电子科学及其技术与导论5

第三章电磁波及应用“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《电子信息科学与技术导论》第三版

第三章电磁波及应用3.2

电磁波的发现3.3电磁波与通信发展回顾3.4电磁波的物理特性和参数3.5电磁波的传播3.7电磁波的其它应用3.6

天线3.1

我们生活在“电磁波”世界3.1“电磁波”世界雷电无线广播移动通信移动电视电视广播雷达辐射卫星广播微波炉电磁波

世界假如没有电磁波雷电也会消失，“世界”将不存在！3.2电磁波的发现1820年奥斯特

发现电流产生磁场；1831年法拉蒂

发现电磁感应现象；奇妙的电磁波安培楞次感应电流感应电动势动磁场电流磁场各自独立电场磁场奇妙的电磁波无线电通信的奠基人麦克斯韦Maxwell（－1879）赫兹1864年1888年,德国人赫兹的电火花实验装置。证明了人们怀疑与期待已久的电磁波的存在。涡旋磁场、位移电流预言电磁波存在麦克斯韦的二个波动方程

电场磁场不再独立1895年马可尼

发明的无线电报，传输距离30米；1895年马可尼

在陆地和拖船之间实现传输2公里的无线电报1897年马可尼

获无线电报专利，建立无线电报公司；1901年12月12日马可尼在加拿大纽芬兰岛收到从英国Cornwall发出的无线信号，传输距离1700mile

1900年专利《调谐电话》获得批准，同年公司改名为Marconi公司；1902年英国与加拿大之间正式开通了越洋无线电报通信业务1907年马可尼获诺贝尔物理奖3.3电磁波与通信发展回顾马可尼Marconi马可尼电报机3.3.1马可尼（无线电业余爱好者）发明无线电报1904年英国物理学家弗莱明发明电子真空二极管。1906年弗雷斯特发明电真空三极管放大，标志着世界从此进入了电子时代，开辟了模拟通信的新纪元。数年后用于长、中、短波的电报和电话。1918年阿姆斯特朗发明超外差调幅（AM）收音机。1920年AM广播在美国Pittsburgh开通。1929年英国BBC广播电视开通；1933年阿姆斯特朗发明调频制，1936年调频广播开播。3.3.2无线电广播诞生电子管收音机（1950年至1970年产品）正面反面电子管微波是指波长在１毫米至１米范围内的非电离辐射高频电磁波。微波频率已超过临界频率，因此微波遇到电离层，将全部穿过电离层进入太空不再返回地面。全透射——电磁波频率

>电离层的临界频率>电磁波频率——反射微波频率较高，通过不均匀对流层产生散射现象，因此可以进行超视距的微波散射通信，如右上图所示。移动通信，正是利用了这一特点，避开了电离层的干扰，在用户和基站间可建立视距和非视距（经物体反射）的通信联系。短波通信卫星通信微波散射通信3.3.3短波通信、卫星通信、微波通信多种短波军用、民用电台卫星通信无线寻呼系统无线电寻呼系统示意图俗称BB机系统，是一种单向传输通信系统。排队机编码器发送器控制中心结构图3.3.4由无线寻呼到移动通信

1.集群的概念

把部门内分散的用户，集中组建一个专用通信网，实行独立管理，并动态地分配频道，实现集群内用户间通信。一个集群内的用户数，通常有几百至几千用户。是一种用于港口、船舶、铁路、公安等专业部门，对户外作业的调度、指挥、管理的专用、独立通信系统。2.特点

