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論文關鍵詞：電磁輻射；生物效應；抗輻射鏡片；防護
論文摘要：日益增多的電磁輻射成為危害人體健康的環境污染之一。具有抗輻射功能的鏡片能有效阻止有害電磁波進入人眼，從而減少視覺疲勞、預防視力下降，減小視力喪失的可能性，大大降低電磁輻射對人眼的傷害。
電磁輻射作為環境污染和職業危害的一種新形式，受到政府和社會各界的普遍關注。聯合國人類環境會議已將電磁輻射列為必須控制的公害之一。電磁輻射對生物體的致傷效應，目前已成為醫學領域的重大研究課題。眼睛作為人體最重要的感覺器官之一，容易受到電磁輻射的損傷。抗輻射鏡片能有效阻止有害電磁波進入人眼，從而降低電磁輻射對人眼的傷害。
1 電磁輻射
在空間區域內當存在變化的電場時，會在臨近的區域引起隨時間變化的磁場，變化的磁場會產生新的電場，交替變化的電磁場在空間中按照一定速度由遠向近傳播，形成了電磁波。低頻的電磁振蕩主要借由有形的導電體傳遞，磁電之間的相互變化比較緩慢，幾乎沒有能量輻射出去，而是全部返回原電路。當電磁振蕩頻率逐漸變高時，電磁振蕩既可以束縛在有形的導電體內傳遞，也可以在自由空間內傳遞。在自由空間內傳遞的高頻率電磁振蕩，磁電互變速度加快，能量不再以電振蕩的形式全部返回原振蕩電路，電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，在不借助任何介質的情況下以波的形式向外傳遞能量，這就是電磁輻射[1]。電磁輻射是傳遞能量的一種方式，電磁輻射所衍生的能量，取決于頻率的高低，頻率愈高，能量愈大。
電磁輻射廣泛存在于職業場所和生活環境中，生物體時時刻刻都會受到不同程度的電磁場輻照。自然環境中的電場和磁場分別為10－4V/m和10－13T，而50hz高壓輸電線下的電場和磁場約為1～10KV/m和1－10μT，極端情況下可達到11KV/m和100μT；普通居民家中的本底電場約為1－10V/m，但電熱毯或加熱水床可達幾個kv/m[2]。電磁輻射的頻譜很寬，頻率范圍從0至1025 Hz，不同頻率的電磁輻射其生物學效應不同。廣義的電磁輻射是指所有能輻射出能量的電磁波，狹義的電磁輻射指頻率小于300GHz的在生活環境中存在并且可能對生物體造成某種傷害的電磁波。抗輻射鏡片所指的輻射是針對于在一定時間或者一定強度下會對人眼產生暫時性、永久性或者累積性傷害的電磁輻射。
2 電磁輻射的生物效應
電磁輻射使生物系統產生的與生命現象有關的響應稱為電磁輻射的生物學效應。影響電磁輻射生物學效應的主要參數是頻率和強度，不同頻率和強度的電磁輻射產生生物學效應的方式不同，效應也不同[3]。電磁輻射效應按照效應出現時間可以分為近期效應和遠期效應。從電磁輻射的熱作用方式達到一定量值或者一定時間的生物學效應可以分為熱效應和非熱效應。熱效應和非熱效應作用于人體后，對人體傷害尚未進行自我修復之前，再次受到電磁輻射，其傷害程度就會發生累積，這種效應稱為電磁輻射的累積效應[4]。
世界衛生組織在1998年的調查報告中指出，過量的電磁輻射可導致視力下降，嚴重者可導致視網膜脫落。長期遭受低強度電磁輻射的作用，可促使視覺疲勞，眼睛不舒適和眼感干燥等現象發生。眼睛是人體中對電磁輻射比較敏感的器官之一，容易受到電磁輻射的損傷。眼部無脂肪層覆蓋，眼組織含有大量的水分，晶狀體缺少血管散熱，在受到電磁輻射熱效應后，晶狀體蛋白質凝固并產生酶代謝障礙，從而導致晶狀體混濁，嚴重的會形成白內障[5]。同時強電磁輻射會使人眼的重要器官角膜受到傷害，從而造成視覺疲勞、視力下降或喪失。
3 抗輻射鏡片的原理
電磁波通過不同介質時，會發生折射、反射、繞射、散射及吸收等。為了有效的阻止有害電磁波進入人眼，必須在鏡片中添加特定材料或者在鏡片表面進行鍍膜，從而能夠將特定頻段的電磁波通過折射、反射、吸收等方式屏蔽，同時要保證可見光能夠正常透過鏡片進入人眼之中。由于鏡片折射率差異較大，選擇添加抗輻射材料很難保證鏡片穩定的光學特性，因此選擇具有吸波特性的材料鍍膜至鏡片表面是實現鏡片抗輻射功能的重要形式。
應用于鏡片鍍膜的材料必須在超薄厚度的前提下具有良好的吸波作用和透明導電的特性，對于可見光區具有非常優良的透過率。能夠產生吸波作用的材料主要有羥基鐵、導電高聚物、多晶鐵纖維、金屬氧化物超細粉末等[6]。多數吸波材料的共同缺點就是不透明，無法應用于鏡片鍍膜中。經過細化的金屬氧化物吸收劑粒子的磁、電、光等物理性能發生了質的變化，同時具有吸波、透波等功能。
抗輻射鏡片按其作用原理可以分為吸收型抗輻射鏡片和干涉型抗輻射鏡片。吸收型抗輻射鏡片是利用材料吸收入射的電磁波，并將電磁能轉變成熱能。干涉型抗輻射鏡片是利用電磁波在傳播過程中到達各膜層分界面以及膜層和鏡片基體分界面上會發生反射、吸收和透射三種光學作用以此改變電磁波傳播方向或者使電磁波產生干涉作用而相互抵消。
抗輻射鏡片可以選擇采用特殊工藝將金屬氧化物超細粉末鍍膜至鏡片表面的方法來阻擋有害電磁波。由于金屬氧化物膜層對于可見光的透過率很高，同時能夠對某些頻段的有害電磁波有效阻擋，可以滿足眼用鏡片的需求。當電磁波到達鏡片外表面膜層時，產生反射、吸收和折射的作用。外表面膜層只吸收很小一部分電磁波，而反射和折射是主要的。折射過的電磁波通過鏡片基體后有少量的反射和吸收，大部分電磁波正常透射到達鏡片內表面，內表面膜層反射的電磁波和從外表面透射到達鏡片基體的電磁波在滿足一定條件下產生干涉作用，相互抵消。鍍膜方式也可以采用單面多層鍍膜，利用多層膜之間產生干涉相消來阻擋電磁波的通過。
4 結論
在電磁輻射廣泛存在的今天，采用鍍有金屬氧化物超細粉末膜層抗輻射鏡片能緩解電磁輻射對人眼的近期效應、遠期效應以及累計效應，能有效減少視覺疲勞、預防視力下降，減小視力喪失的可能性。在輻射可能存在的環境中應用抗輻射鏡片是保障良好視覺狀態的重要手段之一。
參考文獻
[1] F.H. Read著． 密予宏譯． 電磁輻射．高等教育出版社，1988
[2] 黃德寅．電磁輻射對生物體的生物學效應．職業衛生與應急救援，2004．3
[3] 曹毅，童建．電磁輻射生物效應研究綜述．環境與職業醫學，2007．4
[4] 姚智兵，蔣昊等．電磁輻射的危害及防護．中國社會醫學雜志，2007．9 ．
關鍵詞 電磁防護；飛機；設計
中圖分類號V22 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2014）116-0173-02
0 緒論
隨著現代電子戰飛機的發展，任務系統的發射功率越來越大，作用距離越來越遠，對飛機其他系統及人員的影響就越來越嚴重，因此電磁防護性能對載機安全性、可靠性方面顯示出越來越重要的的作用。
1 電磁輻射危害初步分析
電磁輻射場對人員和設備的安全性危害“看不見、摸不著”，其危害性不容易被人們認識。電磁輻射造成的瞬時過電壓不僅會引起機載電子系統中的敏感元器件暫時故障或永久性損害，甚至還會引起機載人員生理機能的暫時或永久性損傷。現就飛機任務系統電磁輻射初步分析，電磁輻射可能危害在如下幾個方面：
1）超量的電磁輻射對人體有害，系統設計中應考慮人員的電磁防護問題；
2）燃油和其它易燃物在強電磁環境下可能發生危險，系統設計中要采取有效措施，盡量避免發生危險；
3）強電磁能會危害部分結構、系統裝置、部品器件的非金屬零部件、絕緣材料的物理特性、系統設計中應分析可能的危害，采取有效措施避免發生危害；
4）電磁輻射會直接造成部分元器件及電子電氣設備的物理損壞。系統設計中應分析可能的危害，采取有效措施避免發生危害；
5）強電磁輻射可能危及飛機發動機的系統裝置、危及發動機的非金屬零部件、電子電氣設備等，造成部分系統裝置、部品期間的失效或損壞。系統設計中應分析電磁輻射可能的危害，采取措施避免發生危害；
6）機上部分設備的自毀裝置、信號彈等在強電磁場環境中，可能接受傳導發射或輻射發射能量而意外引爆。故系統設計中應分析可能的危害，采取適當措施避免發生意外引爆。
2 電磁防護設計
2.1 電磁防護定義
電磁防護是利用連續導電材料減少電磁場向機體內指定區域穿透，控制電磁波由輻射源經泄露途徑向飛機各指定艙室傳導和輻射傳播。
