電、磁現象是大自然最重要的物理現象,也是最早被科學家們關心和研究的物理現象。19世紀以前,電、磁現象作為兩個獨立的物理現象,沒有發現電與磁的聯系,但是這些研究為電磁學理論的建立奠定了基礎。18世紀末期,德國哲學家謝林認為,宇宙是有活力的,而不是僵死的。他認為電就是宇宙的活力,是宇宙的靈魂,電、磁、光、熱是相互聯系的。法拉第在謝林的影響下,相信電、磁、光、熱是相互聯系的。奧斯特1820年發現電流以力作用于磁針后,法拉第敏銳地意識到,電可以對磁產生作用,磁也一定能夠對電產生影響。1821年他開始探索磁生電的實驗。1831年他發現,當磁捧插入導體線圈時,導體線圈中就產生電流。這表明電與磁之間存在著密切的聯系。麥克斯韋深入研究并探討了電與磁之間相互作用的關系,并發展了場的概念。他在法拉第實驗的基礎上,總結了宏觀電磁現象的規律,引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是:變化著的電場能產生磁場;與變化著的磁場產生電場相對應。在此基礎上提出了一組表達電磁現象基本規律的偏微分方程,稱為麥克斯韋方程組,成為經典電磁場理論的基本內容。

     電磁場作為無線電技術的理論基礎,集中于三大類應用問題的研究。電磁場(或電磁波)作為能量的一種形式,是當今世界最重要的能源,其研究領域涉及能量的產生、儲存、變換、傳輸和綜合利用;電磁波作為信息傳輸的載體,成為當今人類社會發布和獲取信息的主要手段,主要研究領域為信息的產生、獲取、交換、傳輸、儲存、處理、再現和綜合利用;電磁波作為探測未知世界的一種重要手段,主要研究領域為電磁波與目標的相互作用特性、目標特征的獲取與重建、探測新技術等。

     1887年,德國科學家赫茲用火花隙激勵一個環狀天線,用另一個帶隙的環狀天線接收,證實了麥克斯韋關于電磁波存在的預言,這一重要的實驗導致了后來無線電報的發明。從此開始了電磁場理論應用與發展的時代,并且發展成為當代最引人注目的學科之一。1895年意大利馬可尼成功地進行了2.5公里距離的無線電報傳送實驗。1896年,波波夫進行了約250米距離的類似試驗, 1899年, 無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功;1901年,跨越大西洋的3200公里距離的試驗成功。馬可尼以其在無線電報等領域的成就,獲得了1909年的諾貝爾獎金物理學獎。無線電報的發明,開始了利用電磁波時期;1876年美國A.G.貝爾在美國建國100周年博覽會上展示了他所發明的有線電話。此后,有線電話便迅速普及開來;1906年美國費森登用50千赫頻率發電機作發射機,用微音器接入天線實現調制,使大西洋航船上的報務員聽到了他從波士頓播出的音樂。1919年,第一個定時播發語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建成。次年,在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電臺;1884年德國尼普科夫提出機械掃描電視的設想,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 年相繼發明了攝像管和顯像管。1931年,他組裝成世界上第一個全電子電視系統;二次世界大戰前夕,飛機成為主要進攻武器。英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機的裝置。1936年,英國的瓦特設計的警戒雷達最先投入了運行。有效地警戒了來自德國的轟炸機。1938年,美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達。1940年,多腔磁控管的發明,微波雷達的研制成為可能。1944年,能夠自動跟蹤飛機的雷達研制成功。1945年,能消除背景干擾顯示運動目標的顯示技術的發明,使雷達更加完善。

     在整個第二次世界大戰期間 , 雷達成了電磁場理論最活躍的部分; 1958年美國發 射低軌的“斯科爾”衛星成功 , 這是第一顆用于通信的試驗衛星。 1964年 , 借助定 點同步通信衛星首次實現了美、 歐、 非三大洲的通信和電視轉播。 1965年 , 第一 顆商用定點同步衛星投入運行。 1969年 , 大西洋、 太平洋和印度洋上空均已有定 點同步通信衛星 , 衛星地球站已遍布世界各國,這些衛星地球站又和本國或本地 區的通信網接通。衛星通信經歷 10年的發展,終趨于成熟; 1957年衛星發射成 功后,人們試 圖將雷達引入衛星,實現以衛星為基地對地球表面及近地空間 目標的定位和導航。 1958年底,美國開始研究實施這一計劃,于 1964年研究成 功子午儀衛星導航系統。

