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1、Electromagnetic Field Theory and Antenna电磁场理论与天线电磁场理论与天线主讲：张文梅主讲：张文梅Electromagnetic Field Theory and Antenna物电学院通信研究室物电学院通信研究室电磁波谱电磁波谱 Electromagnetic Spectrum 绪绪 论论Introductionv按波长分：宇宙射线，按波长分：宇宙射线，射线，射线，X射线，紫外线，射线，紫外线，可见光，红外线（反射红外，热红外，微波），可见光，红外线（反射红外，热红外，微波），无线电波和长波，无线电波和长波，v不仅无线电波是电磁波，光、不仅无线电波是电磁
2、波，光、X射线、射线、射线也射线也都是电磁波。都是电磁波。可见光可见光:visible light visible light 无线电波无线电波:radio waves radio waves 微波微波:microwaves microwaves 红外红外:infrared light infrared light 紫外紫外:ultraviolet light ultraviolet light X-X-射线射线:X-rays X-rays-射线射线:-rays-rays 电磁波是一个大家族电磁波是一个大家族无线电波是振荡电路中自由电子的运动产生的；无线电波是振荡电路中自由电子的运动产生的；红
3、外线、可见光和紫外线是原子的外层受到激发后红外线、可见光和紫外线是原子的外层受到激发后产生的；产生的；X射线是原子内层电子受到激发后产生的；射线是原子内层电子受到激发后产生的；射线是原子核受到激发后产生的。射线是原子核受到激发后产生的。各种电磁波的产生机理不同各种电磁波的产生机理不同在不同的电磁波段，可以使用不同的波长单位，在不同的电磁波段，可以使用不同的波长单位，如埃如埃()、纳米（、纳米（nm）、）、微米（微米（m）、）、毫米毫米（mm）、）、米（米（m）等。有时还使用另外两个与等。有时还使用另外两个与波长相关的计量单位：波数波长相关的计量单位：波数(单位为单位为cm-1)和频和频率率V（
4、单位为赫兹）。单位为赫兹）。表示表示光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多；而长比无线电波的波长短很多；而X射线和射线和射线的频射线的频率则更高，波长则更短。率则更高，波长则更短。不同频率的电磁波在传输过程中具有不同的特性不同频率的电磁波在传输过程中具有不同的特性波长越长，绕射能力越强，穿透能力越强波长越长，绕射能力越强，穿透能力越强它们的区别在于频率或波长有很大差别它们的区别在于频率或波长有很大差别一、课程的性质和任务S“电磁场与电磁波电磁场与电磁波”是高等学校电子信息类及电气信是高等学校电子信息类及电气信息类专业本科
5、生必修的一门息类专业本科生必修的一门技术基础课技术基础课;S课程涵盖的课程涵盖的内容内容:是合格的电子、通信、电气、遥测是合格的电子、通信、电气、遥测遥感、信息类专业本科学生所应具备的知识结构的重遥感、信息类专业本科学生所应具备的知识结构的重要组成部分。要组成部分。S电磁场与电磁波基本理论又是一些交叉学科的生长点电磁场与电磁波基本理论又是一些交叉学科的生长点和新兴边缘学科发展的基础，和新兴边缘学科发展的基础，S而且对完善自身素质，增强适应能力和创造能力长远而且对完善自身素质，增强适应能力和创造能力长远地发挥作用。地发挥作用。S本课程将在本课程将在“大学物理（电磁学）大学物理（电磁学）”的基础上
6、，的基础上，进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规进一步研究宏观电磁现象和电磁过程的基本规律及其分析计算方法。律及其分析计算方法。S通过课程的学习，掌握基本的宏观电磁理论，通过课程的学习，掌握基本的宏观电磁理论，具备分析和解决基本的电磁场工程问题的能力具备分析和解决基本的电磁场工程问题的能力。二、电磁场理论发展历史二、电磁场理论发展历史 定性观察电现象、磁现象定性观察电现象、磁现象 电磁场理论发展中的重大事件：电磁场理论发展中的重大事件：库仑定律库仑定律（电荷相互作用力规律）（电荷相互作用力规律）1820：电流磁效应电流磁效应（奥斯特）（奥斯特）安培力定律安培力定律（安培）（安培）1831：
