耦合模理论

　　研究两个或多个电磁波模式间耦合的一般规律的理论，又称耦合波理论。广义地说，它是研究两个或多个波动之间耦合的普遍理论。耦合可以发生在同一波导（或腔体）中不同的电磁波模式之间，也可以发生在不同波导（或腔体）的电磁波模式之间。通常，耦合发生在同一类波动之间，但也可以发生在不同类型的波动之间，例如行波管中的两个电磁波模式与两个空间电荷模式之间的耦合。

　　J.R.皮尔斯在40年代研究微波电子管时首先提出耦合模概念，随后S.E.米勒和S.A.谢昆诺夫发展了这一概念，并初步建立了波导模式耦合的基本理论。在50～60年代，耦合模理论已成功地用于分析参量放大器、多模圆波导传输和各向导性媒质填充波导等问题,中国科学家黄宏嘉提出耦合本地简正模的广义理论，深化了耦合模概念并简化了分析方法。70年代以来，耦合模理论又成功地应用于光波导问题，对光纤通信和光纤传感有重要的实际意义。

　　描述各耦合模幅度关系的一阶常微分方程组 ，式中Ai为耦合系统中第i个模的幅度;在耦合传输线问题中Kij＝jβi，在耦合振荡问题中Kij＝jωi,βi和ωi分别为模式i的相移常数和振荡频率;Kij(i厵j)为耦合系数,在传输线问题中是空间坐标z的函数,在振荡问题中是时间t的函数,是单位耦合长度或单位时间内由单位幅度的模j所激发的模i的幅度。将方程组 (1)写成矩阵形式 ，式中A为列矩阵，k为耦合系数方阵。

　　耦合模方程的解 根据耦合系数和边界条件的具体情况得出。耦合能力Qij表示模式i和j之间的耦合强弱。对于非周期性耦合

　　指任何i、j(i厵j)都符合条件

　　Qij1　(3)

　　设只有单位幅度的模式1输入的耦合系统,即有边界条件

　　A1(0)＝1　Ai(0)＝0　(i厵1)　(4)

　　则在z=L处的近似解为

　　可见，即使存在多个模之间的耦合，仍可以分别考虑每一个模与输入模之间的耦合，从而使问题简化。

　　通常，强耦合只发生在两个耦合模式(如1和2)之间，忽略其他耦合模，可将式(1)简化为设只有模式1输入耦合系统,且β1＝β2＝β(即Q12→∞)和K12＝K21＝－jc都是常数，则式(6)的解为给出|A1|和|A2|随坐标z的变化的曲线,其中实线表示β1=β2情况下的解式(7),说明两种模式之间可以实现能量的完全转换；虚线表示常耦合和β1厵β2情况下的解，可见,这时不可能实现能量的完全转换。

　　在周期性耦合情况下，耦合能力为

　　适当选择周期λ1，即使在Kii厵Kjj的情况下也可能使实现模式间能量的完全转换。

　　耦合模方程的不同形式 为了导出耦合模方程，需要将麦克斯韦方程中的场按正交函数集展开，采用不同的正交函数集能得到不同的耦合模方程。例如，波导中的正交函数集对应于其全部电磁波模式（对于开波导还应包括辐射模）。凡沿波导独立传输而不存在耦合的都称为简正模，耦合模则是非简正模。不均匀波导中的电磁波可以按参考波导中的简正模集展开，选择不同的参考波导，对应有不同的简正模集，得到不同的耦合模方程。

　　以变截面波导为例。用虚线表示不同截面位置处的三种参考波导所分别对应的三组简正模：理想模、本地模和超本地模。与理想模对应的参考波导是均匀波导，其截面形状和大小与实际波导输入端处一致；与本地模对应的参考波导是截面形状和大小与观察点处实际波导相一致的均匀波导；与超本地模对应的参考波导是形状与观察点处实际波导一致、且两者纵剖面边界线相切的喇叭形波导。后两组模式随观察点位置而改变，其模式特性主要由“本地”特性决定。

　　耦合模方程式 (1)在系统平均下可转化为耦合功率方程，由此出发研究长距离导波结构中各种随机不均匀性对传输特性的影响。这一理论可用来解决多模光纤传输问题。

广义的电磁辐射通常是指电磁波频谱而言。狭义的电磁辐射是指电器设备所产生的辐射波，通常是指红外线以下部分。

　　电磁辐射是传递能量的一种方式，辐射种类可分为三种：

　　游离辐射

　　有热效应的非游离辐射

　　无热效应的非游离辐射

　　基地台电磁波 绝非游离辐射波

　　电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和积累效应等。

　　热效应：人体内70%以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互摩擦，引起机体升温，从而影响到身体其他器官的正常工作。