飛機結構電磁防護設計是基于電磁波傳播特性采取的結構設計措施。對一個完整的導電連續體，可以阻擋外部電磁波的輻射進入或大大降低輻射進入的強度，對內部的人員或設備就不會造成安全問題。但飛機因使用和制造要求，存在大量的活動門、窗、結構縫隙、電介質結構等，這些部位就是通過電磁波輻射進入的通路，通過這些輻射進入的電磁波，當能量達到一定強度時，就會危害到艙內人員安全和設備的正常工作。
2.2 電磁防護原理
電磁防護原理就是對非導電連續結構采取必要的設計措施，阻斷電磁輻射從一個區域進入另一個區域的通路，或通過降低輻射進入的強度，達到滿足人員安全和設備安全可靠工作的目的。
2.3 電磁防護材料和要求
為保證人員安全，駕駛艙、工作艙、休息艙的電磁環境應滿足一定的安全限值。
電磁防護材料選擇的原則是使用標準、導電性材料，或則使用鐵磁性材料；在選擇時主要考慮的是材料的機械性能而不是鐵磁特性。通常選擇的電磁防護材料為以下幾種：
1）金屬絲網
材料通常為蒙乃爾合金、鈹銅、鍍錫銅絲等。屏蔽材料在低頻電磁波時較高、高頻時屏蔽效能較低，一般是用在1GHZ以下的環境。
2）導電布
是以纖維布經過前置處理后施以電鍍金屬鍍層使其具有導電性能的導電纖維布。一般使用鎳包銅的鍍層順序（鎳―銅―鎳）制成，其表面電阻小于0.08Ω/sq，最佳屏蔽電磁波頻率范圍為100KHZ～3GHZ，屏蔽效能大于60dB，對高頻電磁波屏蔽效果不理想。
3）硅脂導電膠
利用硅脂的高粘性和金屬顆粒的高導電性結合而成，是一種室溫固話的導電膠，固化后形成一個易彎曲且有彈性的導電連接頭或密封墊。
硅脂導電膠包括72-00002、72-00192/00139、50-02-1030-0000、72-00236、72-00035、TP-SAS-200-0251等牌號。
4）導電布襯墊
由鍍有銅鎳等導電織物包覆不導電的泡沫棉制成，屏蔽性能可超過95～120dB，具有導電性高，抗腐蝕特性；多背部貼膠，方便安裝，對于寬頻段電磁波都具有較好的屏蔽性能。但頻繁摩擦會損壞導電表層。
5）導電橡膠
導電橡膠是將導電顆粒填料均勻分布在硅橡膠中，通過壓力使導電顆粒接觸達到良好的導電性能，兼具良好的密封和屏蔽性能。
導電橡膠填料一般包括鎳包銅粉填料、鋁鍍銀填料、銅鍍銀填料、玻璃鍍銀填料、純銀填料等。
6）導電膩子
導電膩子由四種填有玻璃銀或銅鍍銀微粒的單組分樹脂組成。用于提高結構接口、孔縫和空隙的完整性，填實較大范圍的。使用安全性較高、耐腐蝕性強、最大屏蔽效能可達100dB。
導電膩子包括72-00005、72-00014、72-00151、72-00202等牌號。
2.4 機體結構電磁防護設計
在飛機的電磁防護設計過程中，要求對內部隔框、地板、頂棚等進行電磁防護設計。飛機內部電磁防護設計主要用于防止內部輻射源或泄漏源輻射進入工作艙或設備艙，對人員或設備造成輻射危害。對內部輻射場的防護，通常由隔框、地板、機身壁板、頂棚、縱向墻等機身結構組成電磁屏蔽線，將電磁輻射場控制在電磁屏蔽線內。
由于艙內空間有限，設備多，電纜鋪設密集，內部輻射場對全機的電磁干擾難以排除，為降低電磁輻射設計難度，應考慮采取以下措施來提高人員或設備電磁輻射安全性設計要求：
1）設計合理的屏蔽線；
2）設置屏蔽艙。若有多個發射機，盡可能將發射機集中布置后設計屏蔽艙，再對屏蔽艙采取電磁防護設計，以降低電磁防護設計難度，降低電磁防護設計成本，減輕電磁防護設計重量；
3）在管接頭、接縫、通過孔處，采用屏蔽材料包扎，以封堵輻射能量泄露。
2.5 電磁防護設計存在的技術問題
電磁防護設計在飛機結構中存在以下幾方面的技術問題：
1）飛機電磁防護設計是關系到飛機在復雜電磁環境下的安全性和可靠性的設計技術。在電磁防護設計時，應明確飛機使用剖面的外部輻射場，避免過設計或設計不足；
2）國內還沒有能適應飛機電磁防護設計的屏蔽材料，目前所使用的屏蔽材料如導電膠、導電膩子、導電布、導電橡膠板、導電布襯墊、鈹銅簧片等很難適應飛機結構耐環境、大間隙、變間隙、空中變形等條件下的適應性要求；
3）現有技術條件下，電磁防護設計缺乏全狀態試驗驗證，難以真實反映飛機結構的防護性能。
3 結論
飛機電磁防護設計在國內外還沒有相關技術資料和成熟經驗可借鑒，要形成完整成熟的技術體系，還需很多問題去解決。由于電磁輻射危害與電磁防護設計工作的復雜性，對這一方面的問題需要更多的工程技術人員去關注和參與，努力盡快提升我國飛機電磁防護設計技術水平，提高飛機在復雜電磁環境下的適應能力和生存能力。
關鍵詞：電磁輻射，存在問題，對策
中圖分類號：O441 文獻標識碼：A
1 城市電磁輻射污染源
隨著我國城市化的快速發展，著科學技術的進步,無線電技術已經被廣泛應用于國防、工農業生產、交通運輸、通訊、信息產業等各個領域并深入到千家萬戶，它給人類創造了巨大的物質文明，但同時也把人們帶進了一個充滿人造電磁輻射的環境里。電磁輻射主要分為天然產生和人為產生，過量的天然電磁輻射和人為電磁輻射均會造成電磁輻射污染。一般而言，城市電磁輻射污染主要指人為電磁輻射污染，按照電磁波頻率的大小，人為電磁輻射源又可分為工頻輻射源和射頻輻射源，其中射頻輻射源釋放的電磁波的頻率較高且頻譜范圍較寬，其電磁輻射的影響范圍也較大。各類電磁波發射系統、工頻輻射系統、利用電磁能的工業、科學、醫療設備等甚至包括部分家用電器，均是城市電磁輻射的污染源或潛在污染源(見表1) 。
由表1可知，城市電磁輻射污染源(含潛在污染源)的種類多、分布廣，存在于人們生活的方方面面，其中廣播電視、雷達、衛星通信及移動通信對區域電磁輻射水平貢獻較大，各種電子設備、室內線纜布設是居室電磁輻射污染的主要來源。
2 城市目前電磁輻射存在的一些問題分析
2.1 我國相關法規、標準還需要繼續完善
1997年我國頒布的《電磁輻射環境保護管理辦法》是我國僅有的針對電磁輻射污染防治的立法，屬部門規章。隨著城市空域電磁輻射環境的日趨復雜，該管理辦法已不能完全滿足目前輻射環境監管的需要，主要表現為法規的內容相對滯后、效力級別低、難以有效執行。雖然廣播、電信、電力等部門在《廣播電視設施保護條例》、《中華人民共和國電信條例》、《無線電管理條例》、《城市電力規劃規范》等法規和規范中對電磁輻射污染防治作出了相應規定，但《電磁輻射環境保護管理辦法》中的部分制度在這些法規中沒有得到充分反映，在實際執法過程中常常出現電磁輻射污染糾紛的各方當事人各執一詞、各執一法的現象。因此，有必要盡快制定與實施更高級別的電磁輻射污染防治法。
在電磁輻射防護標準方面存在以下問題:第一，上世紀80年代末原國家環境保護總局的《電磁輻射防護規定》(GB8702-88)和衛生部的《環境電磁波衛生標準》(GB9175-88)是我國電磁輻射防護領域的2個基本標準，但它們對環境電磁波容許輻射強度標準的規定存在不一致。管理標準的不一致直接導致在實際執行過程中，有關行政執法部門和監測部門采用的標準不一。而且，這2個標準的法律效力相同，發生沖突時需呈請國務院裁決其適用性。第二，關于高壓送變電設施的工頻電磁場強度限值尚無國家標準，相關部門推薦暫分別以4kV/m和0.1mT作為居民區工頻電場標準和磁感應強度標準，這直接導致輸變電設施電磁場評價標準的針對性不強，即對于不同電壓等級的輸變電工程均適用相同的標準限值。因此為做好電磁輻射環境影響評價工作和管理工作，應統一各標準中的管理限值，并加快設立尚未制定國家標準的電磁輻射設施的輻射水平限值。
2.2 城市空域電磁輻射能量密度不斷增大
電磁輻射技術的廣泛應用已造成城市空域電磁能明顯上升。根據資料調查顯示，某地區環境電磁輻射污染1991-2006年進行調查，該地區平均輻射強度增長17.5倍，年均增長率達12.1%。此外，根據有關資料調查顯示，某市部分居住社區的電磁輻射監測結果雖符合《環境電磁波衛生標準》的1級標準(小于5V/m)，但100KHz～3GHz頻率段的電場強度已接近容許場強值的上限，部分社區的復合功率密度出現個別值超標現象。
2.3 電磁輻射糾紛日益增多
近年來，公眾的輻射防護意識逐漸提高，對居住環境的電磁輻射暴露水平也更加重視，電磁輻射污染糾紛隨之逐年增多。引發電磁輻射污染糾紛的主要原因有:在社區建設移動通信基站、10kV變電站等電磁輻射設施;在社區附近建設高壓輸變電設施、電氣化軌道交通設施；房地產開發商隱瞞商品房周圍電磁輻射污染現狀，以及電磁輻射污染致人身傷害等。
2.4 電磁輻射設施環境敏感性日漸增強