7、电磁感应电磁感应（法拉第）（法拉第）1864：位移电流假说，：位移电流假说，麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 （麦克斯韦方程）（麦克斯韦方程）1888：试验证明：试验证明电磁波存在电磁波存在（赫兹）赫兹）三、电磁波的传播过程三、电磁波的传播过程 当今世界，电子信息系统，不论是通信、雷达、当今世界，电子信息系统，不论是通信、雷达、广播、电视，还是导航、遥控遥测，都是通过电磁波广播、电视，还是导航、遥控遥测，都是通过电磁波传递信息来进行工作的。因此以宏观电磁理论为基础，传递信息来进行工作的。因此以宏观电磁理论为基础，电磁信息的传输和转换为核心的电磁场与电磁波工程电磁信息的传输和转换为核心的电磁场与电磁
8、波工程技术将充分发挥其重要作用。下面以无线电通信系统技术将充分发挥其重要作用。下面以无线电通信系统为例来说明。为例来说明。发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天发射机末级回路产生的高频振荡电流经过馈线送到发射天线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，线，通过发射天线将其转换成电磁波辐射出去；到了接收端，电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电磁波在接收天线上感生高频振荡电流，再经馈线将高频振荡电流送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递。在这个过电流送到接收机输入回路，这就完成了信息的传递。在这个过程中，经历了电磁波的传输、发射、传播、接收等过程程中，
9、经历了电磁波的传输、发射、传播、接收等过程。传输导行电磁波 发射和接收天线 传播入射、反射、透射、绕射接收机接收天线馈线发射机发射天线馈线导行波下行波四、电磁波的应用四、电磁波的应用THz电磁波产生与应用电磁波产生与应用 电磁波在医疗上的应用电磁波在医疗上的应用 电磁高速公路电磁高速公路微带线微带线RFID微波炉微波炉电磁炉电磁炉隐形飞机隐形飞机电磁式生物芯片电磁式生物芯片无线通信无线通信电磁兼容电磁兼容 随着现代科学技术的发展，电子、电气系统获得越来越广随着现代科学技术的发展，电子、电气系统获得越来越广泛的应用。运行中的电子、电气设备大泛的应用。运行中的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转多
10、伴随着电磁能量的转换，使得高密度、宽频谱的电磁信息充满整个人类的生存空间，换，使得高密度、宽频谱的电磁信息充满整个人类的生存空间，构成极其复杂的电磁环境，出现了电磁干扰和电磁污染。使电构成极其复杂的电磁环境，出现了电磁干扰和电磁污染。使电子系统受到严峻的挑战，人类生存受到威胁。人们面临的一个子系统受到严峻的挑战，人类生存受到威胁。人们面临的一个新问题就是如何提高电子系统在复杂电磁环境下正常运行的能新问题就是如何提高电子系统在复杂电磁环境下正常运行的能力，如何改善人类生存环境。力，如何改善人类生存环境。在这样的背景下提出了电磁兼容的概念，逐渐形成了一门在这样的背景下提出了电磁兼容的概念，逐渐形成
11、了一门新学科新学科电磁兼容性（电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility,简写简写为为EMC）。）。电子系统的电磁兼容性的分析、计算、试验都要用电子系统的电磁兼容性的分析、计算、试验都要用到大量的电磁场理论知识，应用到电路的基础知识，甚至生物到大量的电磁场理论知识，应用到电路的基础知识，甚至生物医学知识。可以说，电磁兼容学科是电磁场学科和其他相关学医学知识。可以说，电磁兼容学科是电磁场学科和其他相关学科相结合而形成的新学科科相结合而形成的新学科。五、本课程知识结构体系五、本课程知识结构体系 电电磁磁场场与与 天天线线静态场静态场静电场静电场（第三章）（第三章）恒定电
12、流场恒定电流场时变场时变场时变场基本性质时变场基本性质 （第六章）（第六章）无界空间中的电磁波无界空间中的电磁波 （第六章）（第六章）有界空间中的电磁波有界空间中的电磁波 （第七章）（第七章）电磁波的产生基本理论天线电磁波的产生基本理论天线 （第八章）（第八章）恒定电场恒定电场恒定磁场恒定磁场静态场边值问题静态场边值问题（第五章）（第五章）电磁场的基本方程电磁场的基本方程（第二章）（第二章）(第四章第四章)学学 时时 安安 排排矢量分析：矢量分析：6 6电磁场的基本方程电磁场的基本方程 8 8静电场：静电场：7 7恒定电流场：恒定电流场：8 8静电场边值问题：静电场边值问题：8 8时变电磁场平
