电磁场和电磁波

1、电磁场和电磁波无线通信技术基础内容介绍 无线通信技术是研究如何利用电磁波作为载体来实现信息传递的技术，其核心是研究电磁波的传输。 无线通信技术是移动通信技术的基石，作为一个从事移动通信行业的技术人员必须对电磁场和电磁波的基本概念和传播特性有所了解，同时要掌握无线通信专业常用的工程单位和术语。 电磁场和电磁波的研究是一项非常复杂的技术，这里并不是去研究这一课题，而是从工程应用的角度出发介绍一些基本概念。本章重点电磁场和电磁波的基本概念。电磁波的传播特性。功率、频率、阻抗的单位和术语。第1.1节、电磁场的概念静止的电荷会产生静电场；静止的磁偶极子会产生静磁场。运动的电荷被称为电流，会产生电场和磁场

2、。有内在联系并相互依存的电场和磁场的统一体称为“电磁场”。随时间变化的电场会产生磁场，随时间变化的磁场会产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场是电磁作用的媒介和传递物，是物质存在的一种形式，具有能量和动量。电磁场可以由变速运动的带电粒子引起，也可以由强弱变化的电流引起。电磁场总是以光速向四周传播，这样就形成了“电磁波”。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。麦克斯韦方程组揭示出电场和磁场相互作用的完美统一，是经典物理学中最引以自豪的成就之一。第1.1节、电磁场的概念在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组完整而系统地概括了电磁场的基本规律，并预言

3、了电磁波的存在，是电磁场理论的基础和核心，也是无线通信技术的理论基础。根据随时间变化的情况不同，可以将电磁场分为以下三种形式：静电场/静磁场：电场和磁场不随时间变化，但在不同的空间位置可以有不同的值。时谐电磁场：电磁场随时间的变化是正弦函数，但在不同的空间位置可以有不同的幅度和相位，通常可以用复数来表示。时变电磁场：在某个空间位置的电磁场随时间的变化是普通的时间函数，如果变换到频域，其频谱中包含各种频率分量。时变电磁场产生的电磁波可以作为电子信息的传输载体，这就是“无线通信”。无线通信技术并不是要研究电磁场理论，研究重点是电磁波的传播。第1.2节、电磁波的概念电磁辐射是能量的一种形式，凡是能够

4、释放出能量的物体，都会释放出电磁辐射。电磁辐射是振荡且互相垂直的电场与磁场的结合。电磁辐射在空间以波的形式移动，并有效地传递能量和动量。电磁辐射是由一种叫做光子的量子粒子形成的。人类的眼睛可以接收到波长在400780nm之间的电磁辐射，这个频段的电磁辐射叫做可见光。电磁辐射先被麦克斯韦方程组预言，随后被德国物理学家赫兹证实（为了纪念他，电磁波的基本单位用Hz表示）。麦克斯韦方程组表明，磁场的变化会产生电场，电场的变化也会产生磁场，时变电磁场在这种相互作用下会产生电磁辐射，即“电磁波”。电磁波从场源处以光速向周围传播，在空间的不同位置，根据距离场源的距离有相应的时间滞后现象。第1.2节、电磁波的

5、概念电磁波的传播不需要依靠传输介质（这个特性非常重要！），电磁波在真空中的传输速度是固定的光速（3108米/秒）。光波本身就是电磁波，用于通信的电磁波具有和光波同样的特性，比如它通过不同的介质时会发生反射、散射、折射、绕射和吸收等现象。电磁波还有一个非常重要的特性，根据坡印廷定理，电磁波在传播的过程中携带有能量，可以作为电子信息的传输载体，这为无线通信、广播、电视、遥感、雷达和宇宙探测等新兴技术开辟了道路。电磁波是横波，电磁波的电场、磁场和传输方向三者互相垂直。电磁波的振幅沿传播方向的垂直方向作周期性变化。电磁波本身带有能量，任何位置的能量与振幅的平方成正比。在空间传播的电磁波，距离最近的方向

6、相同且幅度量值最大的两点之间的距离，就是电磁波的波长。第1.2节、电磁波的概念自从1887年德国物理学家赫兹用实验的方法证实了电磁波的存在之后，人们又进行了许多实验，不仅证明了光本身就是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是频率和波长有很大的差别，这些差别直接决定了电磁波的特性。按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。由低至高依次排列，它们是：工频电磁波、低频电磁波、中频电磁波、高频电磁波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和射线等等。第1.3节、电磁波的传播1、电磁波的传播方式 在规划、设计和建设无线通信系统时，从频段的确定、频率的分配、信号的覆盖