城市和廣播電視通信技術的發展使電磁輻射設施與公眾的距離得以縮短，電磁輻射設施的環境敏感性隨之日漸增強，主要表現為：城市擴張使一些廣播電視和無線電通信發射臺逐漸被新建城區包圍，造成局部居民生活區場強較高；城市用電需求的增加及電網改造工程的實施使大量高壓輸變電設施進入城市市區，而且電壓等級不斷升高，其產生的工頻電磁場可能對公眾健康產生不利影響，此外其產生的噪聲可能干擾廣播和無線電通信；通信技術的發展使居民區被通信基站包圍，雖然單個基站的功率較小，但是大量的通信基站會使城市空域電磁場不斷增強，另外，高層建筑頂部建有的微波定向天線、衛星天線等，易造成對高層建筑的電磁污染；城市交通的迅猛發展使交通干線的電磁噪聲不斷加重，在車流量高峰時段的交通路口，電磁噪聲值可達44～50dBμV/m。
3 對策與建議
在利用電磁技術推進城市建設、創建便捷生活的同時，應以電磁輻射防護管理辦法與防護標準為依據，加強電磁輻射環境管理，優化電磁輻射設施布設，采取有效防護措施，以降低或避免電磁輻射對公眾健康和環境安全的不利影響。
3.1 不斷完善電磁輻射污染防治法規、標準
現行的《電磁輻射環境保護管理辦法》已不能適應當前電磁輻射監管的需要，而且其與廣電、通信等領域制定的相關法規無法全面兼容，因而適時制定與電磁輻射污染防治相關的專項法規勢在必行。該法規須在綜合考慮電磁輻射污染源及其輻射特性的基礎上，以風險預防為原則，以保護環境與公眾健康為出發點，建立健全城市電磁輻射環境容量控制制度、電磁輻射設施規劃制度、輻射設施環境影響評價制度、輻射環境監管與監測制度、輻射環境風險預防制度、輻射危害事件處理與報告制度、公眾參與制度等。
此外，為規范電磁輻射設施的輻射水平、提高電磁輻射環境監管能力，并為解決電磁糾紛提供標準數據支持，應加快出臺統一的電磁輻射防護國家標準。該標準應根據電磁輻射的危害性，并借鑒國外標準限值，在總結電磁輻射設施的輻射水平及我國城市電磁輻射環境質量現狀及發展趨勢的基礎上，統一《電磁輻射防護規定》與《環境電磁波衛生標準》中關于電磁場強度及功率密度的導出限值。同時，還應出臺相關電磁輻射安全管理導則，明確主要輻射設施的建造使用規范、管理要求、環境影響評價范圍等內容。
3.2 加強電磁輻射環境管理
為保護環境安全和公眾健康，促進各類電磁輻射設施的規范、有序發展，需切實加強對電磁輻射環境的管理。首先要嚴格執行國家相關法律法規及技術標準規范，落實電磁輻射設施環境影響評價制度、審批制度、“三同時”制度、監測制度、公眾參與制度等。其次要明確城市空域電磁波發展規劃，并將其納入城市建設總體規劃，合理布局電磁發射設備，防止造成城市空域局部電磁污染。實施區域電磁輻射環境容量控制措施，對可能造成周邊輻射環境污染的中短波發射臺實施異地搬遷，對微波天線等輻射源周圍的建筑物高度予以限制，控制室內微蜂窩基站天線的懸掛高度及影響半徑，如高度不宜低于2.3m，影響半徑約為1m，室外宏站與周邊敏感建筑的水平距離應保持30m等，高壓線兩側50m內不宜建設學校、住宅及醫院等環境敏感建筑。
3.3 采用電磁輻射控制技術
可以通過采取電磁輻射控制技術來防治電磁輻射污染。第一，通過產品設計、工程設計等方式有效減少電磁輻射，如在輸電線路設計中采取提高輸電導線對地高度、進行雙回路導線逆相布置、高低壓導線分層架設等方式，變電站的進出線在穿越居民區和人口密集地段時采用地下電纜布設方式。第二，通過優化設計減少基站數量并降低天線增益，如根據通信基站的發射功率、天線高度和方向圖、基站覆蓋區的邊界場強等條件對通信基站覆蓋區進行優化設計，在達到最佳地域覆蓋和最佳通話質量的同時，盡量降低天線增益，減少電磁輻射污染。第三，通過屏蔽輻射源降低電磁泄漏，可采取被動屏蔽、主動屏蔽方式對輻射源進行屏蔽，還可采用高頻接地方式將屏蔽體內產生的射頻電流導入大地，有效避免屏蔽體成為二次輻射源。第四，增加環境保護目標與電磁輻射源間的距離及綠化。研究表明，樹木具有吸收電磁能的作用，在電磁波的傳播路徑上進行植被綠化，可增加電磁波在傳播過程中的衰減。第五，采用濾波技術抑制電磁干擾，通過濾波線路將有用信號提取出來，同時阻截干擾信號通過。第六，開發利用防電磁輻射材料。利用防電磁輻射材料對電磁波的吸收或反射等特性，在建筑、交通、包裝、服裝等領域使用防輻射材料可有效衰減電磁輻射強度，如使用碳素系列和金屬系列等增強水泥基復合材料、防電磁波玻璃、吸收電磁波的涂料等用于建造房屋便可有效阻擋室外電磁波進入室內。
3.4 普及電磁輻射知識
城市空域及居室內廣泛存在的電磁輻射因其無色、無味、無嗅的特性容易被公眾忽略其存在的同時，也極易引起公眾的恐慌，進而導致發生電磁輻射糾紛事件。相關部門應積極開展電磁輻射知識宣傳工作，增強公眾的輻射防護意識，使其了解過量電磁輻射的可能危害，正確理解生活中人為電磁輻射的來源及其實踐的正當性、安全性，掌握如何降低居室電磁輻射的方法或防護方法。此外，相關部門在監管工作中要切實落實公眾參與制度，并充分發揮其監督作用，與廣大公眾及電磁輻射設施建造運營單位共創安全的城市電磁輻射環境。
參考文獻
關鍵詞：電磁輻射污染 電磁輻射污染機理 電磁輻射污染防范
1831年英國科學家法拉第應用電磁感應的方法,使磁場中的導體在一定條件下產生了感應電流。這是19世紀最偉大的發現之一,隨即世界上第一座發電站的建成標志著人類邁進了電磁輻射的應用時代。一百多年前,電磁輻射已經深入到了人類生活的方方面面,當今更是進入了一個電磁輻射的高利用時代。
不過,科學歷來都是一把雙刃劍,時代的進步常常是要付出一定代價的,這種二律背反的現象已經得到了歷史的多次驗證。人們在充分享受電磁輻射帶來的方便舒適的同時,也日漸感受到了它的負面效應。如各類各類辦公自動化設備、移動通訊設備、家用電器迅速進入我們的生活,提高了我們的工作效率,豐富了我們的精神和物質生活。就在我們的生活前所未有的便捷的同時,我們所使用的高科技產品所產生的電磁輻射,又成為繼室內空氣污染、放射性污染和噪音污染之后的又一室內環境污染。特別是近些年來,國內外媒體上屢屢報道的有關電磁輻射對人體有害,更是讓人們感覺到了來自電磁輻射的威脅,以致于很多人一提起它,就有一種莫名的痛恨和恐懼。
1 電磁輻射污染:
所謂電磁輻射污染是指高壓電、變電站、電臺、電視臺、雷達站、電磁波發射塔和電子儀器、醫療設備、自動化設備及微波爐、收音機、電視機、電腦、手機等工作時產生的各種不同波長頻率的電磁波。人體如果長期暴露在超過安全的電磁輻射劑量的電磁輻射下,細胞就會被殺傷或殺死。隨著信息技術產品的不斷豐富,電磁輻射污染已經成為危害人們工作和生活的輻射污染的重要類型之一。另一個方面,信息技術要依靠電磁波,而電磁波極容易擾和破壞,由此會帶來一些垃圾信息、有害信息的侵害,這也是電磁輻射污染的一個方面。電磁輻射會造成所謂的“電磁污染”,人們也叫它電子“煙霧”或電子垃圾,即電磁輻射的強度超過人體或環境所能承受的限度所產生的危害現象。它無色、無味、無形、無蹤,無任何感覺,可穿透包括人體在內的多種物質,無處不在,被科學家稱為“電子垃圾”或“電子輻射污染”,有專家稱這是繼大氣污染,水污染和噪音污染的第四污染。
2 電磁輻射對人體作用機理
人體是導體,可以吸收電磁場的能量。在電磁場的作用下,人體的分子會發生取向排列,在分子排列過程中相互碰撞消耗磁場能而轉化為內能,引起熱效應。電磁場強度越大,則熱效應越明顯;電磁振蕩頻率越高,熱效應越明顯,即電磁輻射對人體的作用:微波>超短波>短波>中波>長波。而且干擾人體生物電信息的傳遞。科學實驗已表明,電磁輻射污染對人體的危害主要為兩個方面——致熱作用和非致熱作用。
致熱作用致熱作用是指電磁波穿透生物體表層,直接對肌體內部組織“加熱”(如同微波爐加熱食品一樣),即在高頻電磁波作用下,物質的溫度會發生改變。高頻電磁波的致熱作用會對生物體產生影響,從而對人體造成嚴重的傷害,導致乳腺癌、陽痿、流產、胎兒畸形等疾病。
非致熱作用非致熱作用主要是指電磁波對人體植物神經系統的危害,造成心悸、脫發、心動過緩、血壓降低和婦女月經失調等疾病。有一個典型的實驗是這樣做的:從雞雛、貓的體內摘取出大腦皮質,用調制后的特高頻、甚高頻電磁波對其進行照射,發現有鈣離子析出。鈣離子是生物體內信息傳遞、免疫系統工作和細胞繁殖不可缺少的物質,它的濃度變化必然會對生物體產生影響。
3 生活中電磁輻射污染的防范
現代生活,處處離不開與電子設備打交道。能制造電磁輻射污染的污染源無處不在,電腦、打印機、復印機、手提電話、無線電儀器等無不產生對身體不利的電磁輻射波;與日常生活有關的如電視機、音響、洗衣機、電冰箱、空調、微波爐等均能產生各種數量不等的電磁干擾,我們如何防護呢?