13、面电磁波：时变电磁场平面电磁波：1212电磁波的反射折射：电磁波的反射折射：8 8电磁辐射：电磁辐射：7 7（总学时（总学时72：讲授：讲授64，机动，机动8）考考 核核平时成绩平时成绩(30)期末考试成绩（期末考试成绩（70）平时成绩平时成绩:专题研究专题研究1515到课率到课率(5)5)作业作业(10)10)专题研究：提交一篇专题研究：提交一篇5000字以上的专题研究论文字以上的专题研究论文研究专题vEM与日常生活与日常生活vEM与现代科技与现代科技vEM与前沿科技与前沿科技vEM与人，人与与人，人与EMv电磁与环境电磁与环境参参 考书目考书目1.1.曹伟曹伟 ，徐立勤等，电磁场与电磁波理
14、论，徐立勤等，电磁场与电磁波理论 ，北京邮电，北京邮电大学出版社，大学出版社，20022002。2.2.谢处方谢处方,饶克谨饶克谨.电磁场与电磁波电磁场与电磁波.第三版第三版.北京北京:高等教高等教育出版社育出版社,1999,19993.3.倪光正倪光正.工程电磁场原理工程电磁场原理.北京北京:高等教育出版社高等教育出版社,2002,20024.4.Kraus J D,Fleisch D A.Electromagnetics with Kraus J D,Fleisch D A.Electromagnetics with Applications.5th.New York:McGraw-Hil
15、l,1999Applications.5th.New York:McGraw-Hill,19995.5.影印版影印版:Kraus J D,Fleisch D A.Kraus J D,Fleisch D A.Electromagnetics with Applications.Electromagnetics with Applications.电磁学及其应用电磁学及其应用.北京：清华大学出版社北京：清华大学出版社.New York:McGraw-Hill,2001New York:McGraw-Hill,20016.6.陈抗生陈抗生.微波与光波导技术教程微波与光波导技术教程.杭州杭州:浙江大学
16、出版社浙江大学出版社,20002000电磁炉电磁炉 Electromagnetic Oven v电磁炉是采用电磁炉是采用磁场感应涡流磁场感应涡流加热原理，利用电流加热原理，利用电流通过线圈产生磁场通过线圈产生磁场v当磁场内之磁力线通过金属器皿的底部时即会产当磁场内之磁力线通过金属器皿的底部时即会产生无数小涡流，使器皿本身自行高速发热生无数小涡流，使器皿本身自行高速发热v再加热于器皿内的食物。再加热于器皿内的食物。v其神奇之处就在于炉面的陶瓷表面不会发热，而其神奇之处就在于炉面的陶瓷表面不会发热，而锅具自行发热，并煮食锅内食物。其最高温度高达锅具自行发热，并煮食锅内食物。其最高温度高达24024
17、0度。度。基本原理基本原理v电磁炉的热效率极高，煮食时安全、洁净、无电磁炉的热效率极高，煮食时安全、洁净、无火、无烟、无废气、不怕风吹、不会爆炸或引致火、无烟、无废气、不怕风吹、不会爆炸或引致气体中毒。气体中毒。v当磁场内的磁力线通过非金属物休，不会产生当磁场内的磁力线通过非金属物休，不会产生涡流，故不会产生热力。炉面和人都是非金属物涡流，故不会产生热力。炉面和人都是非金属物体，本身不会发热，因此没有被电磁炉烧伤的危体，本身不会发热，因此没有被电磁炉烧伤的危险，安全可靠。险，安全可靠。特点特点蓝牙技术蓝牙技术 Blue-tooth Technologyv蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性
18、全球蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个写在一个9 x 9 mm的微芯片中。的微芯片中。例如，如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电例如，如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中，就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间的令脑中，就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间的令人讨厌的连接电缆而而通过无线使其建立通信。打人讨厌的连接电缆而而通过无线使其建立通信。打印机、印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操桌上
