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电磁场与波理论在实践中的应用电磁波无所不在，不可不知。电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380至780纳米之间，称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，电流会产生磁场，变动的磁场则会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。电磁场理论在现代科技中有着广泛的应用。现代电子技术如通讯、广播、导航、雷达、遥感、测控、嗲面子对抗、电子仪器和测量系统，都离不开电磁场的发射，控制、传播和接收；从假期，工业自动化到地质勘测，从电力、交通等工业‘农业到医疗卫生等国民经济领域，几乎全都涉及到电磁场理论的应用。不仅如此，电磁学一直是，将来仍是新兴科学的孕育点。接下来举几个具体的例子来说明电磁场理论在科技中的应用。1.雷达雷达的基本功能是利用目标对电波的散射而发现目标，并测定不表的空间位置。它也是电磁场与波在军事中的一项重要应用。简单连续波雷达系统中的动目标鉴别分辨是以多普勒效应为基础的。设固定雷达发出电磁波的频率为f0，则发射波的周期T0=1/f0，设动目标以恒速为u向着雷达移动，如图所示，在t0所示，在t0时刻动目标在R0位置，在t1时刻动目标在R1位置。雷达发射的电磁波到达目标所需的时间为：t0时刻发射的电磁波（峰A），到达移动目标，回波在t1时刻被雷达接收雷达在t+T0是出现第二个峰（峰B），回波在t2时刻被雷达接收发射和接收波形如下图所示：接收波的周期T0‘一般情况下u/c1,因此可见，接收波与发射波比较频率产生了偏移，偏移量为：这样根据频率偏移量就可以测出移动物体的速度。2.无线电波进行调制后就载有各种信息,用来通信。无线电波、无线电广播与电视都是利用电磁波来进行的。在无线电广播中，人们先将声音信号转变为电信号，然后将这些信号由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播。而在另一地点，人们利用接收机接收到这些电磁波后，又将其中的电信号还原成声音信号，这就是无线广播的大致过程。而在电视中，除了要像无线广播中那样处理声音信号外，还要将图像的光信号转变为电信号，然后也将这两种信号一起由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播，而电视接收机接收到这些电磁波后又将其中的电信号还原成声音信号和光信号，从而显示出电视的画面和喇叭里的声音。3.红外线用热像仪能将物体与环境红外辐射能量的差异以图显示出来，使人在夜间或灰蒙的情况下仍能清楚看到景象；还能能精确地量度温度，测温范围广从零下几十度到几千度；红外线现在主要用于发展遥感技术，有以下几个方面的应用：（1）作遥感器，发射或接收信息（2）测量大气，海洋和陆地的温度（3）通过地面温差，掌握高山、沙漠、河流等的分布，绘制地图4.光电开关光是一种电磁射线，其特性如同无线电波和X射线，传递速度约为300000千米/秒，因此它可以在发射的一瞬间被其接收。红外线开关光电开关是利用人眼不可见（波长为780nm-1mm）的近红外线和红外线的来检测、判别物体。通过光电装置瞬间发射的微弱光束能被安全可靠的准确的发射和接收。光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化：利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体；使光束发射经过长距离后瞬间返回。光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。光电开关可分为对射型、漫反射型、镜面反射型。对射型光电开关：由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。特征：辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。漫反射型光电开关：是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一直到3米。特征：有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。镜面反射型光电开关：由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。光的通过时间是两倍的信号持续时间，有效作用距离从0.1米至20米。特征：辨别不透明的物体；借助反射镜部件，形成高的有效距离范围；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中。5.滤波器用微波介质陶瓷材料在过去30多年中，在微波传输中承载和传输信号的陶瓷谐振器和陶瓷滤波器对于微波通信能得到充分的发展起到了决定性的作用。对于应用于微波通信系统中的滤波器，要求它的性能稳定，插入损耗低，体积小，价格低廉。高性能微波介质材料是介质谐振器型滤波器的核心，也是现代通信技术的关键基础材料。在微波通信系统中，对微波介质材料的主要性能的要求如下：（1）高的介电常数εr微波介质滤波器是由介质谐振器制成的。介质谐振器的谐振频率和电介质材料的介电常数及谐振器尺寸有关。换个角度来说，就是在某个特定的频率下，谐振器尺寸与电介质材料的介电常数有关。已经知道，谐振器的尺寸和电介质材料的介电常数的平方根成反比。