸信號的陶瓷諧振器和陶瓷濾

10、波器對于微波通信能得到充分的發(fā)展起到了決定性的作用。對于應(yīng)用于微波通信系統(tǒng)中的濾波器，要求它的性能穩(wěn)定，插入損耗低，體積小，價格低廉。高性能微波介質(zhì)材料是介質(zhì)諧振器型濾波器的核心，也是現(xiàn)代通信技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。在微波通信系統(tǒng)中，對微波介質(zhì)材料的主要性能的要求如下： （1）高的介電常數(shù)r微波介質(zhì)濾波器是由介質(zhì)諧振器制成的。介質(zhì)諧振器的諧振頻率和電介質(zhì)材料的介電常數(shù)及諧振器尺寸有關(guān)。換個角度來說，就是在某個特定的頻率下，諧振器尺寸與電介質(zhì)材料的介電常數(shù)有關(guān)。已經(jīng)知道，諧振器的尺寸和電介質(zhì)材料的介電常數(shù)的平方根成反比。所以電介質(zhì)材料的介電常數(shù)越大，所需要的電介質(zhì)陶瓷塊體就越小，諧振器的尺寸也就越小

11、。例如，在諧振頻率相同時，r=36的介質(zhì)諧振器的尺寸只有金屬空腔諧振器的1/6。因此，介電常數(shù)盡可能高有利于微波介質(zhì)濾波器的小型化。（2）接近于零的頻率溫度系數(shù)f通信器件的工作環(huán)境溫度不可能一成不變。如果微波介質(zhì)材料的諧振頻率隨溫度變化較大，濾波器的載波信號在不同的氣溫下就會漂移，從而影響設(shè)備的使用性能。這就要求材料的諧振頻率不能隨溫度變化太大。溫度的實際要求范圍大致是40+100，在這個范圍內(nèi)材料的頻率溫度系數(shù)f不大于10-5。（3）高的品質(zhì)因數(shù)Q濾波器的一個重要要求是插入損耗低。微波介質(zhì)材料的介質(zhì)損耗是影響介質(zhì)濾波器插入損耗的一個主要因素。微波介質(zhì)材料的Q值與介質(zhì)損耗tg成反比關(guān)系，Q值越

12、大，濾波器的插入損耗就越低。由于微波諧振腔要求tg10-4數(shù)量級，因而Q1000才有實用價值。針對以上要求，70年代初國外研制出具有很小頻率溫度系數(shù)的BaTi4O9材料，才真正出現(xiàn)陶瓷微波介質(zhì)諧振器產(chǎn)品；此后又研制出性能更好的Ba2Ti9O20材料3。70年代末日本村田公司又開發(fā)出(Zr、Sn)TiO4材料4，介電常數(shù)為3639，Q值達(dá)6800，頻率溫度系數(shù)在-1.210-5110-5/內(nèi)可調(diào)。80年代初又出現(xiàn)BaO-Ln2O3-TiO2(其中Ln為Sm、Nd等稀土元素)材料5，介電常數(shù)達(dá)90左右，在1GHz下Q值可達(dá)5500。這種材料主要用作移動電話內(nèi)的接受雙工濾波器。近年來Motorola

13、公司研制出鈦酸鹽材料，介電常數(shù)可達(dá)140，頻率溫度系數(shù)僅為510-6/。至今，已實用化的微波介質(zhì)陶瓷材料大致可歸納為以下幾類：（1）用于10GHz以上的、具有低r和高Q值特征的復(fù)合鈣鈦礦類的微波介質(zhì)材料，主要是BaO-MgO-Ta2O5, BaO-ZnO-Ta2O5或BaO-MgO-Nb2O5, BaO-ZnO-Nb2O5系統(tǒng)或它們之間的復(fù)合系統(tǒng)微波介質(zhì)材料。其r=2530，Q=(13)104(在f10GHz 下),f0； （2）用于210GHz頻率范圍的、具有中等r和Q值的微波介質(zhì)材料，主要是以BaTi4O9,Ba2Ti9O20和(Zr、Sn)TiO4等為基質(zhì)的微波介質(zhì)材料。其r40，Q=(

14、69)103(在f=34GHz下)，f510-6 （3）用于0.82GHz頻率范圍的、具有高r而Q值較低的微波介質(zhì)材料，主要是BaO-Ln2O3-TiO2 (其中Ln為Sm、Nd等稀土元素)為基的微波介質(zhì)材料。其r=8090，Q=(25)103(在f=13GHz下)，f =(105)10-6/。（4）高功率射頻武器技術(shù)在進(jìn)攻性電子戰(zhàn)裝備體系中，電子硬摧毀武器已經(jīng)成為越來越重要的組成部分。從根本上來說，電子硬摧毀武器可分為兩大類，即反輻射武器和高功率射頻武器。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，這兩類武器迅速成長為能夠徹底摧毀敵方電子設(shè)備和電子信息系統(tǒng)的最具威脅的電子戰(zhàn)主戰(zhàn)裝備。其中，反輻射武器只能針對單一

