电磁波基础理论培训教材

电磁波基础理论培训 2 电磁波基础理论主要包括两个方面 1 电磁波频谱 2 微波器件 3 1 电磁波频谱 1 1电磁波的发展史 1822年 法拉第开始了把磁转变成电的实验 终于在1831年发现磁引起电的现象 称为电磁感应现象 19世纪初期 物理学家奥斯特发现了电导体线周围空间存在着磁场 英国物理学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象成果的基础上 提出了电磁场理论 他认为 变化着的磁场之所以能在闭合导线中产生电流 是因为变化着的磁场在其周围空间产生了电场 这个电场使导线中的自由电子受到力的作用 沿着导线运动形成电流 如果没有导线存在 这个电场依然存在 同样 变化的电场跟电流一样 也能在它周围空间产生磁场 4 麦克斯韦根据自己的理论进一步预言 如果在空间某区域存在变化的磁场 这个变化的磁场就在它周围空间产生变化的电场 新产生的变化电场再在周围空间产生新的变化磁场 这种变化的电场和变化的磁场交替产生 在周围空间由近及远往外传播 因为它是由电场和磁场组成的 所以叫做电磁波 1887年 德国物理学家赫兹通过实验 第一次用人工方法产生了电磁波 证明麦克斯韦关于存在电磁波的预言是完全正确的 19世纪末 俄国人波波夫和意大利人马可尼 利用电磁波通信先后获得成功 开创了人类运用电磁波的新时代 5 1 2电磁波的特性 电磁波是一种能量传输形式 在传播过程中 电场和磁场在空间是相互垂直的 同时这两者又都垂直于传播方向 6 电磁波的传播 7 电磁波的极化 电磁波在空间传播时 其电场方向是按一定的规律而变化的 这种现象称为无线电波的极化 无线电波的电场方向称为电波的极化方向 如果电波的电场方向垂直于地面 我们就称它为垂直极化波 如果电波的电场方向与地面平行 则称它为水平极化波 8 电磁波在传播时会减弱 无线电波和光波一样 它的传播速度和传播媒质有关 无线电波在真空中的传播速度等于光速 我们用 公里 秒表示 在媒质中的传播速度为 式中 为传播媒质的相对介电常数 空气的相对介电常数与真空相对介电常数很接近 略大于 因此 电磁波在空气中的传播速度略小于光速 通常我们就认为它等于光速 9 该关系可用式 表示 其中 为速度 单位为米 秒 为频率 单位为赫兹 为波长 单位为米 由上述关系式不难看出 同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时 速度是不同的 因此波长也不一样 我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数 约为2 1 因此 1 44 1 44 10 光纤通信中的光波 光纤通信的载波是光波 虽然光波和电波都是电磁波 但是频率差别很大 光纤通信用的近红外光 波长约1 m 的频率 约300THz 比微波 波长为0 1m 1mm 的频率 3 300GHz 高3个数量级以上 光纤通信用的近红外光 波长为0 7 1 7 m 频带宽度约为200THz 在常用的1 31 m和1 55 m两个波长窗口频带宽度也在20THz以上 由于光源和光纤特性的限制 目前 光强度调制的带宽一般只有20GHz 因此还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘 色散和损耗是光纤的两个重要指标 色散 Dispersion 是在光纤中传输的光信号 由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应 色散一般包括模式色散 材料色散和波导色散 11 石英光纤在近红外波段 除杂质吸收外 其损耗随波长的增加而减小 在0 85 m 1 31 m 1 55 m有三个损耗很小的波长 窗口 在这三个波长窗口损耗分别小于2dB km 0 4dB km 0 2dB km 石英光纤在波长1 31 m色散为零 实现损耗和色散都最小的色散移位单模光纤 根据光纤传输特性的特点 光纤通信系统的工作波长都选在0 85 m 1 31 m或1 55 m 特别是1 