19、型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。除此之外，蓝牙无线技术还为已存在的的一部分。除此之外，蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。网络的个人特别连接设备群。蓝牙技术蓝牙技术 蓝牙工作在全球通用的蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、即工业、科学、医学）频医学）频 段。段。蓝牙的数据速率为蓝牙的数据速率为1Mb/s。时分双工传输方案被用来实现全时分双工传输方案被用来实现全 双工传输。双工传输。
20、编码：编码：ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此因此 使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可等，都可 能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保和跳频方案以确保 链路稳定。跳频技术是把频带分成链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（若干个跳频信道（hop channel），），在一次连接中，无在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列线电收发器按一
21、定的码序列（即一定的规律，技术上（即一定的规律，技术上叫做叫做“伪随机码伪随机码”，就是，就是“假假”的随机码）的随机码）蓝牙技术蓝牙技术v不断地从一个信道不断地从一个信道跳跳到另一个信道，只有收发到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。与其它与其它工作在相同频段的系统相比，蓝
22、牙跳频更快，数据工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。电磁波在医疗上的应用电磁波在医疗上的应用 电磁辐射的分类：电磁辐射的分类：一类是一类是天然电磁辐射天然电磁辐射，如雷电、火山喷发、地震和，如雷电、火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等，除对电气设备、飞机、太阳黑子活动引起的磁暴等，除对电气设备、飞机、建筑物等可能造成直接破坏外，还会在广大地区产生建筑物等可能造成直接破坏外，还会在广大地区产生严重电磁干扰。严重电磁干扰。另一类是人工电磁辐射，主要是微波设备产生的辐另一类是人工电磁辐射，主要是微波设备产生的辐射，微
23、波辐射能使人体组织温度升高，严重时造成植射，微波辐射能使人体组织温度升高，严重时造成植物神经功能紊乱。物神经功能紊乱。S但是对电磁辐射，要正确认识，而且要科学防护。但是对电磁辐射，要正确认识，而且要科学防护。事实上，电磁波也如同大气和水资源一样，只有当人事实上，电磁波也如同大气和水资源一样，只有当人们规划、使用不当时才会造成危害。一定量的辐射对们规划、使用不当时才会造成危害。一定量的辐射对人体是有益的，医疗上的烤电、理疗等方法都是利用人体是有益的，医疗上的烤电、理疗等方法都是利用适量电磁波来达到治病健身的目的。适量电磁波来达到治病健身的目的。生物电磁场保健生物电磁场保健 激光治疗激光治疗 微波
24、治疗微波治疗 电磁波消毒电磁波消毒电磁刀电磁刀生物电磁场保健生物电磁场保健将人体置于姜氏场导舱内接受载有青春信息的植物将人体置于姜氏场导舱内接受载有青春信息的植物幼苗发射的生物电磁波。幼苗发射的生物电磁波。？植物幼苗电磁波有助于红细胞功能的发挥，促进植物幼苗电磁波有助于红细胞功能的发挥，促进机体新陈代谢，增加青春活力，提高性功能，增强机体新陈代谢，增加青春活力，提高性功能，增强免疫力，免疫力，从而对人体发挥返老还青和医疗保健作用。从而对人体发挥返老还青和医疗保健作用。人体红细胞膜的渗透脆性降低，韧性增强；人体红细胞膜的渗透脆性降低，韧性增强；甲状腺素、甲状腺素、性激素分泌增加；性激素分泌增加；
25、免疫功能提高；免疫功能提高；肾上腺皮质激素分泌无明显变化。肾上腺皮质激素分泌无明显变化。激光治疗激光治疗S激光是激光是60年代初出现的一种新光源。年代初出现的一种新光源。S已广泛应用于国防、农业、卫生医疗和科学研究，已广泛应用于国防、农业、卫生医疗和科学研究，也是治疗肿瘤的一种新方法也是治疗肿瘤的一种新方法。S用它既能切割组织，又能同时止血，能使肿瘤组用它既能切割组织，又能同时止血，能使肿瘤组织迅速气化和雾化，从而使肿瘤在瞬间消失。织迅速气化和雾化，从而使肿瘤在瞬间消失。S激光对组织具有热、压、光和电磁场效应的作用。激光对组织具有热、压、光和电磁场效应的作用。1、热效应：热效应：激光能使肿瘤组
