电磁场与电磁波在电子通信技术领域中的应用

电磁场与电磁波电磁场与电磁波 在电子通信技术领域中的应用在电子通信技术领域中的应用 姓名姓名 陈龙陈龙 学号 学号 电 磁现象是大自然最重要的物理现象 也是最早被科学家们关心和研究 的物理现象 19 世纪以前 电 磁现象作为两个独立的物理现象 没有发现电 与磁的联系 但是这些研究为电磁学理论的建立奠定了基础 18 世纪末期 德 国哲学家谢林认为 宇宙是有活力的 而不是僵死的 他认为电就是宇宙的活 力 是宇宙的灵魂 电 磁 光 热是相互联系的 法拉第在谢林的影响下 相信电 磁 光 热是相互联系的 奥斯特 1820 年发现电流以力作用于磁针后 法拉第敏锐地意识到 电可以对磁产生作用 磁也一定能够对电产生影响 1821 年他开始探索磁生电的实验 1831 年他发现 当磁捧插入导体线圈时 导 体线圈中就产生电流 这表明电与磁之间存在着密切的联系 麦克斯韦深入研 究并探讨了电与磁之间相互作用的关系 并发展了场的概念 他在法拉第实验 的基础上 总结了宏观电磁现象的规律 引进位移电流的概念 这个概念的核 心思想是 变化着的电场能产生磁场 与变化着的磁场产生电场相对应 在此 基础上提出了一组表达电磁现象基本规律的偏微分方程 称为麦克斯韦方程组 成为经典电磁场理论的基本内容 电磁场作为无线电技术的理论基础 集中于三大类应用问题的研究 电磁 场 或电磁波 作为能量的一种形式 是当今世界最重要的能源 其研究领域 涉及能量的产生 储存 变换 传输和综合利用 电磁波作为信息传输的载体 成为当今人类社会发布和获取信息的主要手段 主要研究领域为信息的产生 获取 交换 传输 储存 处理 再现和综合利用 电磁波作为探测未知世界 的一种重要手段 主要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性 目标特征的 获取与重建 探测新技术等 1887 年 德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线 用另一个带隙的环 状天线接收 证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言 这一重要的实验导致了 后来无线电报的发明 从此开始了电磁场理论应用与发展的时代 并且发展成 为当代最引人注目的学科之一 1895 年意大利马可尼成功地进行了 2 5 公里距 离的无线电报传送实验 1896 年 波波夫进行了约 250 米距离的类似试验 1899 年 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功 1901 年 跨越大西洋的 3200 公里距离的试验成功 马可尼以其在无线电报等领域的成就 获得了 1909 年的 诺贝尔奖金物理学奖 无线电报的发明 开始了利用电磁波时期 1876 年美国 A G 贝尔在美国建国 100 周年博览会上展示了他所发明的有线电话 此后 有线 电话便迅速普及开来 1906 年美国费森登用 50 千赫频率发电机作发射机 用 微音器接入天线实现调制 使大西洋航船上 的报务员听到了他从波士顿播出的 音乐 1919 年 第 一个定时播发 语言和音乐的无线电广播电台在英国建成 次年 在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台 1884 年德国尼普科夫提 出机械扫描电视的设想 1927 年 英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦 传至大西洋中的船上 兹沃霄金在 1923 和 1924 年相继发明了摄像管和显像管 1931 年 他组装成世界上第一个全电子电视系统 二次世界大战前夕 飞机成 为主要进攻武器 英 美 德 法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置 1936 年 英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行 有效地警戒了来自德国 的轰炸机 1938 年 美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达 1940 年 多腔磁控管的发明 微波雷达的研制成为可能 1944 年 能够自动跟踪飞 机的雷达研制成功 1945 年 能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明 使雷达更加完善 在整个第二次世界大战期间 雷达成了电磁场理论最活跃的部 分 1958 年美国发射低轨的 斯科尔 卫星成功 这是第一颗用于通信的试验卫 星 1964 年 借助定点同步通信卫星首次实现了美 欧 非三大洲的通信和电 视转播 1965 年 