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浅谈物理学原理在电子信息工程中的应用

2020-01-06 546 上传者：管理员

摘要：生活处处皆物理，物理学是自然科学的领头羊，从宇宙到基本粒子的运动形式和运动规则，都体现了物理学知识。因此电子信息工程中很多应用自然而然也都能用物理学原理来解释，那么想要未来从事以及现在从事电子信息工程工作的人士来说，学好物理知识的重要性显而易见。因为电子信息工程是一项涵盖信息技术、通信技术和现代电子技术于一体的专业，因此需要通晓的知识体系庞大，本文从常见的电子信息工程应用中的物理原理为出发点，探究两者间的必然联系，旨在为刚进入该领域学习的人士拓宽视野、相关专业技术人员开拓工作提供一定的借鉴和参考。

关键词：
原理应用
实践能力
物理学原理
电子信息工程
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电子信息工程是一个非常宽泛的概念，因为其中分类不同，很多大学对开设科目的侧重点就有所不同，但是根据人才的培养目标可以看出，该专业需要学生具备良好的网络技术知识储备，明白和理解电子系统设计相关知识，并对计算机技术、工程技术和外语能力有一定的要求。电子信息工程需要人才的宽口径、高素质和创新能力，需要具备扎实的电子信息工程相关基础，对动手能力和实践能力都需要很高的要求。

1、电子信息工程与物理学的必然联系

很多院校都开设了电子信息工程专业，学生需要学习大学物理和数学两大门学科，倘若要向集成电路方向发展，因为很多SOC和NOC都牵扯到数学建模和相关算法，因此对数学素质要求很高，在软件层面上需要对计算机编程很熟悉，物理的关系主要在电路方面。而根据就业前景来看，学生如果想要从软件方向相关的电子信息工程工作，那么对物理的掌握水平就不用太高，但是终归出于物理学科的重要性，电子信息工程专业中物理学仍是一门必修课。电子信息工程的就业方向众多，主要有硬件方向和软件方向。以下将分别说明：

1.1 硬件方向

电子信息工程中的基带和射频相关工作，需要掌握电路理论，熟悉掌握模拟电路和数字电路课程，以手机中的tranceiver和PA研究为例，射频是影响手机信号的重要因素，因为需要分析高频的干扰特性，滤波和传输线阻抗炸设计的时候需要匹配，因此专业性和学习难度非常明显，从事电子信息工程硬件方向工作，就应当学习物理学中的微波理论、通信原理、高频和数字信号处理等相关知识。

1.2 软件方向

电子信息工程软件方向可以是driver的底层驱动开发和应用层的控制、MMI协议，应用层指令通过发动指令给驱动层，进而控制驱动层的程序执行。其主要是通过ioctl和switch函数实现，因此软件方面电子信息工程与物理学的关系并不是很明显，但因为底层的驱动设计也是需要掌握一定的物理学知识，因此即使想从事软件方向工作也必须物理学作为支撑。

2、电子信息工程中物理学原理的应用

物理学是很多学科的基础，其电学和电磁学相关知识被广泛应用于电子信息工程。电子信息工程中物理学原理的应用也非常广泛。

2.1 磁悬浮列车

当今中国已经投入了磁悬浮列车的商业化运营，磁悬浮列车就是通过电磁力实现低空悬浮，克服地球地心引力带给传统列车与铁轨不可避免的摩擦，从而实现更快的运行速度。中国第一条磁悬浮专线的速度可以达到8分钟走完30多公里。其使用的常导磁吸型磁悬浮列车，是采用同名磁极相互排斥的物理学原理设计而成，列车两侧转化架上的电磁铁与轨道上的磁铁，通过磁场力的作用相斥令列车悬浮低空，从而实现克服摩擦力以达到更快的运行速度。磁悬浮列车的系统分为三部分，悬浮系统、推进系统和导向系统，悬浮系统分为电磁悬浮和电力悬浮，分别采用电磁场相斥实现无接触导向、电流斥力实现无接触导向。推进系统则使用同步直线电动机原理，推动列车做直线运动，实现非接触的牵引和制动。导向系统也是采用了悬浮系统相类似的物理学原理，“同性相斥，异性相吸”从而保证磁悬浮列车能按照导轨规定的方向运动。