26、织在几秒种的短时间激光能使肿瘤组织在几秒种的短时间内，局部温度高达内，局部温度高达200-1000摄氏度，使其变性、凝摄氏度，使其变性、凝固坏死，继而气化消失。固坏死，继而气化消失。2、压力效应：压力效应：激光本身的光压和由高热导致的组激光本身的光压和由高热导致的组织膨胀引起的二次冲击波，加深了肿瘤组织破坏。织膨胀引起的二次冲击波，加深了肿瘤组织破坏。3、光效应光效应：激光被肿瘤组织吸收后，可增强热效：激光被肿瘤组织吸收后，可增强热效应，使肿瘤组织被破坏。应，使肿瘤组织被破坏。4、电磁场效应电磁场效应：激光是一种电磁波。能产生电磁：激光是一种电磁波。能产生电磁场，可使肿瘤组织离化、核分解而被破
27、坏死亡，如场，可使肿瘤组织离化、核分解而被破坏死亡，如有残癌也可自行消退，这可能与免疫有关。激光制有残癌也可自行消退，这可能与免疫有关。激光制造成激光器、激光手术刀用于治疗体表肿瘤，眼耳造成激光器、激光手术刀用于治疗体表肿瘤，眼耳鼻咽喉肿瘤、神经肿瘤等鼻咽喉肿瘤、神经肿瘤等 激光的几种效应激光的几种效应EMF系统EMF系统系统是由（株）日本是由（株）日本MDM公司开发研究生产的新一代公司开发研究生产的新一代脑外科手术器械。根据其作用原理，我们俗称之为脑外科手术器械。根据其作用原理，我们俗称之为“电磁刀电磁刀”。EMF系统利用高频电磁能对机体组织进行汽化，切割和凝固。系统利用高频电磁能对机体组织
28、进行汽化，切割和凝固。特点因该系统外周围优良组织的热损伤小且不需要对极板，因此因该系统外周围优良组织的热损伤小且不需要对极板，因此尤其使用于脑外等精密外科。对硬性及深部微小脑瘤的去除极尤其使用于脑外等精密外科。对硬性及深部微小脑瘤的去除极为有效。为有效。EMF系统与常规的电刀相比，在原理和设计上都有很大区别。系统与常规的电刀相比，在原理和设计上都有很大区别。EMF系统用于汽化系统用于汽化，切割和凝固的输出功率很小（，切割和凝固的输出功率很小（49W以下）以下），为一般电刀所不及。，为一般电刀所不及。不需要对极板这一特点使单极手术刀用于脑外手术成为可能。不需要对极板这一特点使单极手术刀用于脑外手
29、术成为可能。没有烧伤感电和破坏神经系统的危险，安全性高，使用方便。没有烧伤感电和破坏神经系统的危险，安全性高，使用方便。与激光刀相比与激光刀相比，不需要眼球保护镜和其它保护附件，操作时对，不需要眼球保护镜和其它保护附件，操作时对患者和医生均无危害。手术时与患部直接接触，医生可以灵活患者和医生均无危害。手术时与患部直接接触，医生可以灵活掌握调节。掌握调节。与超声波刀相比与超声波刀相比，EMF系统对于硬化深部微小肿瘤的汽化治系统对于硬化深部微小肿瘤的汽化治疗效果尤为显著。疗效果尤为显著。HandPiece非常轻便且呈弯曲状，使视野不受非常轻便且呈弯曲状，使视野不受影响，并有利于长时间手术。刀头部分
30、可以任意弯曲，适用于影响，并有利于长时间手术。刀头部分可以任意弯曲，适用于各种手术需要各种手术需要 特点特点微波治疗微波治疗l微波是指波长在毫米至米范围内的非电离辐射微波是指波长在毫米至米范围内的非电离辐射高频电磁波。年代后期微波技术在医疗上得到高频电磁波。年代后期微波技术在医疗上得到应用。应用。微波治疗有种：微波治疗有种：一是大剂量高热治疗肿瘤，能抑制肿瘤细胞的蛋白一是大剂量高热治疗肿瘤，能抑制肿瘤细胞的蛋白质合成，降低肿瘤细胞分裂速度，增强化疗、放疗质合成，降低肿瘤细胞分裂速度，增强化疗、放疗效果；效果；二是用于局部生物体组织的凝固治疗，具有不炭化、二是用于局部生物体组织的凝固治疗，具有不
31、炭化、不产生烟雾的特点；不产生烟雾的特点；三是小剂量的温热治疗，可以解痉、止痛、消炎并三是小剂量的温热治疗，可以解痉、止痛、消炎并促进伤口恢复等。促进伤口恢复等。电磁波消毒电磁波消毒S利用电磁波的利用电磁波的场效应和热效应场效应和热效应，在，在5l0分钟内能分钟内能迅速达到国家卫生部规定的消毒要求，对成捆、成迅速达到国家卫生部规定的消毒要求，对成捆、成扎的纸币、成叠的毛巾、医疗器械具有穿透力强，扎的纸币、成叠的毛巾、医疗器械具有穿透力强，无残留药毒性的消毒特点，是当今消毒领域的新突无残留药毒性的消毒特点，是当今消毒领域的新突破破 电磁式生物芯片作为最近几年在生命科学研究领域崭露头角的一项新技术