　　非热效应：人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，它们是稳定和有序的，一旦受到外界电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即遭到破坏，人体正常循环机能会遭受破坏。

　　累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态或危及生命。对于长期接触电磁波辐射的群体，即使功率很小，频率很低，也会诱发想不到的病变，应引起警惕！

　　各国科学家经过长期研究证明：长期接受电磁辐射会造成人体免疫力下降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、提前衰老、心率失常、视力下降、听力下降、血压异常、皮肤产生斑痘、粗糙，甚至导致各类癌症等；男女生殖能力下降、妇女易患月经紊乱、流产、畸胎等症。但是暂时未经实验证明，也无大规模的数据统计证实存在必然联系

　　具有防电磁波辐射危害的食物有：绿茶、海带、海藻、裙菜、Va、Vc、Vb1.卵磷脂、猪血、牛奶、甲鱼、蟹等动物性优质蛋白等。

　　降低电磁波的不良影响，就必须养成自我防范的习惯。一般电器行都有贩售「电磁波测试笔」，可以轻易测出电磁波的强度，只要超过标准就会发出警讯，使用者就应远离被测物直至警讯消失为止。

　　要测知电气产品是否有辐射或电磁波，也可以采取比较简便的方式，就是利用家用、小型可接收AM（调幅）频道的收音机，打开后将频道调在没有广播的地方，并且靠近所要测量的 电视、冰箱、微波炉或电脑等家电用品，如果发现收音机所传出的 噪音突然变大，说明该电器周围有较强的电磁辐射。走出一段距离后，噪声就会恢复原来较小的噪音量；如此即可测出「安全」距离来。

　　不同的电器也有不同的防范办法，像电脑用过最好只关萤幕不关机，电脑萤幕改换成液晶萤幕；接听手机时，手机最好不要放在腰间或裤子口袋中，而应该用手持或放置于距离人体五十公分处；购买住宅则在远离变电设备及基地台设置地点。

　　1993 年瑞典北欧三国研究调查公布，受到2mG 以上电磁辐射影响，罹患白血病的机会是正常人的 2.1 倍，罹患脑肿疡的机会是正常人的1.5 倍，以上资料摘自日本1996.3 出版SAPIO 杂志。

　　(4-1), 专家建议：

其实并不是任何电磁辐射对人体都有影响，只要强度不大，对人体就没有多少危害。至于市场上卖的防电磁辐射的产品，大多没有任何作用，大家不要上当受骗。切记，屏蔽电磁波的方法只有用金属网或金属板，要么就用厚的混凝土或泥土来吸收。如果无法屏蔽强度较强的电磁波，让你不受影响唯一方式就是远离辐射源，因为电磁波的强度和距离的平方成反比，即距离为原来两倍，强度就降低为原来四分之一。

　　与声波和水波相似，电磁波具有波的性质。可以发生折射等现象。它的速度，波长，频率之间满足关系式：

　　传播速度=波长×频率。

　　电磁波在空气中的传播速度为光速，波长λ=300/频率F（GHz）mm。从同步卫星到地球的传播时间大约1/8秒。

　　波速不变，波长和频率成反比

　　电磁波为横波，可用于探测、定位、通信等等。

　　电磁波谱(波长从长到短)是无线电波，微波，红外线，可见光,紫外线，伦琴射线(X射线),伽玛射线.

　　应用：

　　无线电波用于通信等

　　微波用于微波炉、卫星通信等

　　红外线用于遥控、热成像仪、红外制导导弹等

　　可见光是所有生物用来观察事物的基础

　　紫外线用于医用消毒，验证假钞，测量距离，工程上的探伤等

　　X射线用于CT照相

　　伽玛射线用于治疗,使原子发生跃迁从而产生新的射线等.