生活中怎樣才能防止和減少室內電磁輻射污染呢?中國室內裝飾協會室內環境監測中心的專家提醒大家注意以下幾點:
在購買電子產品是應注意證實該產品是否已經通過了CCC認證(國家對電子電磁兼容性的安全認證);盡量減少對高輻射產品的使用;盡量使用低輻射的產品,如低輻的電視機、微波爐、電腦等;盡量使用坐機撥打電話,少用手機撥打電話。手機接通瞬間釋放的電磁輻射最大,最好在鈴聲響過一兩秒或兩次鈴聲之間接聽,使用時頭部和手機天線的距離盡量遠一些。
有人說了,不買家電或是有也束之高閣不再用,污染不就沒有或減少了嘛。好倒是好,可是要沒了它們,咱們的生活就該倒退回從前的艱苦時代了。恐怕沒人愿意放棄好生活而去過苦日子吧,多學幾招防范措施才是現實可行之策。例如:
不要把家電擺放得過于集中,以免使自己暴露在超限量輻射的危險之中。特別是一些易產生電磁波的家電,如電視、電腦、冰箱、收音機等,最好不要集中擺放在臥室里。
要避免長時間使用家用電器、手機等,還要盡量避免同時啟用多種家電。與家電保持安全距離很有必要。距離越遠,受電磁波侵害就越小。
彩電的安全距離是熒光屏寬度的5倍左右,日光燈為2～3米,微波爐開啟之后要離開至少1米遠,孕婦和小孩應盡量遠離微波爐。電器暫停使用時,最好不讓它們處于待機狀態,因為此時可產生較微弱的電磁場,長時間也會產生輻射積累。
還有一招就是吃東西。多食用胡蘿卜、豆芽、西紅柿、油菜、海帶、卷心菜、瘦肉、動物肝臟等富含維生素A、C和蛋白質的食物,加強機體抵抗電磁輻射的能力。
居住、工作在高壓線、雷達站、電視臺、電磁波發射塔附近的人,佩帶心臟起搏器有條件的應配備阻擋電磁輻射的屏蔽防護服。
電視、電腦等有顯示屏的電器設備可安裝電磁輻射保護屏,使用者還可配戴防輻射眼鏡。顯示屏產生的輻射可能導致皮膚干燥,加速皮膚老化甚至導致皮癌,因此在使用后應及時洗臉。
油菜河水庫位于貴州省安順市龍宮風境區上游9km，距安順市約13km，是安順市唯一的一座中型水庫，是一座集灌溉、發電、防洪、供水、養殖、旅游為一體的多功能綜合利用的龍頭水庫。該水庫是在強巖溶地帶堵洞筑壩建庫。水庫正常高水位1290m，總庫容5960×104m3，壩高41m，壩型為漿砌石單曲拱壩。發電引水隧洞洞軸線穿行于溶蝕洼地、峰叢洼地、峰林谷地之中，引水隧洞開挖至0+620時，掌子面突發涌泥現象，洞渣封堵施工面至樁號0+730m，在此過程中，施工方共計清理塌方淤泥1450m3以上，清理長度為100m(0+730～0+630樁號之間)。此后，掌子面再次突發涌泥現象，由于擔心掌子面再次發生涌泥現象產生較大的人員傷亡，目前處于停工狀態。經專家研究決定，初步采用改線方案。本次電磁波CT探測查明巖溶洼地新改線處巖溶發育情況。
2工程地球物理勘探技術應用
2.1基本原理鉆孔電磁波CT技術基本原理借助于醫學CT技術。醫學CT技術是利用X射線掃描人體切面，經計算機處理顯示人體病灶的精確圖像。依據這一理論，當要研究兩鉆孔間巖體內構造時，在一鉆孔內發射電磁波，而在另一鉆孔內接收電磁波進行斷面掃描，經地球物理反演計算，就可重建目標體的二維圖像。井中電磁波CT層析資料的解釋基礎是基于不良地質體與其完整圍巖吸收系數的差異，而破碎帶、溶洞或溶蝕裂隙等都可以形成吸收系數差異較大的非均勻體，產生出局部高吸收系數異常，從形態和大小上易于識別。因此，跨孔電磁波透視在孔間可以較好地探測不良地質體，確定空間位置和形態。
2.2數據處理方法與技術資料處理是在微機上完成的，處理流程為:數據傳輸到計算機建立成像區域坐標系形成CT輸入數據層析反演成像成圖。1)CT輸入數據的形成。對每對跨孔剖面的原始數據輸入到微機，按建立的坐標系形成CT輸入數據文件。這次野外采集工作中，以孔口高程最高的孔為坐標原點，X軸沿水平方向為孔間水平距離，建立坐標系形成CT輸入數據。2)層析反演。CT輸入數據直接送至EM－SYS層析成像軟件處理流程中，進行電磁波層析反演，其計算過程如下:由電磁波理論知道，在各向同性均勻巖體中，當在一鉆孔中發射電磁波，另一鉆孔中接收電磁波時，若發射天線長度遠小于兩鉆孔間距離，則接收到的電磁波場強為:E=E0fS(θS)fr(θS)R－1.exp(－∫Lβdl)(1)式中:E0是發射擊天線初始輻射常數;E為相距R處接收到的電場強度;fS(θS)和fr(θS)分別是發射和接收天線的方向函數;θ為天線的輻射角度;L為射線路徑;dl為積分元;β為介質的吸收系數。經變換:InA=In［E0fSfr(ER)－1］=∫Lβdl(2)對于式(2)中的投影函數A進行圖像重建可求出目標函數β。具體算法即把圖像劃分成M個互不重疊的像元，以各像元內的重建結果組成數字圖像:∑DijXj=Yi式中:Dij為第i條射線在第j個像元中的長度;Yi為第i條射線迭代計算值與實測值之差;Xj為要求的第j個像元中的衰減系數β。上述方程實際上是求解一個大型稀疏矩陣議程組。具體算法有:反投影法(BPT)、代數重建法(ART)、聯立迭代重建法(SIRT)和正交變換投影法(LSQR)等等。本次反演方法為聯立迭代重建法。3)層析成像成圖。最終層析成果采用GoldenSurfer繪圖軟件，顯示每對跨孔聲波層析成像圖。層析結果采用統一格式成圖，在二維斷面上，發射孔孔口位于區域左側坐標原點，以孔口高程取代Z軸0點。水平方向X軸向右表示為跨孔水平距離。將層析反演輸出數據輸入至成圖軟件，形成二維區域網格化文件。然后再將網格文件送入成圖程序，獲得層析成像圖。
3工程地質物理勘探技術應用成果
評析經上述數據處理，結合鉆探、地質調繪成果得出本次物探解釋成果，現將本次物探勘察成果分述如下:
1)ZK1－ZK2剖面:本剖面見4處電磁波高吸率異常，其電磁波吸收系數均大于0.4dB/m，說明電磁波在穿透過程中急劇衰減，結合鉆探分析，推斷4處0.4～0.6dB/m的異常區域為節理裂隙發育帶，帶內巖體完整性較差;推斷2處大于0.6dB/m的異常區域為溶蝕裂隙發育帶，帶內巖體破碎，完整性差，局部形成小規模巖溶。由于異常主要集中在孔深25m以上，對隧道施工及安全運行影響較小。吸收系數小于0.3dB/m的區域巖體完整性較好。
2)ZK2－ZK3剖面:本剖面見3處電磁波高吸率異常，其電磁波吸收系數均大于0.4dB/m，說明電磁波在穿透過程中急劇衰減，結合鉆探分析，推斷2處0.4～0.6dB/m的異常區域為節理裂隙發育帶，帶內巖體完整性較差;推斷2處大于0.6dB/m的異常區域為溶蝕裂隙發育帶，帶內巖體破碎，完整性差，局部形成小規模巖溶。由于下部兩異常在新改線隧道附近，對隧道施工及安全運行有一定影響，因此需采取相應的工程措施處理異常洞段。吸收系數小于0.3dB/m的區域巖體完整性較好。
3)ZK4－ZK3剖面:本剖面見2處電磁波高吸率異常，其電磁波吸收系數均大于0.4dB/m，說明電磁波在穿透過程中急劇衰減，結合鉆探分析，推斷2處0.4～0.6dB/m的異常區域為節理裂隙發育帶，帶內巖體完整性較差;推斷2處大于0.6dB/m的異常區域為溶蝕裂隙發育帶，帶內巖體破碎，完整性差，局部形成小規模巖溶。由于下部異常在新改線隧道附近，對隧道施工及安全運行有一定影響，因此需采取相應的工程措施處理異常洞段。吸收系數小于0.3dB/m的區域巖體完整性較好。
4)ZK4－ZK5剖面:本剖面見4處電磁波高吸率異常，其電磁波吸收系數均大于0.4dB/m，說明電磁波在穿透過程中急劇衰減，結合鉆探分析，推斷4處0.4～0.6dB/m的異常區域為節理裂隙發育帶，帶內巖體完整性較差;本剖面未見大規模巖溶破碎帶發育。由于下部異常在新改線隧道附近，對隧道施工及安全運行有一定影響，因此需采取相應的工程措施處理異常洞段。吸收系數小于0.3dB/m的區域巖體完整性較好。
5)ZK5－ZK6剖面:本剖面見3處電磁波高吸率異常，其電磁波吸收系數均大于0.4dB/m，說明電磁波在穿透過程中急劇衰減，結合鉆探分析，推斷3處0.4～0.6dB/m的異常區域為節理裂隙發育帶，帶內巖體完整性較差;本剖面未見大規模巖溶破碎帶發育。由于下部異常在新改線隧道附近，對隧道施工及安全運行有一定影響，因此需采取相應的工程措施處理異常洞段。吸收系數小于0.3dB/m的區域巖體完整性較好。
4結語
【關鍵字】經濟 環境 高壓輸變電 電磁輻射 電磁污染
電磁輻射對于人身和環境的影響越來越受到人們的關注。近年來，隨著城市規模的擴大，高壓輸電線路的敷設越來越多，輸電線路與居民區之間的距離也越來越近，人們開始關注城市的電力設施是否會影響市民的身體健康等問題。從而輸變電工程電磁輻射減緩措施及提出相應的新技術也已成為重要的研究內容。
1 電磁輻射及電磁輻射污染
變化的電場會激起變化的磁場，而變化的磁場又可以產生變化的電場，電現象與磁現象緊緊地聯系在一起。這種交替產生的具有電場與磁場作用的物質空間，稱為電磁場。電磁輻射是指以電磁波形式通過空間傳播的能量流，且限于非電離輻射。帶電體在其周圍產生電場，電流通過的導體在其周圍產生磁場，隨時間變化的電場和磁場會產生相應的磁場和電場，在低頻（100kHz）情況下為靜電感應或磁感應，在高頻（100kHz）情況下，隨時間變化的電場和磁場互相耦合，并以一定的速度向前傳播從而形成電磁波。電場、磁場和電磁波存在的空間稱電磁場，凡是通過空間傳播的電磁效應稱為電磁輻射。事實上，在低頻條件下為靜電感應或磁感應，在高頻條件下才是真正的電磁輻射。
所謂電磁輻射污染，是指人類使用產生電磁輻射的器具泄露的電磁能量傳播到環境中，其量超出本底值，且其性質、頻率、強度和持續時間等綜合影響對環境及人類活動與健康等造成危害。1972年首次人類環境會議向全人類提出保護我們生存環境的必要性和重要性，并將電磁輻射寫進“廣泛國際意義污染物的控制與鑒定”一文中“造成公害的主要污染物”一覽表中。