所以电介质材料的介电常数越大，所需要的电介质陶瓷块体就越小，谐振器的尺寸也就越小。例如，在谐振频率相同时，εr=36的介质谐振器的尺寸只有金属空腔谐振器的1/6。因此，介电常数尽可能高有利于微波介质滤波器的小型化。（2）接近于零的频率温度系数τf通信器件的工作环境温度不可能一成不变。如果微波介质材料的谐振频率随温度变化较大，滤波器的载波信号在不同的气温下就会漂移，从而影响设备的使用性能。这就要求材料的谐振频率不能随温度变化太大。温度的实际要求范围大致是－40～+100℃，在这个范围内材料的频率温度系数τf不大于10-5℃。（3）高的品质因数Q滤波器的一个重要要求是插入损耗低。微波介质材料的介质损耗是影响介质滤波器插入损耗的一个主要因素。微波介质材料的Q值与介质损耗tgδ成反比关系，Q值越大，滤波器的插入损耗就越低。由于微波谐振腔要求tgδ10-4数量级，因而Q≥1000才有实用价值。针对以上要求，70年代初国外研制出具有很小频率温度系数的BaTi4O9材料，才真正出现陶瓷微波介质谐振器产品；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开发出(Zr、Sn)TiO4材料[4]，介电常数为36～39，Q值达6800，频率温度系数在-1.2×10-5～1×10-5/℃内可调。80年代初又出现BaO-Ln2O3-TiO2(其中Ln为Sm、Nd等稀土元素)材料[5]，介电常数达90左右，在1GHz下Q值可达5500。这种材料主要用作移动电话内的接受双工滤波器。近年来Motorola公司研制出钛酸盐材料，介电常数可达140，频率温度系数仅为5×10-6/℃。至今，已实用化的微波介质陶瓷材料大致可归纳为以下几类：（1）用于10GHz以上的、具有低εr和高Q值特征的复合钙钛矿类的微波介质材料，主要是BaO-MgO-Ta2O5,BaO-ZnO-Ta2O5或BaO-MgO-Nb2O5,BaO-ZnO-Nb2O5系统或它们之间的复合系统微波介质材料。其εr=25～30，Q=(1～3)×104(在f≥10GHz下),τf≈0；（2）用于2～10GHz频率范围的、具有中等εr和Q值的微波介质材料，主要是以BaTi4O9,Ba2Ti9O20和(Zr、Sn)TiO4等为基质的微波介质材料。其εr≈40，Q=(6～9)×103(在f=3～4GHz下)，τf≤5×10-6（3）用于0.8～2GHz频率范围的、具有高εr而Q值较低的微波介质材料，主要是BaO-Ln2O3-TiO2(其中Ln为Sm、Nd等稀土元素)为基的微波介质材料。其εr=80～90，Q=(2～5)×103(在f=1～3GHz下)，τf=(10±5)×10-6/℃。6.高功率射频武器技术高功率射频武器，人们有时又称之为高功率微波武器，主要通过发射高密度的电磁波束来损坏或摧毁敌方设备或设施中的敏感和关键电子电路或其他器件而使其失效。高功率射频武器技术是定向能武器技术的一个主要且潜在应用前景广阔的分支领域。在以非线性、非接触和远距离／超视距精确打击为主要特征的现代战争中，高功率射频武器已经成为一种不容忽视的具有潜在抗衡能力的新型电子战武器。利用微波能量的作用机理，高功率射频武器有时还可用来针对作战人员，使其丧失作战能力。例如美国于2005年9月装备部队使用的首批“治安官”主动拒止系统(ADS)就是针对伊拉克反美武装人员的非致命高功率微波武器，其工作频率为95GHz，发射功率约100kW，有效作用距离为lkm左右，它所发出的微波能量可穿透到人体皮肤0．36mm深度处，不要1秒钟就可将皮肤中的水分子加热到54．44℃，从而使被照射者饱尝不可忍受的烧灼痛苦而丧失行为能力或者选择逃离。高功率射频武器诞生伊始，就受到了广泛的关注，尤其是其潜在的应用领域。总的来说，高功率射频武器的应用领域主要包括防御性和进攻性两大类，比如综合防空系统用于对付巡航导弹和隐身飞机等高威胁目标，大型舰艇、飞机以及战斗机等现代化主战平台对攻击导弹的自防护，军事设施或重要基础设施等对远距离精确打击武器和智能弹药的自防护等防御性作战应用，以及压制或致毁敌综合防空和C3I系统，使敌低地球轨道卫星和高价值目标失效或降低性能，扰乱或损坏敌电力、电子、信息等关键基础设施等，甚至还可用非致命性高功率射频武器来驱散人群、压制暴动和对付恐怖分子。这里特别要指出的是：它不会象高能激光武器那样一次只能对付一个目标，而是具有同时对付多个目标的能力，这里的唯一条件就是这些目标都落在射频波束的覆盖区域内。如果高功率射频武器采用相控阵天线，具有电子波束调整功能，那么，它就能协调一致地对付从一个方向或一个扇区来袭的多个威胁目标。一般说来，高功率射频装置由初始功率源、脉冲功率发生器、功率调整电路、高功率射频源和天线五部分组成。对于地面固定站而言，初始功率源可采用电池、柴油发电机供电，也可直接接到电网取电，或者通过炸药爆炸提供足够大的能量。脉冲功率发生器通过长时间积聚并存储初始功率源的恒定小功率输出，而后根据指令要求以高功率电流脉冲形式在一个非常非常短的周期内(典型值为1s)释放出去。功率调整电路的主要功能：是将所产生的电流脉冲压缩，并通过脉冲成形传输线、电容、开关电路等整形，调整这些输入脉冲的电压、电流、脉冲上升沿时间和形状等，使之整理成符合高功率微波源所要求的形状后输出。高功率射频源任务是尽可能多地将输入电流的能量转换成用于投放到目标上去的微波场能量，而天线用于辐射所产生的高功率微波场，尽可能有效地渗透到目标中去。在电子战战场上使用高功率射频武器有许多优点，主要包括：①高功率射频能量能够以光速传播，其速度比最快的炮弹高出许多个数量级。这一特点在实际作战中非常有用，因为它对威胁目标具有非常短的响应时间，比如说被攻击舰艇在捕获海面攻击快