　　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。

　　电磁波的电场(或磁场)随时间变化，具有周期性。在一个振荡周期中传播的距离叫波长。振荡周期的倒数，即每秒钟振动(变化)的次数称频率。

　　很显然，波长与频率的乘积就是每秒钟传播的距离，即波速。令波长为λ，频率为f，速度为V，得： λ=V/f波长入的单位是米(m)，速度的单位是米/秒(m/sec)，频率的单位为赫兹(Hertz，Hz)。 整个电磁频谱，包含从电波到宇宙射线的各种波、光、和射线的集合。不同频率段落分别命名为无线电波(3KHz—3000GHz)、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线(伽马射线)和宇宙射线。 在19世纪末，意大利人马可尼和俄国人波波夫同在1895年进行了无线电通信试验。在此后的100年间，从3KHz直到3000GHz频谱被认识、开发和 逐步利用。根据不同的持播特性，不同的使用业务，对整个无线电频谱进行划分，共分9段：甚低频(VLF）、低频(LF)、中频(MF)，高频(HF)、甚 高频(VHF)\特高频(uHF)\超高频(sHF)\极高频(EHF)和至高频，对应的波段从甚(超)长波、长波、中波、短波、米波、分米波、厘米波、 毫米波和丝米波(后4种统称为微波)。见下表。无线电频谱和波段划分

　　段号 频段名称 频段范围（含上限不含下限） 波段名称 波长范围（含上限不含下限）

　　1 甚低频（VLF） 3～30千赫（KHz） 甚长波 100～10km

　　2 低频（LF） 30～300千赫（KHz） 长波 10～1km

　　3 中频（MF） 300～3000千赫（KHz） 中波 1000～100m

　　4 高频（HF） 3～30兆赫（MHz） 短波 100～10m

　　5 甚高频（VHF） 30～300兆赫（MHz） 米波 10～1m

　　6 特高频（UHF） 300～3000兆赫（MHz） 分米波 微波 100～10cm

　　7 超高频（SHF） 3～30吉赫（GHz） 厘米波 10～1cm

　　8 极高频（EHF） 30～300吉赫（GHz） 毫米波 10～1mm

　　9 至高频 300～3000吉赫（GHz） 丝米波 1～0.1mm

　　“特定电磁波谱”（TDP）是由特定的加热器对治疗板产生的波长范围在2-25μm，强度范围（28-35mw/cm²）内分布的特定电磁波，当人体匹配接收后与体内细胞所含相同物质产生谐振，因而可增强微循环作用，促进新陈代谢，产生对人体病变的修复，使病患者能迅速康复，非病患者能提高自身的抵抗能力。

　　例如国仁TDP，在经大量临床试验的基础上，确认特定电磁波谱的照射可应用于治疗颈椎病，腰椎间盘突出、腰痛，腰饥劳损，风湿关节炎，坐骨神经痛，面神经麻痹，术后伤口愈合，外伤感染，冻疮，胃炎、横隔膜痉挛、神经性皮炎、湿疹，偏头痛、头痛、痛经，痔疮等。被广泛应用到外科、内科、妇科、儿科、神经科及其它疾病。同时经过国家计量科学院等权威机构的精确测定，证实对人体无任何副作用。

　　电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。

　　其速度等于光速c（每秒3×10^8米）。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长λ，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=λf。

　　通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。电磁波的应用。

　　电磁波为横波，可用于探测、定位、通信等等。

　　电磁波谱是无线电波，微波，红外线，可见光,紫外线，伦琴射线(X射线),伽玛射线.首先，无线电波用于通信等，微波用于微波炉，红外线用于遥控,热成像仪，红外制导导弹等，可见光是所有生物用来观察事物的基础，紫外线用于医用消毒，验证假钞,测量距离，工程上的探伤等，X射线用于CT照相，伽玛射线用于治疗,使原子发生跃迁从而产生新的射线等.

　　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，还要将图象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。

　　无线电广播利用的电磁波的频率很高，范围也非常大，而电视所利用的电磁波的频率则更高，范围也更大。

　　此外，电磁波还应用于手机通讯、卫星信号、导航、遥控、定位、家电（微波炉、电磁炉）红外波、工业、医疗器械等方面。

　　因为电磁波具有波粒二象性，波长与光子能量成反比关系，当波长越短光子能量越大，则穿透力越强。如高能X射线几乎能穿透所有非金属物，甚至还可以穿透薄铝。而Y射线则能穿透大多数金属，只有重金属（如很厚的铅板）才能将其挡住。

　　（1）电磁辐射是心血管疾病、糖尿病、癌突变的主要诱因之一

　　（2）电磁辐射会对人体生殖系统、神经系统和免疫系统造成直接伤害

　　（3）电磁辐射是造成孕妇流产、不育、畸胎等病变的诱发因素之一

　　（4）过量的电磁辐射直接影响儿童身体组织、骨骼发育，导致视力、肝脏造血功能下降，严重者可导致视网膜脱落

　　（5）电磁辐射可使男性性功能下降、女性内分泌紊乱。

　　1.电磁环境标准及相关规定。为控制现代生活中电磁波对环境的污染，保护人们身体健康，1989年12月22日我国卫生部颁布了《环境电磁波卫生标准》( GB9175－88)，规定居住区环境电磁波强度限制值：长、中、短波应小于lOV/m，超短波应小于5V/m，微波应小于10μW/cm2。我国有关部门还制订了《电视塔辐射卫生防护距离标准》，国家环保局也颁布了《电磁辐射环境保护管理办法》。