2 電磁輻射的危害
研究表明，電磁波的致病效應隨著磁場振動頻率的增大而增大，頻率超過10萬赫茲以上，可對人體造成潛在威脅。人們在這種環境下工作和生活過久，由于受電磁波的干擾，人體組織內分子原有的電場會發生變化，給組成腦細胞的各種生物分子以一定程度的破壞，制造出一些非生理性的神經遞質。人體如果長期暴露在超過安全的輻射劑量下，人體細胞就會被大面積殺傷或殺死。
電磁輻射對電器設備來說是一種干擾，電磁輻射可以使測量儀器性能變低，使電子開關或繼電器工作失常，使無線電接收設備出現噪聲，如電視機圖像聲音變差，收音機信號不好等，干擾黨、政、軍機關的無線電設備，使病人心臟起博器停止工作等。
3輸變電工程電磁輻射減緩措施
減少電磁輻射或泄露的措施很多，如屏蔽、濾波、接地、布線、輻射吸收等技術，都可最大限度地減少污染。電磁場的防治工作可從源強、傳播途徑和接受體三個環節進行。
3.1源強。對于輸電線路，通過控制高壓輸電線路下的工頻電場強度值，可有效地防止靜電感應的產生。根據輸電線路跨越農田、公路、航道和民房等不同情況，可采取優化輸電線路電壓等級、增大導線對地距離、采用三角排列、減少相間距離、減小分裂導線根數、采用雙回路線路逆相序排列、提高導線光潔度等一系列措施降低輸電線路下的空間場強及輸電線的靜電效應影響。例如：增大導線對地高度，初始時可顯著減小場強；減小導線相間水平距離對減少地面附近一些場強較為有利；導線呈三角形排列比水平排列對減少地面附近場強更有利；對同塔雙回或多回路線路，穿越城鎮居民區時，應盡量采用逆相序排列，以達到有效減小路線下方電場的目的；在高壓輸電線路下方同桿增設低壓線路，并且高、底壓線路采用不同的相序設置，不但能降低場強，同時可以大大提高走廊的利用率，節約土地資源，這在人口密集區是一種優化的線路布置方式，是一項有價值的研究課題；高壓輸電線路下，表面積很大的金屬物必須良好地接地，否則會對人產生電擊。
對于變電站可采取以下措施減緩電磁輻射：①對于電磁污染較嚴重的電抗器，可采用干式鐵芯電抗器代替，同時在電抗室用非導磁材料加以屏蔽。干式鐵芯電抗器不易燃，不漏油，體積小（占地面積僅是相同容量的空心電抗器的30%～50%），便于維護，有鐵芯結構，漏磁小，對周圍環境的電磁污染小，適合于城市變電站。②各電壓等級的配電裝置應盡量采用開光柜及封閉式母線等，同時利用金屬罩的屏蔽作用降低電磁場強度。應采取措施減少變電站電氣設備的放電，如使用設計合理的絕緣子，控制絕緣子表面放電；減少因接觸不良而產生的火花放電；避免尖角和凸出物等引起火花放電產生高頻電場等。對的電氣設備同樣應采取有效的屏蔽措施。③變電站建筑物設計中采取適當的屏蔽措施，并保證電氣設備房間墻壁的厚度。
3.2 傳播途徑。可通過屏蔽線或屏蔽網等屏蔽辦法減小地面場強。屏蔽工頻磁場要比屏蔽工頻電場困難。常用金屬網和金屬板進行靜電屏蔽和交變電磁場屏蔽。同時還可利用建筑物及其內部所用材料的電磁場屏蔽作用減小地面場強。
同時，可在高壓輸電線路經過區域建立線路保護區。線路保護區的設計必須嚴格按設計標準進行。線路保護區設計標準見表1。
3.3 接受體。可采取遠離措施，如建議輸電線路、變電站250～300m規定范圍內不建住宅和人群密集的活動場所，在個人保護上為減少電磁場對人體的影響，居民應該盡量遠離電池場污染源區，在高強場區域內活動的維護人員可穿抗電輻射服裝等。
[關鍵詞] 電磁屏蔽材料；分類；發展前景；應用
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 05. 041
[中圖分類號] F273.1 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）05- 0067- 01
1 屏蔽材料分類
屏蔽是利用屏蔽體阻止或衰減電磁騷擾能量的傳輸，是抑制電磁干擾的重要手段之一。屏蔽有兩個目的：限制內部輻射的電磁能量泄漏；防止外來的輻射干擾進入。根據屏蔽的工作原理可將屏蔽分為以下三大類。
1.1 電場屏蔽
電場屏蔽主要是為了防止電子原件或設備間的電容耦合，它采用金屬屏蔽層包封電子器件或設備，其屏蔽體采用良導體制作并有良好的接地，這樣就把電場止于導體表面，并通過地線中和導體表面上的感應電荷，從而防止由靜電耦合產生的相互干擾。
1.2 磁場屏蔽
磁場屏蔽是抑制噪聲源和敏感設備之間由于磁場耦合所產生的干擾。磁場屏蔽是把磁力線封閉在屏蔽體內，從而阻擋內部磁場向外擴散或外界磁場干擾進入，為屏蔽體內外的磁場提供低磁阻的通路來分流磁場。
1.3 電磁屏蔽
電磁屏蔽主要用于防止在高頻下的電磁感應，利用電磁波在導體表面上的反射和在導體中傳播的急劇衰減來隔離變電磁場的相互耦合，從而防止高頻率電磁場的干擾。
2 電磁材料的具體運用
2.1 電磁材料在發射箱上的應用
用金屬材料做成的發射箱，其電磁屏蔽效果很好。這是因為當高頻電磁波射向導體表面后，會在導體中感應出一個高頻交流電流，此電流會形成一個新的電磁波，新形成的電磁波在導體內部與入射的電磁波相位相反，同時導體內電流的產生導致能量的消耗，結果導體內總的電磁場隨著深度呈現指數衰減趨勢，可用穿透深度表示電磁波的影響程度，穿透深度與入射波的頻率、材料的導電率和磁導率有關系。頻率越高、導電率越大、磁導率越大，穿透率越小，金屬的導電率都很高，因此有良好的電磁屏蔽效果，但由于金屬材料做成的發射箱成本高，重量也大，因此相當一部分發射箱采用了非金屬材料。
2.2 在火箭彈包裝中的應用
火箭彈的儲存要求是將其單獨存放，當存放在地面庫時應置于邊遠庫房，彈頭朝向空曠地。理論上講，這種儲存要求可以將火箭彈意外發火的可能性及危害程度降至較低點。單純地以改善儲存條件來減少火箭彈的意外發火是被動的方法。必須從火箭彈的包裝入手，切斷外界電磁危害對火箭彈的影響，徹底解決火箭彈的意外發火問題。
近年來生產的火箭彈包裝分為外包裝和內包裝兩部分。外包裝是采用角鋼焊接成框架的鐵籠式包裝，其主要作用是便于該彈種的裝卸搬運以及堆碼方便。但是，由于外包裝采用的是框架形式，內包裝還是在外而直接與外界接觸，因此外包裝起不到防止火箭彈意外發火的作用。
3 研究展望
將有機組分和無機組分在納米尺寸上相結合，設計和制備出具有各種獨特性質的雜化材料，一直是材料化學研究和努力的方向。溶膠-凝膠合成技術，為實現材料的制備提供了可靠的實驗手段。無疑，光化學雜化材料展現出廣闊的應用前景。
從電磁屏蔽材料的發展來看，未來電磁屏蔽材料的發展趨勢主要有：①屏蔽材料內部結構優化、成型工藝改進，可以提高材料的綜合電磁屏蔽材料；②材料的非晶化和納米化，通過這兩種手段，可以對材料內部組織進行優化，甚至使材料內部晶粒細化到納米級別，從而可能產生質的飛躍，大大提高材料包括電磁屏蔽性能在內的綜合性能；③用工藝及結構的復合化改良材料的電磁屏蔽材料，例如將有機組分和無機組分在納米尺寸上相組合，制得各種性質獨特的雜化材料等。
電磁屏蔽材料在電子工業高速發展的時代是一種防止電子污染所必需的防護材料，是目前新技術發展領域中的新型化工材料。其電磁屏蔽性能及材料的物理機械性能將隨著我國電子工業的飛速發展而日益改善和提高。
摘要： 指出移動網絡的數據流量無法一直依靠增加基地臺的數組天線個數提升，認為電磁波在復雜的立體空間傳播所產生各種穿透與反射的波傳遞現象深深影響了數據流量。提出了可能的有效物理方法或路徑，用以克服高速移動、多媒體寬頻帶通信的諸多困難。
關鍵詞： 電磁理論；高速移動；多媒體；寬頻帶通信；遠場；近場
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電磁場與移動無線通信
伴隨3G的普及和4G無線移動通信的來臨，基站數目隨之增加，以滿足高速而大量的數據傳輸量。1990年的第2代移動通信數據傳輸率小于200 kbit/s，到2000年的第3代移動通信數據傳輸率小于2 Mbit/s，再到2010年的第4代移動通信，數據傳輸率可達到100 Mbit/s。這個趨勢可由香農信道容量理論來描述[1]：
[C=iMBilog21+PSPN] （1）
在（1）中， Bi是信道帶寬，PS是信號強度，PN是干擾強度。從調變技術的演進過程可看出，為了更有效地提高傳輸數據量，科學家已把調變方法從時間域轉到頻率域，再轉到碼域中。唯一可以繼續開拓的只有空間域了，可見將來5G的技術關鍵將是空間信道技術。通過增加每個基站的天線數或增加通道數Bi，或增加信號功率對雜波功率比，都可以增加信號通載量。而使用多輸入多輸出（MIMO）來增加無線基站的傳送數據能力，已是相當普遍的做法了。基站或基站天線數的增加，也已無法讓無線信道容量呈線性增加，甚至當天線增加到移動數量后信號容量也無法再提升。從上述觀察我們可看出現今的通信技術無論在硬件或軟件似乎達到某一極限。這對4G移動通信的改進以及未來5G移動通信的設計都蒙上一層陰影。是不是現今無線移動通信理論面臨無法突破的障礙？頻寬不足是真實的主因嗎？文章將從電磁理論與技術角度，探討電磁波傳導現象，并結合香農信道容量理論的實際使用狀況進行討論。
2 近場、遠場的電磁現象
及其影響
在香農信道容量理論中PS及PN是代表兩個標量（正實數），其前提條件是天線的輻射場是遠場。目前移動通信信道分析中普遍采用如下的一些假設：
?不考慮發射天線和接收天線的幾何尺寸。
?不考慮接收發射天線間的幾何走向，也就是假設接發收天線相互水平放置或垂直放置都不會對信道產生任何的影響。