第一颗商用定点同步卫星投入运行 1969 年 大西洋 太平洋 和印度洋上空均已有定点同步通信卫星 卫星地球站已遍布世界各国 这些卫星 地球站又和本国或本地区的通信网接通 卫星通信经历 10 年的发展 终趋于成 熟 1957 年卫星发射成功后 人们试 图将雷达引入卫星 实现以卫星为基 地对地球表面及近地空间目标的定位和导航 1958 年底 美国开始研究实施这 一计划 于 1964 年研究成功子午仪卫星导航系统 1973 年美国提出了由 24 颗 卫星组成的实用系统新方案 即 GPS 计划 它是英 Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System 的字头缩写 NAVSTAR GPS 的简称 其 含义是利用导航卫星进行测时和测距 1990 年最终的 GPS 方案是由 21 颗工作 卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 电磁场与电磁波理论在人们的需求中一步步地发展应用 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技术将充分发挥其重要作用 当今的无线 通信 广播 雷达 遥控遥测 微波遥感 无线因特网 无线局域网 卫星定 位以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的 电磁场与电磁波的应用贯穿于整个移动通信技术 20 世纪 20 年代 现代 移动通信技术的发展宣告开始 从 20 世纪 20 年代至 40 年代是现代移动通信的 起步阶段 1987 年 11 月 18 日 中国第一个 TACS 模拟蜂窝移动电话系统在广 东省建成并投入商用 这一时期的系统主要是依赖第一代移动通信技术 1G 采用的是模拟技术和频分多址 FDMA 技术 第二代移动通信 2G 主要采 用的是数字的时分多址 TDMA 技术和码分多址 COMA 技术 频谱利用 率高 可大大提高系统容量 能提供数字化的语言业务及低速数据业务 目前 正在迅速发展的是第三代移动通信技术 3G 它是将高速移动接入和基于互 联网协议的服务结合起来 提高无线频率的利用效率 实现高速数据传输和宽 带多媒体服务 传输速率最低为 384KB s 最高为 2MB s 带宽可达 5MHz 以上 使用频率 1 885 2 025GHz 和 2 110 2 200GHz 提供全球覆盖 实现有线和无线 以及不同无线网络之间业务的无缝连接 满足多媒体业务的要求 主要技术有 WCDMA CDMA2000 TD SCDMA 3G 系统仍然无法满足未来的多媒体通 信的需求 未来的移动通信系统是第四代移动通信系统 4G 它是宽带 broadband 接入和分布网络 具有更高的无线频率使用效率 且具有更好的 抗信号衰落性能 上网速度可提高到 100MB s 具有不同频率间的自动切换能 力 电磁场与电磁波的应用贯穿于整个微波通信 微波通信是指利用微波频率 用作载波携带信息 通过无线电波进行中继接力的通信方式 微波是指频率为 300MHz 300GHz 的电磁波 微波的波长很短 绕过障碍物而传播的尺度很小 这就决定微波通信只能采取中继接力方式 大约 50km 就必须设一个微波中继 站 较大的通信系统需要建设非常多的中继站 这也限制了它的使用 电磁场与电磁波的应用贯穿于卫星通信 卫星通信是利用人造地球卫星作 为中继站 转发或反射无线电波 在两个或多个地球站之间进行通信 地球站 是设在地球表面 包括地面 海洋和大气中的通信站 实际上卫星通信可以看 作是利用微波频率 把通信卫星作为中继站而进行的一种特殊的微波中继通信 卫星通信工作频段与微波通信相同 目前民用通信卫星使用同步工作方式 称 为同步卫星通信系统 从地面上看 这颗卫星永远像挂在天空不动 因此同步 卫星也称为 静止卫星 电磁场与电磁波的应用贯穿于光纤通信 以光作载波的通信方式即是光通 信 人们想到以光作为载波 这是很自然的 这是因为光的频率很高 为 1014 1015Hz 因此利用光通信会有更大的通信容量 但是光在大气中受到的 影响因素非常多 如大气中水蒸气尘埃的影响 恶劣天气的影响 另外还受到 激光束本身的影响 如激光束非常细小给光学设备的对准 控制及跟踪带来困 难 所以限制了大气光通信的使用 于是人们就想到利用介质来传输光信号 这种介质即是光导纤维 这种利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤 通信 人们通过大量的实验发现 纯净的石英材料在 0 8 1 8 m 对应的频率 为 167 375THz 的近红外光波入射 损耗很少 并且在 0 85 m 1 31 m 和 1 55 m 附近损耗最低 光导纤维通常采用同轴圆柱体结构 由纤芯和包层构 成 除了以上应用之外 电磁场与电磁波的应用还贯穿