7、范围以及电磁干扰的分析，直到最终确定设备参数，都必须依靠对电磁波传播特性的研究并据此进行场强预测，这是进行系统工程设计、研究频谱有效利用以及电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。 电磁波可以通过多种路径从发射机传播到接收机，包括：地波、对流层反射波和电离层反射波等等。地波，即电磁波沿地球的表面传播。地波可以看作是以下三种情况的综合：直达波、反射波和表面波。对流层反射波：对流层反射系数的缓慢变化会使反射的电磁波弯曲，产生电波散射。可以用于频率大于30MHz的无线通信（对流层散射通信）。电离层反射波：电离层也可以产生电波散射，可以用于远距离通信。第1.3节、电磁波的传播第1.3节、电磁波的传

8、播 在设计移动通信系统时，研究电磁波的传播特性是非常重要的。首先可以用于计算蜂窝小区的覆盖场强，在大多数情况下，蜂窝的覆盖区域是几百米到几公里，地波可以在这种情况下应用。还可以用于计算不同蜂窝小区之间的同频或邻频干扰。 预测电磁波的场强有三种方法。第一种方法是纯理论的方法，适用于分离的物体，如山丘和其它固体物体，但这种预测忽略了地球的不规则性，误差较大。第二种方法是基于在各种环境的测量，包括不规则地形及人为障碍，尤其是在移动通信中普遍存在的较高的频率和较低的移动天线。第三种方法是理论和测量相结合的改进模型，基于测量数据和使用反射定律综合分析山丘和其它障碍物的影响。第1.3节、电磁波的传播2、电

9、磁波的传播特性电磁波的频率低于100KHz时，会被地球表面吸收，不能有效传输。电磁波的频率高于100KHz时，可以在空间传播，形成远距离传输能力。在无线通信技术中经常提到射频（RF），射频就是射频电流，它是高频交流变化的电磁波的简称。无线通信就是采用射频传输方式的，我们把具有远距离传输能力的高频电磁波也称为射频信号，射频信号不是存在于导体中就是以辐射波的形式存在于自由空间。射频信号的传播具有以下特性：趋肤效应。吸收。反射。自由空间损耗。第1.3节、电磁波的传播3、自由空间损耗在研究电磁波的传播特性时，发射机发射的信号被特定接收机接收的信号功率是一个主要特性，随着传播距离的增加，接收信号的强度会

10、逐渐减小，这称为传播损耗。在完全没有阻挡的自由空间（各向同性、无吸收、电导率为零）的均匀介质条件下，接收信号功率的衰减比例是波长（或频率）和发射机到接收机距离的函数，与距离的平方和频率的平方成正比。在实际工程中，我们并不用信号功率的比值（Pr/Pt）来表示路径损耗，而是采用对数衰减（dB）的方式，具体分析将在后面的章节介绍。第1.3节、电磁波的传播 电磁波的空间损耗与低频电路中的电阻损耗是不同的，分析的方法也不同，从“路”的概念发展到“场”的概念。第1.3节、电磁波的传播4、多普勒频移在无线通信系统中，当发射机和接收机相对快速运动时，还会发生多普勒频移现象，将会导致射频信号的频率发生偏移而影响

11、通信。当移动台快速远离基站时，接收到的频率降低；当移动台快速靠近基站时，接收到的频率提高。当相对运动的速度很快时，多普勒频移的影响必须考虑，而且工作频率越高，多普勒频移越大。第1.3节、电磁波的传播5、信号衰落在电磁波的传播过程中，由于传播媒介或传播路径随时间变化而引起接收信号强弱变化的现象叫作“衰落”。大尺度衰落指的是信号强度曲线的中值在较大范围内随距离和时间呈现的缓慢变化。小尺度衰落指的是信号强度曲线的瞬时值在很小的距离或很短的时间呈现的快速变化。大尺度衰落和小尺度衰落产生的原因不同，但并不是两个独立的衰落，而是反映信号强度变化的两种情况。衰落（特别是小尺度衰落）是移动通信中遇到的主要问题

12、之一，我们将在后面的章节中专门介绍。第1.3节、电磁波的传播第1.3节、电磁波的传播大尺度衰落。 大尺度衰落描述的是信号平均电平在较大范围内随地点和时间的变化，它主要是由于传输损耗和阴影效应引起的，所以也称作阴影衰落。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，接收场强中值就会变化，变化的大小取决于障碍物状况和工作频率，变化速率不仅和障碍物有关，而且与移动台的速度有关。这种大尺度衰落的场强中值的变化规律服从对数正态分布。大尺度衰落产生的主要原因包括：路径损耗。障碍物阻挡电磁波产生的阴影效应。电磁波的频率。天气变化。障碍物和移动台的相对速度等。第1.3节、电磁波的传播小尺度衰落。 在移动通信