?不考慮接發收天線幾何大小的不同。
?電磁波在空間的傳播是標量，可利用射線跟蹤法來估算多徑。
?天線輻射的電磁波是在自由無界的空間。
這時PS及PN所代表的物理量必須是遠場才有可能實現。如果是近場的情況，PS及PN是復數，此時香農信道容量理論無法代入復數量。
從電磁場理論可以知道，自由平面電磁波是一個矢量波，并且波的特征和天線的放置有關，但實際的天線都是假設在離地面一定高度的地方，而地面均被假設是一個良好的無限大導體。這時候除去射線跟蹤法中描述的LoS路徑外，還存在著許多其他的波傳輸路徑，最主要的是地面發射波和表面波。同樣，當天線輻射的電磁波照射到立體的建筑物表面時，也會產生反射波和表面波。無論是基站的設置或是室內Wi-Fi 接入點的架設，人們往往沒有考慮到上述的這些情形。
3 近場、遠場表面波
天線種類非常多，除了熟知的方向性天線如號角天線，電流流動雙極式天線、單極式天線或磁流流動的回路天線，另外還有貼片天線等[2-4]。這些不同的天線置于實際的無線通信環境中，其輻射場型（遠場）往往產生大幅變化。因為，有所謂的鏡像電流伴隨邊界條件而產生[5-8]。由于是矢量的電磁場，天線的輻射源和它的鏡像所產生的綜合場型會產生建設性或破壞性電磁輻射場，這使得遠場場型更加不易掌握。因此，天線的擺設，譬如極化方向、天線和周邊環境的物理距離，譬如天線Aperture，都會對遠場輻射產生很大影響[9-10]。有兩個值得注意的問題：（1） 多遠才是遠場？一般可用d > 2D 2/λ0來評估距離天線多遠才是遠場。其中，d代表物體距天線的距離，D代表天線的有效輻射面積，λ0代表天線操作頻率對應的波長。假設一個1.0 GHz雙極化天線懸掛在20 m空中，其遠場大約是2.67 km之外。我們可以推測，大部分時候，我們是在天線的近場范圍內工作。同時，天線也會激發出地面的表面波。表面波的存在，使電磁傳播在地表更復雜。雖然表面波的研究已有數十年了，但是它的存在對電磁無線通道的影響，迄今尚未有完整的研究。天線所發出的電磁波，入射到地表時，除了反射和折射外，地表的表面波也會和入射波一起作用。（2） 是否能對表面波多加利用？我們不僅可以增加通道，還可以改進無線移動通信品質。眾所周知，光是電磁波。太陽離我們很遠，可以假設成遠場合電源。即使如此，當陽光照射到水面時（水面這時候可以假設成理想導體表面），水中不僅僅是一個太陽的鏡像。我們常常看到一條太陽的帶子在水面上。如果把我們的眼睛當作接收天線（點源），我們除了接收到了太陽直射光線和鏡像光線（射線跟蹤法可以描述）外，還收到了水面表面波。
4 近場的波阻抗
天線在遠場時，有明確的輻射場型；而在近場時，它的輻射場型隨觀察點到天線的距離變化而變化[11-14]。因此，近場輻射場型是不確定的。利用精準全波電磁場論我們可計算在近場時，電磁波的傳播方向由電場（Et）及磁場（Ht）決定， 所呈現的波阻抗特性。波的阻抗（Z0）由電場（Et）除以磁場（Ht）計算得出。由于電場與磁場均為向量，包含大小與相位。因此，波的阻抗為復數值，不僅隨距離變化，也隨天線極化方向（或天線之擺設）、天線的性質、天線所處環境等等而有所不同，其特性類似于一般微小化天線的輸入阻抗特性。由此，如需要設置近場的天線，可借精密電磁估算出復數的波阻抗。由此，我們得以將天線電路系統優化。譬如采用共軛復數阻抗匹配來達到功率匹配目的，這和一般將天線輸入端視為某一正實數之阻抗匹配設計是截然不同的，也解釋了為什么實際使用香農信道容量理論一直無法達到它應有的理論的上限值。
5 陣列天線的模型
無線通信理論工作者及工程師，往往視天線陣列（兩支天線或更多）中的天線為標量輻射源，根據此假設推導出MIMO使用狀況的空間通道模型，而忽略了實際上電磁場的是運作在矢量場的狀況。雖然大量的文獻報導了天線（輻射源）與天線（輻射源）之間的藕合對通道的影響，但是卻忽略了它們是電磁信號源。無論何種形式，都是矢量信號源，必須考慮天線的極化現象，加上天線尺寸的大小和形狀[2]皆改變了電磁輻射場型。因此，只有準確地計算Maxwell方程式所描述的物理狀況才能讓陣列天線信號處理變得有意義。陣列天線的近場模型，不僅具有單一天線時的復數波阻抗，同時其藕合天線陣列自身也產生所謂多模的狀態。而任意被激發出的陣列天線信號，即是這種多模天線狀態的線性組合[15]。電磁場是一個矢量場的基本物理事實，一方面讓標量場假設所導出的信號處理方式變得過度簡化，另一方面也騰出一個大幅改進現今信號處理天線陣列的巨大空間，得以改善4G無線移動通信，或進一步研發更有效率的無線移動通信的空間使用，但這都可源自精確掌握實際電磁場的電路效應。
6 結束語
文章簡述了電磁波在無線電環境中如何扮演重要角色但又被忽略的情形。此現象若不予以適當改進， 則無法對信號處理進行最佳化設計。這是因為大幅度違背物理現象， 則不可能有最佳設計，因此無法讓無線電通道傳播更大量且更高速的數據。另一方面，用精確電磁計算得到的天線輻射模型，無論是近場或遠場，都提供了最佳化微波通信系統電路的解決方向，從而可大幅提升信號與雜波的比值（S/N）。因此，無線電通道和天線系統間電磁物理現象的掌握，對4G、5G等高速移動無線通信，會有重要的貢獻。
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【關鍵詞】電磁輻射； 危害； 防范
1 電磁污染源分析
什么是電磁污染？來自中國消費者協會的信息稱，電場和磁場的交互變化產生電磁波，電磁波向空中發射或匯汛的現象，叫電磁輻射。
影響人類生活環境的電磁污染源可分天然的和人為的兩大類。
1.1 天然電磁污染源
天然的電磁污染是某些自然現象引起的。最常見的是雷電，除了可能對電氣設備、飛機、建筑物等直接造成危害外，而且會在廣大地區從幾千赫到幾百兆赫以上的極寬頻率范圍內產生嚴重電磁干擾。火山噴發、地震和太陽黑子活動引起的磁暴等都會產生電磁干擾。天然的電磁污染對短波通信的干擾特別嚴重。
1.2 人為電磁污染源
人為的電磁污染主要有：（1）廣播電視發射設備：主要部門為各地廣播電視局：輻射特征為大功率定時全向發射；轉輸信號送至天線輻射出去。（2）通信雷達及導航發射設備：通信包括短波發射臺、微波通信站、地面衛星通信站、移動通信基站、專業通信網站、尋呼通信基站。通信、雷達及導航多為定向不定時發射，傳輸信號同樣通過天線輻射出去。（3）工業、科研、醫療高頻設備：該類設備把電能轉換為熱能或其它能量加以利用，某些設備例如切斷大電流電路時產生的火花放電，其瞬時電流變率很大，會產生很強的電磁干擾。它在本質上與雷電相同，只是影響區域較小。（4）電力系統電磁輻射：高壓輸電線包括架空輸電線和地下電纜；變電站包括發電廠（升壓站）和變壓器電站降壓站，它并不以電磁波形式向外輻射，但在近場區會產生嚴重電磁干擾。（5）交通系統電磁輻射干擾：電氣化鐵路、輕軌及電氣化鐵道、有軌電車、無軌電車等。（6）各種家用電器、電子設備、辦公自動化設備、移動通訊設備等電器裝置。只要它們處于操作使用狀態，它的周圍就會存在電磁輻射。
2 電磁幅射的危害
2.1 電磁幅射傳播途徑
電磁幅射是如何對人體產生影響的呢？電磁波由具有一定發射功率的電磁源產生，并通過空氣傳播，無色無味無形，進入人們的生活空間，可以穿透包括人體在內的多種物質，對人體健康構成一定威脅。
2.2 電磁輻射對人體健康產生的影響
據專家介紹，長期處于高電磁輻射環境下，可能會對人體健康產生以下影響：①對心血管系統的影響，表現為心悸，失眠，部分女性經期紊亂，心動過緩，心搏血量減少，竇性心率不齊，白細胞減少，免疫功能下降等。②對視覺系統的影響，表現為視力下降，引起白內障等。③對生殖系統的影響，表現為降低，男子質量降低，使孕婦發生自然流產和胎兒畸形等。④長期處于高電磁輻射的環境中，會使血液、淋巴液和細胞原生質發生改變；影響人體的循環系統、免疫、生殖和代謝功能，嚴重的還會誘發癌癥，并會加速人體的癌細胞增殖。⑤裝有心臟起搏器的病人處于高電磁輻射的環境中，會影響心臟起搏器的正常使用。
3 電磁幅射的防范
3.1 電磁輻射的一般防范
針對我們身邊接觸到的電磁輻射可能給消費者帶來的人身健康威脅，中國消費者協會鄭重發出2001年第9號消費警示，提醒廣大消費者：①多了解有關電磁輻射的常識，學會防范措施，加強安全防范。如：對配有應用手冊的電器，應嚴格按指示規范操作，保持安全操作距離等。②不要把家用電器擺放得過于集中，或經常一起使用，以免使自己暴露在超劑量輻射的危險之中。特別是電視、電腦、冰箱等電器更不宜集中擺放在臥室里。③各種家用電器、辦公設備、移動電話等都應盡量避免長時間操作。如電視、電腦等電器需要較長時間使用時，應注意至少每一小時離開一次，采用眺望遠方或閉上眼睛的方式，以減少眼睛的疲勞程度和所受輻射影響。④當電器暫停使用時，最好不要讓它們處于待機狀態，因為此時可產生較微弱的電磁場，長時間也會產生輻射積累。⑤對各種電器的使用，應保持一定的安全距離。如眼睛離電視熒光屏的距離，一般為熒光屏寬度的5倍左右；微波爐在開啟之后要離開至少一米遠，孕婦和小孩應盡量遠離微波爐；手機在使用時，應盡量使頭部與手機天線的距離遠一些，最好使用分離耳機和話筒接聽電話。
3.2 電磁輻射的特殊防范