32、，作为最近几年在生命科学研究领域崭露头角的一项新技术，生物芯片技术是随着人类基因组研究的深入在年代初期应生物芯片技术是随着人类基因组研究的深入在年代初期应运而生的。近年来，这一技术显示出强劲的发展势头。运而生的。近年来，这一技术显示出强劲的发展势头。生物芯片技术通过像集成电路制作过程中半导体光刻加工那生物芯片技术通过像集成电路制作过程中半导体光刻加工那样的缩微技术，将现在生命科学研究中许多不连续的、离散的样的缩微技术，将现在生命科学研究中许多不连续的、离散的分析过程，如样品制备、化学反应和定性、定量检测等手段集分析过程，如样品制备、化学反应和定性、定量检测等手段集成于指甲盖大小的硅芯片或玻璃芯
33、片上，使这些分析过程连续成于指甲盖大小的硅芯片或玻璃芯片上，使这些分析过程连续化和微型化。也就是说，将现在需要几间实验室、检验室完成化和微型化。也就是说，将现在需要几间实验室、检验室完成的技术，制作成具有不同用途的便携式生化分析仪，使生物学的技术，制作成具有不同用途的便携式生化分析仪，使生物学分析过程全自动化、分析速度成千上万倍地提高，所需样品及分析过程全自动化、分析速度成千上万倍地提高，所需样品及化学试剂则成千上万倍地减少。化学试剂则成千上万倍地减少。生物芯片可以用于基因测序、药物筛选、基因突变检测和基生物芯片可以用于基因测序、药物筛选、基因突变检测和基因表达等。因表达等。生物芯片的分析对象
34、可以是核酸、蛋白质、细胞、组织等。生物芯片的分析对象可以是核酸、蛋白质、细胞、组织等。电磁式生物芯片生物芯片技术将给世纪生命科学和医学研究带来一场革生物芯片技术将给世纪生命科学和医学研究带来一场革命。命。用它制作的用它制作的“微机微机”必将代替人类进行复杂的检验工作。在必将代替人类进行复杂的检验工作。在不远的将来，用生物芯片制作的微缩分析仪将广泛地应用于分不远的将来，用生物芯片制作的微缩分析仪将广泛地应用于分子生物学、医学基础研究、临床诊断治疗、新药开发、司法鉴子生物学、医学基础研究、临床诊断治疗、新药开发、司法鉴定、食品卫生监督、生物武器战争等领域。定、食品卫生监督、生物武器战争等领域。这些
35、仪器的出现，这些仪器的出现，将会给分子生物学、疾病诊断和治疗、新药开发、生物武器战将会给分子生物学、疾病诊断和治疗、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品卫生监督等领域带来一场革命。争、司法鉴定、食品卫生监督等领域带来一场革命。电磁式生物芯片有效地将电场和磁场的作用结合在一起，通电磁式生物芯片有效地将电场和磁场的作用结合在一起，通过计算机可控制芯片上任意一点发生的生化反应，这些生物芯过计算机可控制芯片上任意一点发生的生化反应，这些生物芯片将来可能被安装到有关检测仪器上，或者像光盘一样被放入片将来可能被安装到有关检测仪器上，或者像光盘一样被放入计算机，数分钟之内，就可以对一个人进行早期诊断。计算
36、机，数分钟之内，就可以对一个人进行早期诊断。微波炉 原理原理：极性分子接受微波辐射的能量后，通过分子偶极的每：极性分子接受微波辐射的能量后，通过分子偶极的每秒数十亿次的高速旋转产生热效应，这种加热方式称为内加热秒数十亿次的高速旋转产生热效应，这种加热方式称为内加热（相对地，把普通热传导和热对流的加热过程称为外加热）。（相对地，把普通热传导和热对流的加热过程称为外加热）。特点：特点：与外加热方式相比，内加热具有加热速度快、受热体与外加热方式相比，内加热具有加热速度快、受热体系温度均匀等特点。近年研究发现，在萃取加工和有机化学反系温度均匀等特点。近年研究发现，在萃取加工和有机化学反应等方面，微波辐
37、射技术均显示出其无与伦比的优越性。应等方面，微波辐射技术均显示出其无与伦比的优越性。由于微波的频率与分子转动的频率相关连，所以微波能是一由于微波的频率与分子转动的频率相关连，所以微波能是一种由离子迁移和偶极子转动种由离子迁移和偶极子转动 引起分子运动的非离子化辐射能。引起分子运动的非离子化辐射能。当它作用于分子上时，促进了分子的转动运动，分子若此时当它作用于分子上时，促进了分子的转动运动，分子若此时 具有一定的极性，便在微波电磁场作用下产生瞬时极化，并以具有一定的极性，便在微波电磁场作用下产生瞬时极化，并以.亿次的速度做极性亿次的速度做极性 变换运动，从而产生键的振动、变换运动，从而产生键的振
38、动、撕裂和粒子之间的相互摩擦、碰撞，促进分子活性部分（极性撕裂和粒子之间的相互摩擦、碰撞，促进分子活性部分（极性 部分）更好地接触和反应，同时迅速生成大量的热能。部分）更好地接触和反应，同时迅速生成大量的热能。隐形飞机隐形飞机S隐形飞机决不是指飞机将自己的形体隐藏起来，让我们看不隐形飞机决不是指飞机将自己的形体隐藏起来，让我们看不见它，而是说它可以使雷达见它，而是说它可以使雷达“看不到看不到”它。它。原理：原理：我们知道雷达会发出高频电磁波射到物体上。物体把这我们知道雷达会发出高频电磁波射到物体上。物体把这个电磁波向各个方向反射，当然也有一部分反射回发射点（雷个电磁波向各个方向反射，当然也有一