31 m和1 55 m应用更加广泛 因此 作为光源的激光器的发射波长和作为光检测器的光电二极管的波长响应 要和光纤这三个波长窗口相一致 目前在实验室条件下 1 55 m的损耗已达到0 154dB km 接近石英光纤损耗的理论极限 因此人们开始研究新的光纤材料 光纤是光纤通信的基础 光纤的技术进步 有力地推动着光纤通信向前发展 12 电磁波的传播方式 直射直射是无线电波在自由空间传播的方式 反射当电磁波遇到比波长大得多的物体时 就会发生反射 反射常发生在地球表面 建筑物和墙壁表面 绕射当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时 就发生绕射 散射当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体 并且单位体积内这种障碍物数目非常巨大时 就会发生散射 13 电磁波的多径传播 电波除了直接传播外 遇到障碍物例如 山丘 森林 地面或楼房等高大建筑物 还会产生反射 因此 到达接收天线的超短波不仅有直射波 还有反射波 这种现象就叫多径传输 14 衰落特性 衰落一般分为慢衰落和快衰落两种慢衰落慢衰落是由接收点周围地形 地物对信号反射 使得信号电平在几十米范围内有大幅度的变化 若MS在没有任何障碍物的环境下移动 则某点信号电平与该点和发射机的距离有关 快衰落快衰落是叠加在慢衰落的信号上 这个衰落的速度很快 每秒钟可达到几十次 除与地形地物有关 还与MS的速度和信号的波长有关 并且幅度可达几十个dB 信号的变化呈瑞利分布 也叫瑞利衰落 15 对于移动通信的电波传播 其衰落特性由下列已知公式及图示表征 自由空间的传播衰耗 Lbs 27 56 20lgD m 20lgf MHz f 1000MHz 准平滑地形市区路径传播衰耗中值 Ltt Lbs Am f d Hb hb d Hm hm f Am f d Hb hb d Hm hm f 为相应的修正因子 其中An f d 为基本衰耗中值 Hb hb d 为基站天线高度增益因子 Hm hm f 为移动天线高度增益因子 16 准平滑地形城市路径传播衰耗中值 17 移动台天线高度增益因子 18 基站天线高度增益因子 19 1 3移动通信频段划分 GSM主频段 下行 BTS发 MS收 935 960MHz 上行 MS发 BTS收 890 915MHz共25MHz 其中 中国移动占用频段为 下行 BTS发 MS收 935 954MHz 上行 MS发 BTS收 890 909MHz共19MHz 中国联通占用频段为 下行 BTS发 MS收 954 960MHz 上行 MS发 BTS收 909 915MHz共6MHz 20 GSM扩展频段为 下行 BTS发 MS收 930 935MHz 上行 MS发 BTS收 885 890MHz共5MHz CDMA系统频率安排如下 下行 BTS发 MS收 870 880MHz 上行 MS发 BTS收 825 835MHz共10MHz DCS频率安排如下 下行 BTS发 MS收 1805 1880MHz 上行 MS发 BTS收 1710 1785MHz 21 GSM1800M频段中 中国移动占用 下行 BTS发 MS收 1805 1820MHz 上行 MS发 BTS收 1710 1725MHz共15MHz 中国联通占用 下行 BTS发 MS收 1840 1850MHz 上行 MS发 BTS收 1745 1755MHz共10MHz 22 1500M公共频段 下行 BTS发 MS收 1495 1525MHz 上行 MS发 BTS收 1427 1457MHz PHS系统频段1900MHz 1920MHz 从信道18至信道83 在运营商提出申请频率时 建议使用信道号18 83 既1900 25MHz 1904 75MHz的15个载波频点 频率间隔300K 23 为满足第三代 3G 蜂窝移动通信技术和业务发展的需求 2002年对3G系统使用的频谱作出了如下规划 1 第三代公众蜂窝移动通信系统的主要工作频段 频分双工 FDD 方式 1920 