人們如果長期涉身于超劑量電磁輻射環境中，應注意采取以下自我保護措施：（1）居住、工作在高壓線、變電站、電臺、電視臺、雷達站、電磁波發射塔附近的人員，佩戴心臟起搏器的患者，經常使用電子儀器、醫療設備、辦公自動化設備的人員，以及生活在現代電器自動化環境中的人群，特別是抵抗力較弱的孕婦、兒童、老人及病患者，有條件的應配備針對電磁輻射的屏蔽防護服，將電磁輻射最大限度地阻擋在身體之外。（2）電視、電腦等有顯示屏的電器設備可安裝電磁輻射保護屏，使用者還可配戴防輻射眼鏡，以防止屏幕輻射出的電磁波直接作用于人體。（3）手機接通瞬間釋放的電磁輻射最大，為此最好在手機響過一兩秒后或電話兩次鈴聲間歇中接聽電話。（4）電視、電腦等電器的屏幕產生的輻射會導致人體皮膚干燥缺水，加速皮膚老化，嚴重的甚至會導致皮膚癌，所以，在使用完上述電器后應及時洗臉。（5）多食用一些胡蘿卜、豆芽、西紅柿、油菜、海帶、卷心菜、瘦肉、動物肝臟等富含維生素A、C和蛋白質的食物，以利于調節人體電磁場紊亂狀態，加強肌體抵抗電磁輻射的能力。
無線通信 渦旋電磁波 軌道角動量 渦旋性
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
隨著無線通信技術的高速發展，無線通信系統所分配的頻譜變得異常擁擠，頻譜資源貧乏的問題日益嚴重，已成為無線移動通信與服務應用持續發展的瓶頸。為緩解頻譜資源與日益增長的無線業務需求之間的矛盾，認知無線電技術應運而生。但瑞典空間物理研究所Bo Thide教授等人另辟蹊徑，通過實驗將一束電磁波扭曲成一束渦旋電磁波，并提出了利用渦旋電磁波用于增大無線通信容量的設想。
2011年6月24日，Bo Thide教授研究團隊在意大利威尼斯的瀉湖展開了一個引人注目的實驗，證明利用電磁波的軌道角動量即通過扭曲電磁波，可大幅提升無線通信的容量。在通常情況下，同一頻率只能傳輸一路信息。而在此，他們通過對電磁波的不同軌道角動量進行編碼，即使在現實環境中，也可實現同一頻率（實際上是一個頻帶）傳輸多路信息，這就有可能大幅度提升現有的無線通信容量（帶寬）。理論上，即使在不使用偏振或密集編碼技術的情況下，這項新的無線通信技術也可在某一固定頻帶范圍內實現無限多的信道傳輸，這對解決日益突出的無線通信頻譜擁擠問題提供了一個全新的解決思路。
2 軌道角動量和渦旋電磁波
根據麥克斯韋的經典電磁理論，電磁場能同時運載能量和動量，其中動量又包括線性動量和角動量。線性動量與平動、力作用相關；角動量與轉動、扭矩作用相關。對于角動量來說，電磁場的總角動量J可分解成兩個部分，首先是軌道角動量L，它與空間分布有關；另一個是光子內在的固有的自旋角動量S，它與偏振有關，二者滿足J=L+S。一般意義上，一個沿著直線運動的小球沒有角動量，一個繞著Z軸旋轉的小球有角動量。因此，一個平面波中的光子是沒有軌道角動量的；而一個具有螺旋波前波中的光子是具有軌道角動量的。
軌道角動量的本征態具有相位因子為，軌道角動量的本征態可以表征為一個量化的拓撲荷，其中為任意整數（），表示繞光束閉合環路一周線積分為2π整數倍的個數。然而在大多數情況下，軌道角動量并不是一個整數值R。
非整數型軌道角動量分解成正交傅里葉級數表達式：
Z （1）
公式（1）表明：渦旋的拓撲荷通常有整型值，光束中的每個光子可以攜帶軌道角動量中任何整型值。
決定渦旋場的相位分布的是相位因子。渦旋光束具有柱對稱的傳播性質，這種光束中心光強為零，并且在傳播過程中也保持著此性質。渦旋光束的相位波前成螺旋狀，且其繞著渦旋中心旋轉。受到相位因子的影響，渦旋光束的相位波前繞渦旋中心旋轉一周，相位改變2π，并且相位波前在沿傳播方向上形成螺旋狀，它們都有螺旋狀的非平面波前結構，如圖1所示：
在圖1中，（a）（b）（c）（d）（e）分別表示拓撲荷為=+2，=+1，=0，=-1，=-2的五束光束的波前分布。
Bo Thide教授等人從光學渦旋中得到啟發，借鑒了光學渦旋產生的方法，提出了渦旋電磁波這個概念。
最簡單的電磁波有一個波前，波峰和波谷可以連接在一個虛平面上，與波的傳播方向垂直。但是如果波束被扭曲了，波前會以螺旋狀態旋轉于波的傳播方向，產生一個渦旋，而且波前中心的場強為零。物理學家把這種扭曲的波束稱作渦旋電磁波，它是具有連續螺旋狀相位的電磁波。
3 電磁波渦旋性的實驗驗證
渦旋是在電磁輻射中普遍存在的一種現象。當電磁波中存在著類似于晶體的“螺旋式缺陷”時，波前會繞其傳播方向以螺旋方式產生旋轉，形成螺旋形的波前，非常類似于流體中的渦旋現象。早在19世紀30年代，George Biddell Airy就觀測到在透鏡焦平面處有反常的光環存在。1952年，Braunbek和Laukien在一束平面波和其經半反射屏反射光束的干涉場中發現了渦旋。1989年，Coullet等開始對激光腔中的非線性光學渦旋產生了興趣，并首次引入“光學渦旋”（Optical Vortices）這一術語。1992年，Allen等人證明在近軸傳播的條件下，具有相位因子的光束（即光學渦旋）具有的軌道角動量。1995年，He最早觀察到光學渦旋軌道角動量對粒子的傳遞，實現利用光渦旋操縱微小粒子。2004年，Fischer對部分相干光（謝爾光束）聚焦場的相關特性作了分析，發現在焦面也存在有相干渦旋。
2011年5月，瑞典空間物理研究所Bo Thide教授和其意大利同事小組在實驗室環境中開展實驗，證明渦旋電磁波的存在。他們利用一種通常用于長距離通信的無線路由器天線發射電磁波，通過一個離天線數米遠的八級螺旋階梯狀結構的反射器（見圖2）來反映電磁波的情況，要求反射器的軸線與電磁波束平行。他們的中心思想是當電磁波入射到反射器后，波前的不同區域會反射到不同的階梯上，從而引起相鄰部分的反射有一個相對延遲，進而導致波前扭曲，并且會在反射器上顯現形狀。
圖2 八級螺旋階梯狀結構的反射器
圖2中八級螺旋階梯狀結構的反射器由聚苯乙烯泡沫塑料塊制作而成，修剪成有八級階梯狀的結構。除了-45°方向（此處的相位階躍為+2π），反射器的每一個階梯引入一個（-π/8）的依次局部間斷的相位階躍。
如果說反射器上有N個離散的階梯并出現了一個表面距離ησ，那么波長為λ的電磁波的軌道角動量可以表示為：
（2）
其中，ησ=-6.22cm，λ=12.49cm（f=2.40GHz），取N=8。通過公式（2）可以計算出一個非整型的軌道角動量值為：α≈-1.12。
4 渦旋電磁波的發送與接收
為了讓他們的科研成果更具有說服力，Bo Thide教授研究團隊在意大利威尼斯的瀉湖向公眾演示他們的實驗結果。實驗證明，在現實環境中可以實現兩列不相干的電磁波以相同的頻率傳播，但以不同的軌道角動量編碼，同時在兩個獨立的無線電信道中傳輸。
實驗略圖和原理圖如圖3、圖4所示：
圖3從左到右依次是：發射天線、渦旋電磁波、接收天線A和B、電磁波的奇點。實驗中接收天線之所以這樣放置，是為了便于電磁波的奇點位于接收天線AB的基線中間位置。
實驗所用的發射裝置包括16.5dBi增益的商業Yagi–Uda天線和直徑d為80cm、26dBi增益的螺旋狀的拋物面天線。它們產生并發送了兩束正交的電磁波，其拓撲荷分別為=0，=1。拓撲荷=0的電磁波由Yagi–Uda天線產生，而拓撲荷=1的電磁波則由螺旋狀的拋物面天線發出。
接收裝置包括兩個商業音頻/視頻可協調接收器。兩個接收器直接與兩個相同的16.5dBi增益的Yagi–Uda天線A、B相連，且兩天線調諧到2.4GHz，兩者之間的間距控制在4.5m。其中所有天線都具有水平偏振。天線A、B通過加法器模塊與180°相移電纜相連是為了構造成相位干涉儀。
由于有Wi-Fi等其他資源的存在，在接收端利用這樣的接收天線就是為了最大可能減少現實環境中的電磁干擾。利用發出的兩束電磁波的波前相位特性的不同，天線A可自由選擇其中的某束電磁波，而天線B只能在正交的水平方向移動。其水平和豎直方向線性動量的波瓣輻射圖如圖5所示。
干涉儀測量天線A、B之間的相位差，表征了電磁波的空間相位特性，實際上就是渦旋電磁波場的“指紋”。為了區分電磁場的兩種不同的空間模式，天線A、B和電磁波奇點應該在同一直線上，其中奇點位于天線A、B的中點位置。如果這樣，拓撲荷=1的電磁波會兩天線之間產生180°的相位差，隨后補償延遲，將會產生一個最大場強。然而，拓撲荷=0的電磁波在相同的裝置實驗下，則有0°的相位差，產生一個最小場強。
5 結束語
本文綜述了渦旋電磁波的產生、發送、接收機理，及其在無線通信中的應用。雖然Bo Thide教授和其意大利同事小組開展實驗證明了通過扭曲電磁波即產生渦旋電磁波用于無線電通信可以大幅度提高通信容量，能給無線電通信帶來革命性的影響。但是渦旋電磁波在無線電通信中的應用研究中還存在一些問題：
（1）大氣湍流（引起信號的振幅和相位擾動）很可能限制電磁波束的扭曲程度，從而限制可用信道的數目；
（2）脫離實驗室的實驗設備，普通的通訊設備如何產生渦旋電磁波、如何做到設備的集成化；
（3）諸如手機、平板電腦之類的移動設備如何發射渦旋電磁波，因為每個通信信道都需要獨立的螺旋發射器。
針對上述問題，Tamburini教授已經設計并模擬證明了一個并不要求每個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統并申請專利保護。但是今后的研究重點還應放在以下三個方面：
（1）渦旋電磁波軌道角動量的產生、精確控制和測量是很有挑戰和實驗價值的工作；
（2）在渦旋電磁波上的編碼原理有待進一步研究；
（3）如何向一個正在移動的裝置發送和接收渦旋電磁波上依舊是一個需要攻克的難題。
作為一項新技術，渦旋電磁波在無線電通信中的應用還面臨許多問題，但隨著研究的不斷深入，相信這項新技術會讓無線移動通信實現新的突破。
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關鍵詞 電磁場與電磁波 電磁學 區別 教學銜接