39、部分反射回发射点（雷达），在雷达处再设一个接收装置就可接收到回波。我们就是达），在雷达处再设一个接收装置就可接收到回波。我们就是根据回波发现物体的。根据回波发现物体的。飞机达到隐形效果的关键，在于采用隐形材料和隐形设计，尽飞机达到隐形效果的关键，在于采用隐形材料和隐形设计，尽量把雷达波束吸收掉，或者向偏离原雷达的方向反射。这样飞量把雷达波束吸收掉，或者向偏离原雷达的方向反射。这样飞机就不容易被雷达探测到，但是并不是说这种飞机对于雷达就机就不容易被雷达探测到，但是并不是说这种飞机对于雷达就是不可见的。如果把飞机的外表面制成由一些平面组成，则这是不可见的。如果把飞机的外表面制成由一些平面组成，则这
40、些平面反射电磁波就不是四面八方的了，而是像平面镜反射光些平面反射电磁波就不是四面八方的了，而是像平面镜反射光线一样只朝着有限的几个方向反射，这样就不见得有反射波被线一样只朝着有限的几个方向反射，这样就不见得有反射波被雷达接收到，从而达到了不被雷达发现的目的。雷达接收到，从而达到了不被雷达发现的目的。微带线微带线一般的传输线由两个或两个以上的导体组成，用来传横电一般的传输线由两个或两个以上的导体组成，用来传横电磁波（磁波（TEM波），常见的传输线有双线、同轴线、带状线和波），常见的传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等。其中，微带线是最普遍使用的平面传输线之一，微带线等。其中，微带线是最普遍使用
41、的平面传输线之一，微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其它无源和有源器微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其它无源和有源器件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。THzTHz电磁波产生与应用电磁波产生与应用产生：产生：用超短激光脉冲触发光电导开关可产生频带宽用超短激光脉冲触发光电导开关可产生频带宽度达度达1012Hz的电磁辐射，也被称为的电磁辐射，也被称为THz射线。射线。应用：应用：THz超宽带电磁脉冲的独特性能给通信、雷超宽带电磁脉冲的独特性能给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全
42、检查等领域带来了深远影响。检测、安全检查等领域带来了深远影响。研究涉及超短脉冲激光技术、微电子技术、光学工研究涉及超短脉冲激光技术、微电子技术、光学工程、光电材料、超高速电子学、信号传输与处理等程、光电材料、超高速电子学、信号传输与处理等学科领域。学科领域。核心：核心：高功率高功率THz超宽频带光电导开关微波源作为超宽频带光电导开关微波源作为核心部件几乎涉及信息产业的所有应用领域。核心部件几乎涉及信息产业的所有应用领域。研究内容：研究内容：v(1)产生：产生：用光导电方法产生用光导电方法产生THz电磁波；电磁波；v(2)发射：发射：用光电导偶极天线、一体化宽带天线用光电导偶极天线、一体化宽带天
43、线发射发射THz电磁波；电磁波；v(3)监测：监测：用电光取样方法检测用电光取样方法检测THz电磁波的瞬电磁波的瞬间电场和时间波形。间电场和时间波形。vTHz技术的应用仍然在不断的开发研究中，其广技术的应用仍然在不断的开发研究中，其广袤的科学前景为世界公认袤的科学前景为世界公认THz成像技术：成像技术：v利用利用THz时域光谱技术可以直接测量时域光谱技术可以直接测量THz电磁脉冲所电磁脉冲所产生的瞬态电磁场，可以直接测得样品的介电常数。产生的瞬态电磁场，可以直接测得样品的介电常数。v而且由于而且由于THz电磁波的强透射能力和低辐射能量电磁波的强透射能力和低辐射能量（对人体完全无害），（对人体完
44、全无害），THz成像技术可以用来检验食成像技术可以用来检验食品新鲜度，替代医疗品新鲜度，替代医疗X射线透视仪、射线透视仪、CT，以及用于机以及用于机场安全检查和炭疽均等生化武器检查等等。场安全检查和炭疽均等生化武器检查等等。生物化学技术领域：生物化学技术领域：许多生物大分子的转动吸收谱处于许多生物大分子的转动吸收谱处于THz频段频段利用对生化反应利用对生化反应THz吸收谱的研究可以得到反吸收谱的研究可以得到反应中的分子运动状况信息。对于进一步研究生应中的分子运动状况信息。对于进一步研究生化反应提供了有力的手段。化反应提供了有力的手段。天文学：天文学：炭、水、一氧化碳、氮、氧等等大量的分子可以在