(1)可快速建立通话。对网中的用户可赋予不同的优先等级。

(2）可以与公用通信网互联。

(3）可根据不同部门（如政务、环卫、警务、消防等）任务需要，建立符合自身任务要求的特定通话群组。

(4)一般采用半双工方式，因而，集群通信可节约频率资源。集群移动通信系统

集群通信手持机蜂窝移动通信3.3.5RFID（射频标签）射频标签（RFID-RadioFrequencyIdentification）广泛用于物联网、监控和目标跟踪，是一个正在大力发展的大产业。1，RFID是一片小小的集成电路，可贴（或嵌入）在物体表面，作为物体标记。识别工作无须人工干预，是非接触式的自动识别。2，RFID分有源和无源两种。3，RFID的工作频率可分为：低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波(MW)等4，RFID的主要应用领域有：物联网、物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、文档追踪/图书馆管理、动物身份标识、运动计时、门禁控制、电子门票和高速公路自动收费等。RFID是实现“物—物相联”的关键设备。3.4电磁波的物理特性及参数2，伴随性：正弦波电流--生成正弦波电场--感生出正弦波磁场—正弦波电场………………。波速度：波速度=相速度，指等相位平面的移动速度。方向为传播方向。

波长与波速、周期的关系：

波长：振荡一周传播的距离。在不同介质中传播的波长不同。3.4.1电磁波的物理特性1，电磁波是能量，传播时不侬赖任何物质。水平极化：电场方向与地面平行。垂直极化：电场方向与地面垂直。线极化：电场仅在一个方向振动，即电场矢量端点的轨迹是一条直线；圆极化：电场强度矢量端点的轨迹是一个圆；椭圆极化：电场强度矢量端点的轨迹是一个椭圆。电场方向观点轨迹观点收发信号要求极化相同极化方式极化：电场矢量端点随时间的变化在空间形成的轨迹形式。3，极化3.4.2电磁波的参数波段、频率、波长序号名称频率波长1甚低频（VLF）3～30千赫（KHz）甚长波

100～10km2低频（LF）30～300千赫（KHz）长波

10～1km3中频（MF）300～3000千赫（KHz）中波

1000～100m4高频（HF）3～30兆赫（MHz）短波

100～10m5甚高频（VHF）30～300兆赫（MHz）米波

10～1m6特高频（UHF）300～3000兆赫（MHz）分米波

100～10cm7超高频（SHF）3～30吉赫（GHz）厘米波

10～1cm8极高频（EHF）30～300吉赫（GHz）毫米波

10～1mm9至高频300～3000吉赫（GHz）亚毫米波

1～0.1mm序号波段代号

频率/GHz波长/cm1P0.3-1100-302L1-230-153S2-415-7.54C4-87.5-3.755X8-123.75-2.56Ku12-182.5-1.677K18-271.67-1.118Ka27-401.11-0.759U40-600.75-0.510V6O-800.5-0.37511W80-1000.375-0.3波段、频率、波长（上表6、7、8扩展）自然：雷电。人造：由交变电流能量“激励”（转换）产生。通信用的电磁波己复盖从长波--光波全频段，常用激励源有以下三种。由半导体微波固态振荡源和微带电路构成由微波电子管构成特点是控制电子的运动。而不是控制电感线圈中的电流由电感、电容、晶体管组成高频振荡电路微波管振荡源固态微波振荡源3.4.3电磁波的产生三种激励源的性能比较：高频振荡电路微波管振荡源固态微波振荡源体积中大小重量轻重轻结构简单复杂简单频率低高较高、高工作电压低高低输出功率低、高大小集成分立元件不可能容易地波：沿着地球表面传播的电磁波。天波：经电离层或大气层折射返回地面的电磁波。直射波：在视距内直线传播并能穿过电离层的电磁波。直射波——长波——短波——微波3.5电磁波的传播3.5.1自由空间中电磁波的传播沿导波装置传播的电磁波称导行电磁波。导行电磁波被限制在有限的空间内传播。光纤工作频率，由低到高导波装置：可以具有不同的材料、截面形状和截面面积。工作在光频波导实物毫米波3.5.2电磁波在导波中的传播频段Hz30k～300k300k～3M3M～30M30M～300G300G～300T波段长波中波短波微波红外电磁波地波地波天波直射波光波信号传送铜线平行双线电缆线电缆波导光纤尺寸与波长l<<

l

铜线、电缆、波导的使用己越来越少（仅限于功率信号传送）。大量使用光纤。

电磁波与通信的关系天线:指能够进行能量转换即有效地辐射和接收电磁波的装置。1，天线必须解决的三个问题：（1）提高辐射功率或信噪比，天线要同传输线匹配好。（2）应具有向所需方向辐射电磁波的能力。（3）同一系统中，收、发天线应有相同的极化形式。3.6天线（2）当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。2，天线导波原理：通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子（1）载有交流电的导线，其辐射能力与导线的长短和形状有关；两臂长度相等的振子叫做对称振子。