15、目標(biāo)輻射源，而且還必須精確地知道并預(yù)先裝定目標(biāo)輻射源的技術(shù)參數(shù)(尤其是目標(biāo)輻射源的位置坐標(biāo))；傳統(tǒng)的高功率微波武器雖然不需要了解目標(biāo)電子設(shè)備或系統(tǒng)的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)及輻射源位置，卻是完全依靠著大功率、高能來產(chǎn)生毀傷作用，而且主要的耦合途徑是通過目標(biāo)系統(tǒng)的孑L、縫、窗口、線纜等等透射到其內(nèi)部的“后門耦合”途徑。另外，由于這種高功率射頻武器完全工作在開環(huán)的模式下，因此，能量的利用率很低，損毀目標(biāo)電子設(shè)備或系統(tǒng)所需要的功率閾值非常高。若要使傳統(tǒng)高功率射頻武器達(dá)到更大的殺傷半徑，必須要極大地增大其有效輻射功率或能量，而功率、能量的提高總是存在一定的物理極限，而且代價巨大。新型的高功率射頻武器應(yīng)該是一種靈巧

16、型射頻武器，它是利用微波能量能夠?qū)υS多敏感器件和電子電路產(chǎn)生“分子熱”或“電沖激”效應(yīng)的基本原理主要通過“前門耦合”途徑進(jìn)入目標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)部，對系統(tǒng)中的關(guān)鍵而又敏感易損的電子電路達(dá)成永久性功能毀傷，從而使目標(biāo)系統(tǒng)完全失效。2 高功率射頻武器的基本概念高功率射頻武器，人們有時又稱之為高功率微波武器，主要通過發(fā)射高密度的電磁波束來損壞或摧毀敵方設(shè)備或設(shè)施中的敏感和關(guān)鍵電子電路或其他器件而使其失效。高功率射頻武器技術(shù)是定向能武器技術(shù)的一個主要且潛在應(yīng)用前景廣闊的分支領(lǐng)域。在以非線性、非接觸和遠(yuǎn)距離超視距精確打擊為主要特征的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，高功率射頻武器已經(jīng)成為一種不容忽視的具有潛在抗衡能力的新型電子戰(zhàn)武器。

17、利用微波能量的作用機理，高功率射頻武器有時還可用來針對作戰(zhàn)人員，使其喪失作戰(zhàn)能力。例如美國于2005年9月裝備部隊使用的首批“治安官”主動拒止系統(tǒng)(ADS)就是針對伊拉克反美武裝人員的非致命高功率微波武器，其工作頻率為95GHz，發(fā)射功率約100kW，有效作用距離為lkm左右，它所發(fā)出的微波能量可穿透到人體皮膚036mm深度處，不要1秒鐘就可將皮膚中的水分子加熱到5444，從而使被照射者飽嘗不可忍受的燒灼痛苦而喪失行為能力或者選擇逃離。高功率射頻武器誕生伊始，就受到了廣泛的關(guān)注，尤其是其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。總的來說，高功率射頻武器的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括防御性和進(jìn)攻性兩大類，比如綜合防空系統(tǒng)用于對付巡航

18、導(dǎo)彈和隱身飛機等高威脅目標(biāo)，大型艦艇、飛機以及戰(zhàn)斗機等現(xiàn)代化主戰(zhàn)平臺對攻擊導(dǎo)彈的自防護，軍事設(shè)施或重要基礎(chǔ)設(shè)施等對遠(yuǎn)距離精確打擊武器和智能彈藥的自防護等防御性作戰(zhàn)應(yīng)用，以及壓制或致毀敵綜合防空和C3I系統(tǒng)，使敵低地球軌道衛(wèi)星和高價值目標(biāo)失效或降低性能，擾亂或損壞敵電力、電子、信息等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等，甚至還可用非致命性高功率射頻武器來驅(qū)散人群、壓制暴動和對付恐怖分子。這里特別要指出的是：它不會象高能激光武器那樣一次只能對付一個目標(biāo)，而是具有同時對付多個目標(biāo)的能力，這里的唯一條件就是這些目標(biāo)都落在射頻波束的覆蓋區(qū)域內(nèi)。如果高功率射頻武器采用相控陣天線，具有電子波束調(diào)整功能，那么，它就能協(xié)調(diào)一致地對付從一個方向或一個扇區(qū)來襲的多個威脅目標(biāo)。一般說來，高功率射頻裝置由初始功率源、脈沖功率發(fā)生器、功率調(diào)整電路、高功率射頻源和天線五部分組成。對于地面固定站而言，初始功率源可采用電池、柴油發(fā)電機供電，也可直接接到電網(wǎng)取電，或者通過炸藥爆炸提