45、炭、水、一氧化碳、氮、氧等等大量的分子可以在THz频段进行探测。频段进行探测。而这些物质在应用而这些物质在应用THz技术以前一部分根本无法探技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。探测到。在宇宙中，大量的物质在发出在宇宙中，大量的物质在发出THz电磁波电磁波通信技术：通信技术：vTHz用于通信可以获得用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，的无线传输速度，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍，v极高的带宽进行高保密卫星通信；与可见光和红极高的带宽进行高保密卫星通信；与可见光
46、和红外线相比，它同时具有极高的方向性以及较强的云外线相比，它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力。雾穿透能力。v虽然由于缺乏高效的虽然由于缺乏高效的THz发射天线和源，使其还发射天线和源，使其还无法在通信领域商业化，但这必将由新型的发射装无法在通信领域商业化，但这必将由新型的发射装置和发射源所解决置和发射源所解决 电磁高速公路电磁高速公路v高速公路是交通发展的重要途径。但高速公路上高速公路是交通发展的重要途径。但高速公路上的车祸仍在威胁着驾车人士的生命安全。有没有一的车祸仍在威胁着驾车人士的生命安全。有没有一种既高速又安全、彻底杜绝车祸的公路呢种既高速又安全、彻底杜绝车祸的公路呢?v利用
47、智能管理系统，公路交通畅通无阻，没有交利用智能管理系统，公路交通畅通无阻，没有交通堵塞和车祸。据称，该路段将与普通公路分开，通堵塞和车祸。据称，该路段将与普通公路分开，车辆以车辆以1020辆为一组，分组分批行驶。辆为一组，分组分批行驶。电磁高速公路采用的高精尖技术电磁高速公路采用的高精尖技术在柏油路面下每隔在柏油路面下每隔1.2米埋设专用磁铁，负责行驶车辆与电脑米埋设专用磁铁，负责行驶车辆与电脑系统之间的信息传递；系统之间的信息传递；在车辆的前后保险杠上配置磁性传感器，接收地面专用磁铁在车辆的前后保险杠上配置磁性传感器，接收地面专用磁铁的信息反馈；的信息反馈；车辆行驶由电脑和传感器监控，交通信
48、息通过车辆和路面电车辆行驶由电脑和传感器监控，交通信息通过车辆和路面电脑系统交流；脑系统交流；沿路布设传感器、电脑导航系统及摄像机；沿路布设传感器、电脑导航系统及摄像机；用专用电脑控制汽车刹车、油门和转向；用专用电脑控制汽车刹车、油门和转向；用雷达控制车距，最小距离可达用雷达控制车距，最小距离可达3.95米；米；在汽车驶进特定路口时，电脑导航系统会显示清晰的道路图，在汽车驶进特定路口时，电脑导航系统会显示清晰的道路图，指示驾车者现时的位置，以及前往各方向的最佳路线。指示驾车者现时的位置，以及前往各方向的最佳路线。无线通信的应用领域v移动通信移动通信v微波通信微波通信v卫星通信卫星通信v固定无线
49、接入固定无线接入v无线寻呼无线寻呼v无绳电话无绳电话v无线光通信无线光通信无线通信的发展趋势之一无线通信的发展趋势之一移动通信从移动通信从3 3G逐步迈向逐步迈向4 4Gv移动通信经历了第一代和第二代，完成了从模拟技术向数字技移动通信经历了第一代和第二代，完成了从模拟技术向数字技术的过渡，现正在向第三代（术的过渡，现正在向第三代（3 3G G）过渡，并将走向更远的第四代过渡，并将走向更远的第四代（4 4G G）。）。在此进程中，移动通信正逐步从窄带向宽带迈进。在此进程中，移动通信正逐步从窄带向宽带迈进。v3G定位于多媒体定位于多媒体IP业务，传输容量更大，灵活性更高，形成了业务，传输容量更大，
50、灵活性更高，形成了世界标准，并将引入新的商业模式。世界标准，并将引入新的商业模式。2007年以后将进入发展阶段，年以后将进入发展阶段，3G将逐步成为市场上的主导产品和真正的全球系统。将逐步成为市场上的主导产品和真正的全球系统。v在在3G大规模商用以后，多媒体服务与应用将广泛使用起来。大规模商用以后，多媒体服务与应用将广泛使用起来。随之，随之，3G在速率、服务质量（在速率、服务质量（QoS）、）、无缝传输等方面的局限无缝传输等方面的局限性也将日益显现，势必需要带宽更宽的无线系统。因此，移动性也将日益显现，势必需要带宽更宽的无线系统。因此，移动通信的下一步必定是走向容量更大、速率更高的通信的下一步