13、环境中，接收机与发射机之间的直达路径很可能被建筑物或其它物体阻碍，基站与移动台之间的通信往往不是通过直达路径完成，而是通过许多反射路径完成。 这些通过不同路径到达接收机的所有多径信号叠加产生一个合成信号，合成信号的强度取决于这些多径信号分量的相位关系。合成信号的强度在几米的移动距离内可能会有20 30dB（100 1000倍）的变化，最大值和最小值发生的位置大约相差1/4波长。 大量传播路径的存在就会产生所谓的多径现象，合成信号的幅度和相位会随着移动台的位置产生很大的起伏，这种衰落是接收信号电平在小距离或短时间的快速变化，称为小尺度衰落，也叫多径衰落。产生小尺度衰落的主要原因是：多径效应和多普

14、勒效应第1.3节、电磁波的传播第1.4节、单位和术语 在无线通信技术中，电磁波的频率和功率是两个最基本的概念，与此相关的还有：带宽、增益和损耗、信噪比、阻抗匹配等等。1、频率和带宽频率是无线通信技术中有一个非常重要的概念，是理解无线通信技术的基础，无线通信技术中所涉及到的所有内容几乎都是与频率相关的。信号在1秒内完成完整震荡周期的次数就是信号频率，单位为赫兹（Hz）。常用单位还有：KHz（103Hz）、MHz（106Hz）、GHz（109Hz）。电磁波的振荡速度非常快，比如GSM移动通信系统使用的电磁波频率大约为900MHz（1秒内振荡9亿次），这还不是一个很高的频率。带宽是描述频率范围的参数

15、，它是器件或应用中最高频率和最低频率的差值，单位也是Hz。带宽和数据的承载能力（数据速率）有直接关系，无线通信的核心技术之一，就是提高带宽效率：bps/Hz。第1.4节、单位和术语2、功率功率是无线通信技术中的另外一个非常重要的概念，单位是瓦特（ W），在移动通信技术中常用的单位是毫瓦（mW），即10-3 W。与功率密切相关的两个词是电压和电流。电压就是一种电能势，分为交流（AC）电压和直流（DC）电压两种类型。电流是电子的移动，也可以是交流或者直流。它们之间的关系是：功率 = 电压电流。还有一个经常使用的重要名词是电路，电路就是电材料之间的互连，电路经常被加工在印刷电路板（PCB）上，它是一

16、块覆盖了电子材料的硬而薄的塑料板。第1.4节、单位和术语3、损耗和增益所有的电子元器件都可以归纳为有源和无源两类。需要供电装置才能工作的叫有源器件，反之叫无源器件。所有的有源和无源器件都会呈现出损耗或增益特性，损耗和增益都是与功率相关的概念（相对功率）。如果输出信号小于输入信号，表明该器件有“损耗”。有很多具有损耗特性的器件，既包括无源器件，也包括有源器件。信号通过该器件时被衰减，损耗的那部分会转变成热能，器件将会变热，损耗越大就越热，甚至熔化。这一点要特别注意！在实际工程中使用无源器件时，要特别注意选择无源器件的功率容量。如果输出信号大于输入信号，表明该器件有“增益”。这样的器件一般叫做放大

17、器，所有的放大器都是有源器件。放大器是一个非常重要的器件，当功率无法满足要求时，就需要放大器对信号进行放大和补偿。第1.4节、单位和术语第1.4节、单位和术语如果放大器输出的信号是输入信号的10倍，则该放大器的放大倍数为10。如果有两个这样的放大器串连，总的放大倍数将是100（1010），最后的信号将是原始信号的100倍，这是乘法。无源器件会表现出和放大器正好相反的行为，如果从一个无源器件出来的信号是进入信号的1/10，那么该器件的损耗商数为10。将输入信号除以10就得到输出信号的幅度，如果输入信号为10W，输出信号将是1W（10W/10），这是除法。一般将射频信号通过一个无源器件所经历的损耗

18、叫做该器件的插入损耗。在通信工程中，为了简化工程计算（变乘除为加减），并不直接使用放大倍数和损耗商数，而是引入了dB的概念。在计算过程中也不直接使用W或mW作为功率的单位，而是引入了dBm的概念。这个概念非常重要，熟练掌握dBm和dB进行工程计算是一个通信工程师的基本素质。第1.4节、单位和术语4、分贝（dB）的使用在通信技术中需要理解一个很重要的单位是dB。dB本身是一个纯计数单位，本意是表示两个量的比值大小的对数，没有单位。对于功率：PdBm = 10lg（PmW）。对于增益：GdB = 10lg（Pout/Pin）。对于衰减： LdB = 10lg（Pin/Pout）。功率单位dBm。如