中圖分類號：G648.2 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2016）15-0004-02
一、引言
“大學物理”是我國高等院校理工科類非物理專業的必修基礎課，其主要目的是為后續的專業課學習打下基礎。“電磁場與電磁波” 是高等院校電子類和通信類專業的重要專業基礎課程，主要學習電磁場與電磁波的基本屬性、運動規律及相應工程應用等內容，但前期基礎就是“大學物理.電磁學”（后簡稱“電磁學”）的核心內容，但在知識內容的深度、廣度及實用性方面都有加深和拓展，同時也存在內容重疊的部分。為了避免“電磁場與電磁波”在教學過程中與“電磁學”中知識內容的重復，讓學生更好地學好“電磁場與電磁波”課程的核心內容，應分析 “電磁學”與“電磁場與電磁波”的區別，并規劃好二者的教學銜接問題，提高教學效率，保證教學質量。
二、教學銜接問題
“電磁場與電磁波”與“電磁學”這兩門課程從內容上來看都會涉及到電磁運動基本理論和電磁波相關理論，從研究的對象來看，本質區別不大。但是由于它們在教學目標上的區別，導致教學內容上也存在很大的差異，因此我們應在教學方法、教學重點和教學思路上區別對待，并做好教學銜接，提高教學效率，改善教學效果。
1.教學目標的銜接。“電磁學”課程一般在大學一年級開設，其作為一門通識性基礎課程，主要對電場、磁場、電磁波的基本概念、基本規律和基本方法進行學習和理解，為學生以后專業課程的學習打下堅實的基礎。“電磁場與電磁波”是工科類高校電子工程、信息工程、通信工程等專業學生的必修課程，是信息技術的理論基礎，是電子信息大類專業學生的基礎知識部分。在課程定位上，其作為專業基礎課，將為后續“微波技術”“射頻通信電路”“電信傳輸理論”等專業課的學習奠定基礎。因此，相對于“電磁學”這門公共基礎課而言，其教學目標不同。通過該課程的學習，讓學生建立電磁場的概念，認識電磁場的物質性，掌握電磁場運動的基本規律，理解麥克斯韋方程的表達形式及其物理意義，并讓學生掌握一些典型電磁場問題的數學建模與求解，使學生能夠用“場”的觀點去思考、分析和計算一些簡單的電磁場基本問題。這將對學生的數學功底、邏輯推理、理性思維能力有一定的拓展。可以說，兩門課程在教學目標上是一個由低到高的層次遞進關系。
2.教學內容的銜接。從教學內容上看，“電磁學”課程介紹了靜電場的基本性質、穩恒磁場的基本規律、電磁感應的基本規律，并簡單地引出麥克斯韋方程組，至于時變電磁場、平面電磁波、傳輸線、波導、天線等問題均未涉及。故它只是從“靜態”的觀點對電磁場的基本問題進行講解，使學生從整體上對電磁場有一個初步認識。而“電磁場與電磁波”作為電子信息大類專業不可或缺的專業基礎課，內容豐富的同時，難度也有所增加。它包括“電磁場”與“電磁波”兩大部分的核心內容。“電磁場”部分是在“電磁學”課程的基礎上，運用矢量分析描述靜電場、恒定電流場和靜磁場的基本物理概念，在總結基本實驗定律的基礎上給出時變電磁場的基本規律，引出邊界條件，學習靜電場問題的求解方法，如鏡像法、分離變量法等。“電磁波”部分主要介紹電磁波在真空和介質中的傳播規律以及天線的基本理論。具體內容包括平面電磁波、傳輸線理論、導行電磁波以及電磁波輻射等部分。即這部分內容主要從“動態”角度描述和分析電磁波。可見，在教學內容上，“電磁場與電磁波”課程相對于“電磁學”課程不是簡單的重復，而是知識體系的遞進關系。
3.教學方法的銜接。“電磁學”課程的知識相對簡單，很多概念和規律都是在實驗基礎上，通過學生的感性認識后抽象出物理模型而建立起來的。而“電磁場與電磁波”課程卻側重于利用矢量分析和場論等數學工具，對物理模型所滿足的物理規律進行嚴格的理論推導，得出合理的結論，形成完整的理論知識體系。因此，在教學中我們應該有意識地引導學生從“形象思維”向“抽象思維”轉變與過渡，引導他們通過理性的思考、嚴密的分析、邏輯的推理來學習和理解電磁波傳播的內在規律。在理論學習的同時，輔助以一些仿真（HFSS、CST、MATLAB等）和演示驗證性實驗，加強對電磁波現象和規律的理解。這樣才能在教學方法上對兩門課程進行良好的銜接，改善教學效果。
三、結語
本文從教學目標、教學內容、教學方法上分析“電磁場與電磁波”與“電磁學”兩門課程的區別，找出它們之間的切入點，在教學過程中對兩門課程進行良好的銜接、承前啟后，使學生在知識上自然過渡，樹立學習的信心，提高“電磁場與電磁波”課程的教學效率， 保證課程的教學質量，具有一定的參考價值。
參考文獻：
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[2]林相波，劉軍民.“電磁場與電磁波”課程教學中的幾點思考[J]. 電氣電子教學學報. 2009，31（2）：95-97.
關鍵詞：仿真軟件；優化；可視化
中圖分類號：TP391.7 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）04-0792-03
電磁場與電磁波課程是電子信息科學專業學生必修的一門重要的專業基礎課程，該課程理論性強，相關定理模型抽象。由于電磁場、電磁波看不見、摸不著，傳統教學基本依據公式推導出其傳播特性、存在狀態等特性，抽象的定律、嚴密的數學推證令學生望而生畏。整個教學過程既難教又難學，而近幾年該課程在教學內容不變的情況下課時卻不斷被壓縮。因此，如何在教學過程中把握重點、弱化數學比例、優化課程結構成為課程改革重點。
結合長期積累的教學經驗，修改教學文件，將仿真軟件引入電磁場與電磁波的教學中，把課程中抽象概念定理以三維模型的形式直觀的展示給學生；利用軟件模擬各種電磁波分布形式、波導結構和自由空間電磁波的特性等，并能動態模擬電磁波的傳播和輻射特性；利用軟件簡化數學計算，減少公式推導過程；還可以設計電磁仿真實驗，把理論教學和仿真實驗教學有效結合起來，加深學生對理論知識的理解，收到了較好的教學效果。
1 仿真軟件在教學中應用
1）基本概念、定理定律的仿真演示。本課程涉及較多的定理，庫侖定律、安培力定律、高斯通量定理、安培環路定律等定理是研究電磁場的基礎，電磁場的理論基礎麥克斯韋方程組也是由這些定理上推導總結出。以往在講解過程中，公式繁雜， 推導多， 學生用大量的時間理解定律模型、復習數學知識，浪費大量學時，反而忽略了對概念本身的理解。利用仿真軟件將這些定理動態演示，將復雜的電磁場理論通過演示的方式表示出來，結果清晰、直觀的表現出了各種電磁場模型的特性，形象、直觀、便于理解，它不僅可以激發學生的學習興趣，而且加快學生理解速度提高了教學質量。
2）電磁場和電磁波的存在形式、特性分布等內容的圖示化。課程中涉及較多的求解場量分布、特性等內容，以往教學中推導出結果都是數學公式，對數學知識薄弱和空間思維差的學生而言整個教學過程就像解數學題、而與場無關。我們利用軟件將常見的場量分布形式圖形化，根據源的不同分布求出不同場圖，繪制矢量線（電力線、磁力線）、等值線（等位線）、箭頭圖等，以幫助學生更好地理解場。例如電偶極子的電場分布、同軸電纜電場分布、均勻平面電磁波傳播、球面電磁波傳播、矩形波導傳播時電磁場特性等。
3）計算方式的簡化。課程在求解問題時，經常會涉及復雜的數學計算過程，利用軟件強大的仿真功能，將計算過程簡化，運用符號運算功能進行數學公式推導，根據數值計算功能進行習題求解等，節約授課時間，提高教學效率。如電磁場中梯度、散度、旋度問題、求靜態邊值時有限差分法、有限元法、鏡像法等。
2 具體應用實例
隨著計算機的快速發展，近幾年出現了大量的電磁場和微波電路仿真軟件，如美國ANSOFT公司的HFSS（高頻電磁場仿真）、MATLAB、ANSYS等軟件。這些軟件功能強大、界面友好，編程簡潔、效率高，特別適合于教學演示和學生實踐，用戶可以在短時間內掌握其主要內容和基本操作。下面我們簡單介紹幾個具體應用實例：
1）鏡像法
鏡像法是一種求解邊值問題的間接方法，其基本原理是：用放置在所求場域之外的假想電荷（即像電荷）等效的替代導體表面（或介質分界面）上的感應電荷（或極化電荷）對場分布的影響，從而將求解實際的邊值問題轉換為求解無界空間的問題。利用軟件仿真孤立電荷產生的場和像電荷產生場以及疊加后的場，電荷電量、導體半徑等參數可根據實際情況輸入。下圖為半徑為2電荷為4時產生的場圖。
2）矩形波導傳播
課程在講解矩形波導傳播時，電磁場分量公式表示如公式所示。
讓學生根據公式理解其傳輸特性比較困難。通過Matlab 計算并繪出任意時刻金屬矩形波導的主模 TE10 模的電磁場分布圖，直觀的展示了波的傳輸特性。
3）有限差分法求電磁場靜態邊值
有限差分法是求電磁場靜態邊值問題的一種數字計算法，把連續空間離散化，空間離散化越細，解的誤差越小，其計算量就越大，就使課程中大量時間用在處理數據上。而利用matlab編寫程序，根據已知條件自動生成矩陣數據，繪制電場和電力線圖形，使講解過程清晰明了。
3 結束語
本文根據電磁場與電磁波少學時、概念抽象等特點，將仿真軟件強大的計算與圖像功能運用于電磁場與電磁波的教學中，使電磁場與電磁波分析研究問題簡單方便，幫助學生直觀的分析和理解課程內容，不但能大大加深學生對抽象電磁場問題的理解，激發學生的學習興趣，而且也提高了學生對工程軟件的實際應用能力，取得了很好的教學效果。對提高教學效果具有非常重要的意義。
參考文獻：
[1] 陳其昌.MATLAB在射頻電路設計中的應用[M]. 北京：電子工業出版社，2013.
[2] 梁振光. MATLAB在電磁場教學中的應用[J].南京：電氣電子教學學報， 2004，26（3）：73-75.