每臂长度为四分之一波长，称为半波振子。

全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。1/2波长1/4波长1/4波长1/2波长波长振子类型：天线类型：板状鞭状帽形面状阵列天线实物图：移动定向天线MMDS—C型微波天线全向天线微波中继天线卡塞格伦天线八木天线短波雷达天线阵无源雷达天线天线实物图：长波天线阵（探测或通信）天线极化：垂直极化水平极化+45度倾斜极化-45度倾斜极化V/H(垂直/水平)双极化倾斜(+/-45°)双极化双极化天线（两个天线为一个整体或两天线独立）双极化比单极化天线接收范围更大、损失小效果更好天线的方向性：天线的方向性是天线的重要参数。对称半波振子方向图顶视图侧视图立体图定向天线方向示意图3.7电磁波的其它应用电磁波的神奇并不是因为它看不见、模不着，而是因为它能造福于人类，影响和改变我们的生活。它在通信、遥感、雷达、医疗、农业及军事等领域得到广泛的应用。预警雷达天线舰载雷达天线3.7.2雷达品种多样：目标探测、远程警戒、直升机防撞、探测云雨气象等。雷达、GPS导航定位依据的基本原理----电磁波遇目标反射，检测电磁波回波返回时间，依据速度，计算出测距。3.7.1电磁波测距雷达是利用电磁波来测定物体位置的无线电设备。它将高频电磁波射到物体上，物体将向各个方向反射这个电磁波。有一部分被反射回发射点（雷达），雷达接收回波并根据回波发现物体。所谓隐形不是指飞机将自己的形体隐藏起来，而是要让雷达看不到它。飞机达到隐形效果的关键，在于采用隐形材料和隐形设计，可尽量将雷达波束吸收掉，或者向偏离原雷达的方向反射，这样飞机就不容易被雷达探测到。隐形飞机吸收或偏离原雷达的方向反隐形飞机—采用无源雷达，获取扰动电波。3.7.3无线电遥控遥测遥控遥测对象：移动中的卫星、飞船、无人机、车辆、舰船等。遥测参数：位移、力、热、声、光、电、磁、气、湿等物理参数。距离：地球---月球；地球----火星；地球-----宇宙无限远空间。玉兔号月球车遥测照片火星车遥测照片遥感电磁波谱︵频率︶射线光波微波短波中长波太阳收信机传输处理遥感器

发射机收信机目标物即信息源气象云层海底鱼群植物生长变化及水污染土地、矿产资源地下水、岩石是一门对地观测综合性技术原理：不同物体对电磁波谱产生不同响应的原理进行探测。红外光3.7.4遥感辐射计测量海冰辐射计测量雪的辐射特性散射计测量海洋风场微波遥感：利用微波的“遥远感知”对地物进行非接触测量。散射计测量小麦卫星数据接收天线航空遥感灾害监测系统卫星数据接收站利用遥感、通信等对自然灾害进行实时监测。计算机图像处理与传输散射通信与流星余迹通信军用微波对流层散射通信车散射通信：利用对流层不均匀对电波产生散射而进行甲、乙两站的通信。优点：保密性好，通信距离远（150KM以上），不怕核辐射。军用。缺点：要求大功率。流星余迹通信：利用流星使大气产生电离反射电波而进行通信。多工作于短波、超短波波段。常用于军事。电磁波武器美军新一代微波武器：微波人群拒止系统（ADS—ActiveDenialSystem）（1）电磁脉冲武器（电磁波炸弹）（2）电磁波激发“等离子体”的防空反导武器3.7.5功率微波应用原理：微波加热是在微波场的作用下，被加热的介质分子被极化而成为偶极子，这些偶极子必然会随微波场的变化而发生扰动，由于分子的热运动和邻近分子间的相互作用