19、果：PmW = 100000 mW = 105 mW。 那么：PdBm = 10lg（PmW）= 10lg（105）= 50 dBm。如果：PmW = 0.000000000000001 mW = 10-15 mW。 那么：PdBm = 10log（PmW）= 10log（10-15）= -150 dBm。第1.4节、单位和术语增益单位dB。 用dB做单位时，放大倍数就称之为“增益”。10倍放大器的增益是10dB，100倍放大器的增益是20dB。功率增益：GP（dB）= 10lg（Pout/Pin）。电压增益：GV（dB）= 20lg（Vout/Vin）。电流增益：GI（dB）= 20lg（I

20、out/Iin）。损耗单位dB。 用dB做单位时，损耗商数就称之为“损耗”或“衰减”。1/10的衰减器的损耗是10dB，1/100的衰减器的损耗是20dB。增益和损耗只是一个正负的关系，一个10dB的衰减器也可以说它的增益是-20dB，因为：LdB = 10lg（Pin/Pout）= -10lg（Pout/Pin）。第1.4节、单位和术语mW功率/放大倍数dBm/dB0.001-30.0 -30 0.01-20.0 -20 0.1-10.0 -10 10.0 0 23.0 3 34.8 5 46.0 6 57.0 7 67.8 8 78.5 8.5 89.0 9 99.5 9.5 1010.0

21、 10 2013.0 13 10020.0 20 100030.0 30 第1.4节、单位和术语在通信工程中进行链路分析时，都是使用dBm和dB作为单位来进行计算，dBm和dB之间只有加减，没有乘除。dBm-dBm：表示两个功率相除，单位为dB。信号的输出功率和输入功率相减就是增益（正值）或衰减（负值），信号功率和噪声功率相减就是信噪比（S/N）。比如：30dBm-0dBm=30dB，实际含义是：1000mW/1mW=1000倍。dBm+dBm：表示两个功率相乘，这没有实际的物理意义。在进行通信系统的链路分析时，要特别注意不能使用dBm之间的相加运算。dBmdB：表示功率与放大倍数相乘或损耗商

22、数相除，单位仍然是dBm。比如：0dBm+30dB=30dBm，实际含义是：1mW1000=1000mW。dBdB：表示放大器或衰减器级联，单位仍然是dB。比如：对于增益来说，10dB+20dB=30dB，实际含义是：10100=1000倍。第1.4节、单位和术语在使用dB数值时，需要记住以下概念：+3dB指的是两倍（乘2）。-3dB叫半功率点（这时的功率是正常功率的一半）。+10dB指的是10倍（乘10），+X0dB指的是10X倍。0dB则表示没有变化。0dBm不是没有功率，功率是1mW；-X0dBm对应的功率是10-XmW。第1.4节、单位和术语5、阻抗匹配阻抗匹配在射频电路设计中是一个重

23、要概念，主要用于传输线，保证沿着线路传输的射频信号能有效地传送到负载点，很少有信号会被反射，从而提高传输效率，阻抗匹配好则传输效率高。高频电路的阻抗和低频电路中的电阻不是一个概念，简单地说，阻抗就是电阻、电容抗及电感抗的向量和，所以才叫阻抗。在通信工程中，现在有两种阻抗标准：大部分的通信系统使用50，有线电视系统使用75。不良匹配的后果：由于没有理想匹配，总会有一些射频信号会被反射。通常，反射信号的功率很小而不被注意。但是，如果匹配很差，会有大量的射频信号功率被反射，系统将无法正常工作，甚至会损坏发送设备，在通信工程中，这种很差的匹配必须绝对避免。第1.4节、单位和术语电压驻波比（VSWR）：

24、VSWR是描述阻抗匹配程度的度量数值，是指驻波的电压峰值与电压谷值之比。VSWR的概念比较复杂，而且它没有度量单位，表达方法是R:1。R越小，阻抗匹配越好，传输损耗越小；R越大，阻抗匹配越差，传输损耗越大。VSWR含义1.0:1理想匹配。没有损耗，实际工程中是不可能实现的。1.1:1 1.4:1良好匹配。损耗很小，一般作为工程设计的技术标准。1.5:1 2.0:1一般匹配。损耗较大，一般在实际工程中可以勉强接受。大于2.0:1不合格匹配。损耗很大，在实际工程中需要解决。完全失配。全反射，在实际工程中要绝对避免。第1.4节、单位和术语回波损耗：在通信工程中，经常使用另外一个更容易理解的阻抗匹配的度量术语，叫做回波损耗。回波损耗直接反应的是入射信号（Pin）与反射信号（Pr）的功率关系，单位是dB。 RL（dB）=