        1973年美國提出了由 24顆衛星組成的實用系統新方案, 即 GPS 計劃。它是英 Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System 的字頭縮寫 NA VSTAR/GPS的簡稱,其含義是利用導航衛星進行測時和 測距。 1990年最終的 GPS 方案是由 21顆工作衛星和 3顆在軌備用衛星組成。 電磁場與電磁波理論在人們的需求中一步步地發展應用。 當今世界, 電子信 息系統,不論是通信、雷達、廣播、電視,還是導航、遙控遙測,都是通過電磁 波傳遞信息來進行工作的。 因此以宏觀電磁理論為基礎, 電磁信息的傳輸和轉換 為核心的電磁場與電磁波工程技術將充分發揮其重要作用。 當今的無線通信、 廣 播、雷達、遙控遙測、微波遙感、無線因特網、無線局域網、衛星定位以及光纖 通信等信息技術都是利用電磁波作為媒介傳輸信息的。

     電磁場與電磁波的應用貫穿于整個移動通信技術, 20世紀 20年代,現代移 動通信技術的發展宣告開始。從 20世紀 20年代至 40年代是現代移動通信的起 步階段。 1987年 11月 18日,中國第一個 TACS 模擬蜂窩移動電話系統在廣東 省建成并投入商用。這一時期的系統主要是依賴第一代移動通信技術(1G ) ,采 用的是模擬技術和頻分多址(FDMA )技術。第二代移動通信(2G )主要采用 的是數字的時分多址 (TDMA ) 技術和碼分多址 (COMA ) 技術, 頻譜利用率高, 可大大提高系統容量, 能提供數字化的語言業務及低速數據業務。 目前正在迅速 發展的是第三代移動通信技術(3G ) ,它是將高速移動接入和基于互聯網協議的 服務結合起來, 提高無線頻率的利用效率, 實現高速數據傳輸和寬帶多媒體服務, 傳輸速率最低為 384KB/s,最高為 2MB/s,帶寬可達 5MHz 以上,使用頻率 1.885~2.025GHz和 2.110~2.200GHz,提供全球覆蓋,實現有線和無線以及不同無 線網絡之間業務的無縫連接,滿足多媒體業務的要求。主要技術有 WCDMA 、 CDMA2000、 TD-SCDMA 。 3G 系統仍然無法滿足未來的多媒體通信的需求,未 來的移動通信系統是第四代移動通信系統(4G ) 。它是寬帶(broadband )接入和 分布網絡, 具有更高的無線頻率使用效率, 且具有更好的抗信號衰落性能, 上網 速度可提高到 100MB/s,具有不同頻率間的自動切換能力。

     電磁場與電磁波的應用貫穿于整個微波通信, 微波通信是指利用微波頻率用 作載波攜帶信息,通過無線電波進行中繼接力的通信方式。微波是指頻率為 300MHz~300GHz的電磁波。微波的波長很短,繞過障礙物而傳播的尺度很小, 這就決定微波通信只能采取中繼接力方式, 大約 50km 就必須設一個微波中繼站。 較大的通信系統需要建設非常多的中繼站,這也限制了它的使用。

電磁場與電磁波的應用貫穿于衛星通信, 衛星通信是利用人造地球衛星作為 中繼站, 轉發或反射無線電波, 在兩個或多個地球站之間進行通信。 地球站是設 在地球表面, 包括地面、 海洋和大氣中的通信站。 實際上衛星通信可以看作是利 用微波頻率, 把通信衛星作為中繼站而進行的一種特殊的微波中繼通信。 衛星通 信工作頻段與微波通信相同。 目前民用通信衛星使用同步工作方式, 稱為同步衛星通信系統。從地面上看,這顆衛星永遠像掛在天空不動,因此同步衛星也稱為“靜止衛星”。

     電磁場與電磁波的應用貫穿于光纖通信,以光作載波的通信方式即是光通信。人們想到以光作為載波,這是很自然的,這是因為光的頻率很高,為1014~1015Hz,因此利用光通信會有更大的通信容量。但是光在大氣中受到的影響因素非常多,如大氣中水蒸氣塵埃的影響、惡劣天氣的影響。另外還受到激光束本身的影響,如激光束非常細小給光學設備的對準、控制及跟蹤帶來困難,所以限制了大氣光通信的使用。于是人們就想到利用介質來傳輸光信號,這種介質即是光導纖維。這種利用光導纖維傳輸光波信號的通信方式稱為光纖通信。人們通過大量的實驗發現,純凈的石英材料在0.8~1.8μm,對應的頻率為167~375THz 的近紅外光波入射,損耗很少。并且在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近損耗最低,光導纖維通常采用同軸圓柱體結構,由纖芯和包層構成。

     除了以上應用之外,電磁場與電磁波的應用還貫穿于很多電子通信領域,如利用目標對電波的散射而發現目標,并測定目標的空間位置的雷達、水下電磁波通信、極低頻(BLF)無線電通信、甚低頻(VLF)無線電通信、GMDSS系統、地面通信系統及船用設備、衛星通信系統及船用設備、INMARSAT系統、COSPAS SARSAT系統等。

以宏觀電磁理論為基礎,電磁信息的傳輸和轉換為核心的電磁場與電磁波工程技術將在電子通信領域充分發揮其重要作用。