2.2 移动通信信号传输

移动通信的概念非常宽泛，大到汽车火车，小到日常使用的手机，甚至于人体都可以看做是移动通信单位，以下介绍的主要是无线通信，其采用的物理学原理是无线电波信号。实现手机信号传输的实际上是电磁波，本质上看，其与天线电视的电磁波是相同的，但是波段上的不同导致传输效果不同。手机是一个传输内容的转换器，通过将人的声音、图像和视频等媒体转化成一定编码的电磁波，向外界扩散，手机既是一个接受信号的机器也是发送信号的集齐，以接受信号为例，手机将天线接受的射频信号，经过U400进入接收回路，通过天线开关的射频带通滤波器接收并方法，进入数字信号处理器进行信号的加工处理。本质上讲传输信号的过程也是大致相同的，手机的信号发射范围有限，因此需要电信运营商的接力设备支持，以无线电波的形式进行手机间的信号传输。

2.3 电子和通信器件开发

电子信息工程中很重要的一方面就是电子和通信器件的开发，以半导体开发为例，其主要应用的是电子学，固态电子学理论中的微电子学，是研究微型器件和电路系统的电子学分支。半导体微电子学中物理知识的应用和研究领域主要是半导体物理、半导体器件物理、集成电路相关。半导体领域中的等比例缩小定论，其指导思想是恒定电场（CE）规律，其延伸出来的规律是恒定电压等比例缩小（CV）规律和准恒定电场等比例缩小（QCE）规律，会影响到电子器件的尺寸、负载电容、功耗、集成密度等诸多方面。影响电子器件尺寸的因素中，材质也非常重要，例如高K介质、SOI介质都是典型代表，但是其中不仅仅包含了物理学知识，还有相应的化学原理。

3、电子信息工程中物理学原理的应用前景

物理学在电子信息工程中的应用广泛，并且其基本理论为电子信息工程的发展提供理论基础，在通信方向、多媒体方向、射频、微波电路、微电子方向、数字电子线路等方向都有非常广泛的应用。

通信方向可以进行工程设计、基站机房的调试工作，也可以进行路由器、交换器和软件的开发，需要要求技术人员懂7号指令并且了解相关的通信协议，也要学习ARM、Linux等开发平台；多媒体方向可以进行音频和视频的编码；射频和微波电路是通信系统的核心组成，高频模拟电路的设计也需要物理学知识为支撑。微电子技术中物理学应用的发展，主要是其集成电路将逐渐发展为系统SOC芯片，因为硅微电子技术对集成度的影响较大，因此晶圆尺寸增大也会影响芯片的产量和性价比。在微电子技术与其他领域相互穿插杂糅以后会生成新的产业，其中比较典型的是MEMS和DNA芯片。数字电子线路方向可以从事单片机、微机接口的开发，是很多电子信息工程专业的主要从事方向。

因为电子信息工程相关的很多就业方向都涉及到底层开发，需要掌握开发平台的应用，例如C语言、ARM、Linux等等都需要根据自己的研究方向不同进行涉及。这也就意味着在学习和培训中电子信息工程技术人员不仅要掌握本专业知识，还要对物理学、计算机、化学等基本原理进行广泛涉猎，扎实掌握。但正是因为对人才的要求更高，电子信息工程专业人才非常稀缺，其就业前景和发展前景非常广阔。

4、结语

总而言之，物理是一门非常重要的学科，经典物理中包含电磁学理论是学习电子信息工程的基础。因为电磁学在电子信息工程中的使用非常广泛，因此也意味着工作人员和相关专业学生要将物理学掌握扎实、认真理解，真正掌握其中的内涵。电子信息工程师一门理科学科，大学学习该专业就需要针对实验、学术不断研究，以提升知识技能和分析解决问题的基本素养，这就需要肯吃苦的钻研精神和创新进取的科研精神，以保证未来学习和工作的稳步推进。

参考文献：

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