1980MHz 2110 2170MHz 时分双工 TDD 方式 1880 1920MHz 2010 2025MHz 2 第三代公众蜂窝移动通信系统的补充工作频段 频分双工 FDD 方式 1755 1785MHz 1850 1880MHz 时分双工 TDD 方式 2300 2400MHz 3 IMT 2000的卫星移动通信系统的工作频段 1980 2010MHz 2170 2200MHz 无线局域网规划频率 2400MHz 2483 5MHz和5725MHz 5850MHz 24 2 微波器件 微波元件的功能在于对微波信号进行各种变换 按其变换性质可将微波元件分为如下三类 一 线性互易元件 凡是元件中没有非线性和非互易性物质都属于这一类 常用的线性互易元件包括 匹配负载 衰减器 移相器 短路活塞 功分器 微波电桥 定向耦合器 阻抗变换器和滤波器等 25 二 线性非互易元件 这类元件中包含磁化铁氧体等各向异性媒质 具有非互易特性 其散射矩阵是不对称的 但仍工作于线性区域 属于线性元件范围 常用的线性非互易元件有隔离器 环行器等 三 非线性元件 这类元件中含有非线性物质 能对微波信号进行非线性变换 从而引起频率的改变 并能通过电磁控制以改变元件的特性参量 常用的非线性元件有检波器 混频器 变频器以及电磁快控元件等 26 微波元件分类 近年来 为了实现微波系统的小型化 开始采用由微带和集中参数元件组成的微波集成电路 可以在一块基片上做出大量的元件 组成复杂的微波系统 完成各种不同功能 27 波导中的电抗元件 电抗元件包括电感器和电容器 电感器是指能够集中磁场和存储磁能的元件 而电容器是指能够集中电场和存储电能的元件 电容膜片在矩形波导的横向放置一块金属膜片 在其上对称或不对称之处开一个与波导宽壁尺寸相同的窄长窗口 如图所示 电容膜片及其等效电路 电纳的近似计算公式为 28 矩形波导中的电感膜片及其等效电路如图所示 当在波导窄壁上放置金属膜片后 会使波导宽壁上的电流产生分流 于是在膜片的附近必然会产生磁场 并存储一部分磁能 因此这种膜片称为电感膜片 电感膜片 电感膜片及其等效电路 电感膜片电纳的近似计算公式为 29 螺钉螺钉插入波导的深度可以调节 电纳的性质和大小可随之改变 使用方便 是小功率微波设备中常采用的调谐和匹配元件 波导可调螺钉及其等效电路 30 工程中主要应用的微波器件包括 功分器 耦合器 合路器 衰减器 电桥等 2 1功分器 功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出的器件 也可反过来将多路信号能量合成一路输出 此时也可称为合路器 在作功率分配使用时 功分器的输出端口之间应保证一定的隔离度 以保证两输出信号不会相互干扰 在作为功率合成器使用时 指标侧重于要求承受大功率 损耗要小 功分器通常为能量的等值分配 通过阻抗变换线的级联与隔离电阻的匹配 使它具有很宽的频带特性 功分器基本分配路数为2路 3路 4路 通过它们的组合和级联可以形成多路功率分配 31 大功率微波功分器采用波导或同轴线结构 中小功率则采用带状线或微带线结构 右图是微带三端口功分器原理图 信号由1端口 所接传输线的特性阻抗为Z0 输入 分别经过特性阻抗为Z02 Z03的两段微带线从2和3端口输出 负载电阻分别为R2及R3 两段传输线在中心频率时电长度均为 2 它们之间没有耦合 微带三端口功分器原理图 32 功分器应满足下列条件 2端口与3端口的输出功率比可为任意指定值 1端口无反射 2端口与3端口的输出电压等幅 同相 由于2端口 3端口的输出功率与输出电压的关系分别为 如由条件 1 要求输出功率比为 则 33 按条件 3 由上式可得 若取 则 由条件 2 即1端口无反射 所以要求由Zin2与Zin3并联而成的总输入阻抗等于Z0 由于在中心频率 2 Zin2 Z022 R2 Zin3 Z032 R3为纯电阻 则 如以输入电阻表示功率比 则 可解得 34 35 2 2耦合器 耦合器常用于对规定流向微波信号进行取样 主要目的是分离及隔离信号 在无内负载时 耦合器往往是一个四端口网络 