　　针对移动通信发展状况，北京市环保局于2000年2月17日颁布了全国首例对电磁污染进行规范管理的《北京市移动通讯建设项目环境保护管理规定》(试行)，以规范移动通信台(站)的建设和运行，防止其对环境造成电磁污染。该规定中明确了能够产生电磁辐射的移动通信台(站)在建设前均要履行环保审批手续，并要办理环保验收审批，经环保部门的监测，当地功率密度符合国家《电磁辐射防护规定》中的频率在20 MHz～3000 MHz范围内、照射导出限值的功率密度在40μW/cm2这一标准，才可正式投人使用，大于这一标准的必须停用或整改；建设蜂窝移动通讯基站前要预测用户密度分布，采用最佳频率复用方式，尽量减少基站个数；在居民楼上建设移动通信台(站)，事前建筑物产权单位或物业管理单位必须征得所住居民意见；无线寻呼通信、集群通信天线最低允许高度不得低于40m,而蜂窝移动通信基站室外天线一般不得低于25m,发射天线主射方向50m范围内、非主射方向30m范围内，一般不得建高于天线的医院、幼儿园、学校、住宅等建筑；建设单位应在上述各类天线安装地点设置电磁辐射警示牌。

　　2. 电磁波防护措施。根据电磁波随距离衰减的特性，为减少电磁波对居民的危害，应使发射电磁功率较大、可能产生强电磁波的工作场所和设施，如电视台、广播电台、雷达通信台站、微波传送站等，尽量设在远离居住区的远郊区县或地势高的地区。必须设置在城市内、邻近居住区域和居民经常活动场所范围内的设施，如变电站等，应与居住区间保持一定安全防护距离，保证其边界符合环境电磁波卫生标准的要求。同时，对电磁波辐射源需选用能屏蔽、反射或吸收电磁波的铜、铝、钢等金属丝或高分子膜等材料制成的物品进行电磁屏蔽，将电磁辐射能量限制在规定的空间之内。

　　3.高压特别是超高压输电线路应远离住宅、学校、运动场等人群密集区。使用电脑时，应选用低辐射显示器，并保持人体与显示屏正面不少于75cm的距离，侧面和背面不少于90cm，最好加装屏蔽装置。

　　4.应严格控制移动通信基站的密度，确保设置在市区内的各种移动通信发射基站天线高于周围建筑，在幼儿园、学校校舍、医院等建筑周围一定范围内不得建立发射天线。

　　5.为减轻家庭居室内电磁污染及其有害作用，应经常对居室通风换气，保持室内空气畅通。科学使用家用电器：例如，观看电视或家庭影院、收听组合音响时，应保持较远距离，并避免各种电器同时开启；使用电脑或电子游戏机持续时间不宜过长等。

　　6.使用手机电话时，尽量减少通话时间；手机天线顶端要尽可能偏离头部，尽量把天线拉长；在手机电话上加装耳机等。

　　7.另外，可每天服用一定量的维生素C或者多吃些富含维生素C的新鲜蔬菜，如辣椒、柿子椒、香椿、菜花、菠菜等；多食用新鲜水果如柑橘、枣等。饮食中也注意多吃一些富含维生素A、C和蛋白质的食物，如西红柿、瘦肉、动物肝脏、豆芽等；经常喝绿茶。这些饮食措施，可在一定程度上起到积极预防和减轻电磁辐射对人体造成伤害的作用。

　　8.电磁波辐射是近三四十年才被人们认识的一种新的环境污染，现在人们对电磁辐射仍处于认识和研究阶段。由于它看不见、摸不着、不易察觉，所以容易引起人们的疑虑。另外，有些关于电磁辐射的报道不太客观、缺乏科学性，导致了不必要的误解和恐慌。一般地说，判定电磁辐射是否对居住环境造成污染，应从电磁波辐射强度、主辐射方向、与辐射源的距离、持续时间等几方面综合考虑。所以，在加强电磁防护同时，对电磁波污染问题也应采取科学的态度，客观分析、严肃对待，切不可人云亦云，不负责的盲目夸大，造成人们认识的混乱。当然，随着科学技术水平的发展，人们对电磁波污染及其危害的认识会逐渐深人，许多谜底终将被揭开.