《电磁波传播特性》课件

电磁波传播特性课程目标1掌握电磁波基本理论理解电磁波的产生与传播机制2熟悉电磁波传播特性掌握反射、折射、衍射等现象3了解电磁波应用领域通信、雷达、医疗等领域应用原理认识电磁波安全性什么是电磁波？电磁波定义电场与磁场相互垂直传播的能量波动电磁波性质不需要介质传播，可在真空中传播传播方向电场、磁场、传播方向三者相互垂直电磁波的历史11865年麦克斯韦预言电磁波存在21887年赫兹实验验证电磁波存在31895年马可尼发明无线电报41901年首次跨大西洋无线电通信麦克斯韦方程组高斯电定律电荷产生电场，描述电场与电荷的关系高斯磁定律磁场无源，磁力线闭合法拉第电磁感应定律变化磁场产生电场安培-麦克斯韦定律电流和变化电场产生磁场电磁波的基本特性波动性表现为波动传播粒子性能量以光子形式传递传播速度在真空中为光速c能量传递不需要介质传递能量电磁波的波动方程∇²E=(1/c²)∂²E/∂t²∇²B=(1/c²)∂²B/∂t²波动特性描述电场和磁场随时间和空间的变化1横波性质电场和磁场振动方向垂直于传播方向2传播速度方程预测电磁波在真空中以光速传播3电磁波的频率和波长频率与波长成反比：λ=c/f频率越高，波长越短，能量越大电磁波谱1无线电波波长最长，能量最低2微波与红外线中等波长与能量3可见光人眼可见的窄波段4紫外线、X射线与伽马射线波长最短，能量最高电磁波的传播速度299792458真空光速(m/s)电磁波在真空中的传播速度225000000水中传播速度(m/s)约为真空光速的3/4200000000玻璃中传播速度(m/s)约为真空光速的2/3电磁波在真空中的传播1无能量损失理想传播，无能量衰减2恒定光速所有频率电磁波速度相同3无散射现象无分子或粒子干扰传播电磁波在介质中的传播速度减慢传播速度小于光速能量衰减介质吸收部分能量方向改变可能发生反射、折射现象色散现象不同频率波速度不同电磁波的能量坡印廷矢量S=E×H表示电磁波能量流动方向垂直于电场和磁场1表示能量流密度单位时间通过单位面积的能量2与电场磁场强度关系能量流密度与电场、磁场强度平方成正比3电磁波的偏振偏振定义电场矢量振动方向的空间分布特性偏振类型线性偏振、圆偏振、椭圆偏振偏振应用通信信号质量提升、光学滤波、3D电影线性偏振定义电场矢量在固定方向上振动特点电场振动方向不变产生方法偏振片、反射、天线定向辐射应用偏振太阳镜、液晶显示屏圆偏振定义电场矢量端点在传播方向上绕轴做圆周运动特点左旋或右旋两种偏振方式应用卫星通信，对抗多路径衰落产生方法螺旋天线，相移四分之一波长的线性偏振组合椭圆偏振椭圆轨迹电场矢量端点沿椭圆轨迹运动一般形式线性和圆偏振都是特殊情况描述参数椭圆长轴方向和椭圆度电磁波的反射反射定律入射角等于反射角反射系数反射波与入射波振幅比相位变化低折射率到高折射率反射相位反转极化效应反射可改变极化状态电磁波的折射折射现象：电磁波从一种介质进入另一种介质时方向改变折射原因：不同介质中传播速度不同斯涅尔定律n₁sinθ₁=n₂sinθ₂定量描述折射入射角正弦与折射角正弦比等于折射率比物理意义反映电磁波在不同介质中速度变化应用范围适用于所有类型电磁波的折射现象全反射现象临界角折射角为90°时的入射角全反射条件入射角大于临界角且从高折射率介质射向低折射率介质实际应用光纤通信、棱镜、钻石闪耀原理电磁波的衍射衍射定义电磁波绕过障碍物或通过狭缝传播影响因素波长与障碍物尺寸比值决定衍射程度惠更斯原理波阵面上每点可视为次波源菲涅尔衍射近场衍射，波源或观察点距离障碍物较近电磁波的干涉干涉条件相干波源、稳定相位差相长干涉波叠加增强，相位差为2nπ相消干涉波叠加减弱，相位差为(2n+1)π干涉应用光学薄膜、迈克尔逊干涉仪电磁波的散射散射定义电磁波与物质相互作用改变传播方向散射类型根据粒子尺寸与波长关系分类自然现象蓝天、晚霞、彩虹形成原理应用领域雷达、激光雷达、大气遥感瑞利散射1适用条件粒子尺寸远小于波长2散射特点散射强度与波长的四次方成反比3经典例子大气散射阳光，短波长蓝光散射更强米散射适用条件粒子尺寸与波长相当散射特点散射强度与波长关系复杂方向性前向散射明显强于后向散射典型例子云、雾的形成，太阳周围的光晕电磁波的吸收波长(μm)水的吸收率(%)大气吸收率(%)大气对电磁波的影响吸收作用水汽和氧气分子吸收特定频段散射作用雨、雪、雾等颗粒散射电磁波折射作用大气