耦合器用的型号有 5dB 7dB 10dB 15dB 20dB 25dB 30dB 35dB等等 使用时根据实际情况合理的选择 36 耦合器的分类 37 下图给出了几种定向耦合器的结构示意图 其中图 a 为微带分支定向耦合器 图 b 为波导单孔定向耦合器 图 c 为平行耦合线定向耦合器 图 d 为波导匹配双T 图 e 为波导多孔定向耦合器 图 f 为微带混合环 38 一 定向耦合器的技术指标 定向耦合器一般属于四端口网络 它有输入端 直通端 耦合端和隔离端 分别对应右图所示的1 2 3和4端口 定向耦合器的主要技术指标有耦合度 隔离度 或方向性 输入驻波比和工作带宽 耦合度C 耦合度C定义为输入端的输入功率P1与耦合端的输出功率P3之比的分贝数 即 dB 39 由此可见耦合度的分贝数愈大耦合愈弱 通常把耦合度为0 10dB的定向耦合器称为强耦合定向耦合器 把耦合度为10 20dB的定向耦合器称为中等耦合定向耦合器 把耦合度大于20dB的定向耦合器称为弱耦合定向耦合器 隔离度D 隔离度D定义为输入端的输入功率P1与隔离端的输出功率P4之比的分贝数 即 dB 40 在理想情况下 隔离端应无输出功率 即P4 0 此时隔离度为无限大 但实际上由于设计或加工制作的不完善 常有极小部分功率从隔离端输出 使隔离度不再为无限大 有时用方向性 dB 来表示耦合器的隔离性能 它是耦合端输出功率P3与隔离端的输出功率P4之比 输入驻波比 将定向耦合器除输入端外 其余各端均接上匹配负载时 输入端的驻波比即为定向耦合器的输入驻波比 此时 网络输入端的反射系数即为网络的散射参量S11 故有 41 频带宽度 频带宽度是指耦合度 隔离度 或方向性 及输入驻波比都满足指标要求时 定向耦合器的工作频带宽度 简称工作带宽 二 波导型定向耦合器 大多数波导定向耦合器的耦合都是通过在主 副波导间公共壁上的耦合孔来实现的 通过耦合孔将主波导中的电磁能量耦合到副波导中 并具有一定的方向性 副波导各端口输出功率的大小 决定于耦合孔的大小 形状和位置 42 波导定向耦合器的种类很多 最常用的波导定向耦合器有 单孔 多孔和十字孔定向耦合器 下图给出了三种常用波导定向耦合器的结构示意图 其中图 a 为宽壁斜交单孔耦合器 图 b 为多孔定向耦合器 图 c 为十字孔定向耦合器 这种定向耦合器的定向性是由各孔耦合波相互干涉而得到的 只要控制耦合孔的大小 形状以及两耦合孔的距离 使耦合波在一个方向上同相叠加而有输出 在另一个方向上反相叠加而无输出或减小输出 从而获得定向性 43 44 2 3合路器 能将两个或两个以上的信号合成一路信号输出 包括单频合路器和双频合路器 主要型号有2合路器 3合路器和4合路器 其特点如下 低损耗同轴线传输 无源器件可靠性极高 兼容多频段 800 2500MHz 器件品种丰富 2合路 3合路 4合路等 45 46 47 2 4电桥 3dB电桥作为定向耦合器的一种 同样有输入 直通输出 耦合输出和隔离端口 在不考虑电路的损耗情况下 则输入信号功率之和平分于两输出口 而当作为单端口输出使用时 另一输出端必须连接匹配功率负载以吸收该端口的输出功率 否则将严重影响系统传输特性 同时 也带来了附加的3dB损耗值 这对于系统应用来说 对其有源部分的成本和可靠性都有影响 48 49 2 5衰减器 用于衰减多余的信号强度 一般用于对输入信号强度有限制的室内型直放站 有源信号分布系统和室内光纤信号分布系统 衰减器属于二端口网络 衰减器的衰减量表示为 dB 衰减器在原理上可以分为吸收式和截止式两种 50 在波导内放入与电场方向平行的吸收片 当微波能量通过吸收片时 将吸收一部分能量而产生衰减 这种衰减器称为吸收衰减器 如图所示 吸收式 51 截止式 截止衰减器是在传输线中插入一小段横向尺寸较小的传输线段 使电磁波在这一小段传输线内处在截止状态下传输 即电磁波经过这段传输线后微波能量很快衰减 控制截止传输线的长度 就可以调节衰减量的大小 如图所示 52 53 2 6负载 用于吸收系统终端多余的信号量 传输线终端所接元件称为终端负载 常用的终端负载有匹配负载和短路负载两种 匹