层温度梯度导致电磁波弯曲大气窗口部分频段电磁波易于穿透大气电离层对电磁波的影响反射作用：反射特定频率电磁波吸收作用：D层对低频电磁波吸收衰减作用：电离层扰动导致信号衰减多普勒效应定义波源与观察者相对运动导致频率变化靠近接收频率高于发射频率远离接收频率低于发射频率应用测速雷达、多普勒气象雷达、血流测量电磁波的导波传播导波定义电磁波在专用传输线路中定向传播导波优势抗干扰，能量损耗小，传输距离远传输模式TEM模式、TE模式、TM模式导波形式同轴线、波导管、光纤、微带线同轴电缆传输1234结构特点内导体、绝缘层、外导体、保护层传输模式以TEM模式传播频率范围从直流到几十GHz应用领域电视信号、网络通信、射频信号波导管传输8.2X波段工作频率(GHz)雷达常用波段10.5截止频率(GHz)X波段矩形波导管86传输效率(%)典型波导管效率光纤传输光纤结构纤芯、包层、保护层传输原理基于全反射原理光纤类型单模光纤、多模光纤应用领域高速网络、长距离通信、医疗成像表面波传播传播特点沿导体表面传播频率范围主要在低频和中频段衰减规律随距离增加逐渐衰减应用场景远距离无线电通信、广播天线与电磁波辐射辐射效率输入功率转换为辐射功率的比例辐射方向图不同方向辐射强度分布增益相对于理想全向天线的功率比输入阻抗天线端口表现的等效电阻和电抗偶极子天线结构特点两根长度相等的导线长度设计通常为半波长辐射方向垂直于天线方向最强输入阻抗半波偶极子约73欧姆八木天线结构组成主振子、反射器、引向器工作原理寄生元件增强定向辐射特点优势高方向性，前向增益大应用领域电视接收、无线通信、定向通信抛物面天线结构特点抛物面反射器加馈源工作原理反射面聚焦平行电磁波性能特点高增益，窄波束，高方向性应用领域卫星通信，雷达，射电天文相控阵天线工作原理：控制各辐射单元相位调整波束方向主要优势：快速电子扫描，无机械运动部件应用领域：现代雷达、5G基站、卫星通信电磁波的调制调制作用信息加载到载波上调制优势提高传输效率，适应信道特性调制分类模拟调制和数字调制调制参数振幅、频率、相位幅度调制调制原理信息信号调制载波振幅频谱特点包含载波和两个边带调制深度0-100%，通常控制在80%以下典型应用中波广播（AM广播）频率调制调制原理信息信号调制载波频率频偏频率偏离最大值抗干扰性优于幅度调制典型应用FM广播、无线对讲机相位调制调制原理信息信号调制载波相位与FM关系理论上与FM等效频谱特点理论上有无限带宽数字调制技术1二进制移相键控（BPSK）两种相位状态，抗干扰能力强2正交相移键控（QPSK）四种相位状态，频谱利用率高3正交幅度调制（QAM）相位和幅度同时调制，频谱效率更高4频移键控（FSK）不同频率表示不同数字信号电磁波的解调解调定义从调制信号中提取原始信息包络检波AM信号解调方法鉴频器FM信号解调方法相位检测器PM信号解调方法电磁波在通信中的应用1卫星通信覆盖范围广，适合全球通信移动通信灵活便捷，实现无线互联广播电视大范围信息传播光纤通信高速、大容量、低损耗无线电通信移动通信第一代(1G)模拟语音第二代(2G)数字语音和短信第三代(3G)移动互联网第四代(4G)高速数据传输第五代(5G)超高速、低延迟、海量连接卫星通信1234地球同步卫星位于36000公里轨道，相对地球静止中轨道卫星位于2000-35000公里轨道，如GPS系统低轨道卫星位于低于2000公里轨道，延迟低卫星星座多颗卫星协同工作，如星链计划光通信1550最佳传输波长(nm)光纤损耗最小10典型衰减(dB/km)单模光纤100传输距离(km)无中继器距离40传输速率(Gbps)单波长典型速率电磁波在雷达中的应用工作原理发射电磁波并接收反射信号测量距离通过信号往返时间计算测量速度利用多普勒效应确定方向通过天线波束方向电磁波在遥感中的应用被动遥感接收目标自然辐射电磁波主动遥感发射电磁波并接收回波微波遥感全天候，穿透云层光学遥感高分辨率，多光谱成像电磁波在医疗中的应用X射线成像骨骼成像，密度差异显示核磁共振(MRI)软组织优质成像超声波检查无辐射风险，实时成像电磁波的安全性电磁兼容性电磁兼容定义设备能在电磁环境中正常工作且不对环境产生干扰电磁干扰(EMI)设备产生的不必要电磁能量电磁敏感性(EMS)设备对电磁干扰的敏感程度EMC标准国际电工委员会(IEC)、军用标准电磁屏蔽技术金属屏蔽利用导体反射电磁波吸波材料将电磁能转换为