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第三章电磁波与无线电《电子信息技术导论》编制沈俐娜我们生活在电磁波的世界我们生活在电磁波的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环境第3章电磁波与无线电一、电磁波的发现二、电磁波的应用-无线通信三、电磁波的物理模型和参数四、电磁波的传播六、电磁波的其它应用五、天线提纲一、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一、电磁波的发现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,德国人赫兹用这个火花产生电磁波的装置，证明了人们怀疑与期待已久的电磁波存在。涡旋电场、位移电流22222222xyztEEEE22222222xyztHHHH预言电磁波存在这是二个波动方程电磁场不再独立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1700mile1900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电路1907年获诺贝尔物理奖二、电磁波的应用——马可尼Marconi马可尼电报机无线通信1904年英国物理学家弗莱明发明电子真空二极管，(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。1906年弗雷斯特发明电子三极管放大；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。无线寻呼系统无线电寻呼系统示意图发射台无线电寻呼控制中心及主发射台发射台公用电话网用户回路俗称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1.集群的概念把一些由各部门分散建立的专用通信网集中起来，统一建网和管理，并动态地利用分配给它们的有限个频道，以容纳数目更多的用户。是一种用于调度和指挥的专用通信系统。2.特点①对网中的不同用户常常赋予不同的优先等级。②具有一定的限时功能，一次通话的限定时间大约为15～60秒(可根据业务情况调整)。③主要为无线用户之间服务，无线与有线用户间的通话业务，一般只允许其话务量占总业务量的5%～10%。④集群通信系统一般采用半双工方式，因而，一对移动用户之间进行通信只需占用一对频道。集群移动通信系统蜂窝移动通信短波通信、卫星通信、微波散射通信微波是指波长在１毫米至１米范围内的非电离辐射高频电磁波。微波频率很高已超过临界频率，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多种短波军用、民用电台卫星通信三、电磁波的物理模型和参数若源为正弦源，则场也随时间按正弦规律变化，形成正弦电磁波，如下模型所示。波速度：波速度又称相速度，指等相位面移动的速度，方向为传播方向。/1/VTVff波长与波速、周期、等的关系：波长：同一波（频率f固定）在不同的介质中传播时其波长不同。极化：指空间某处，电场端矢在一周期内随时间的变化所形成的轨迹。其实质就是场强方向。水平极化：场方向与地面平行。垂直极化：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。场方向观点轨迹观点收发信号要求极化相同极化方式自然：雷电、太阳光和噪声……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：在视距内直线传播的电磁波。直射波——长波——短波——微波自由空间中电磁波的传播四、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。工作在光频导波装置中电磁波的传播波导实物毫米波频段Hz30～300k300k～3M3～30M30M～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ll铜线、电缆、波导的使用已越来越少（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。天线必须解决的三个问题：1、提高辐射功率或信噪比，天线作为传输线的负载应做好匹配。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。五、天线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。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抛物面天线八木天线天线实物图：长波天线天线极化：垂直极化水平极化+45度倾斜的极化-45度倾斜的极化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传输两个独立的波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不能缺少的一个重要特性。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六、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、遥感遥测、医疗、工业、农业及军事等领域得到广泛的应用。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技术利用微波遥感器进行广泛野外测量活动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、通信等先进技术对自然灾害进行实时监测计算机图像处理与传输电磁兼容一般指电子及电气设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境的上述各种设备都能正常工作又互不干扰，达到“兼容”的状态。现在电磁兼容科技工作者又进一步探讨电磁环境对人类及生物的危害影响，学科范围已不仅限定于设备与设备间的问题，而进一步涉及到人类本身，因此一些国内外学者也把电磁兼容学科称作“环境电磁学”。电磁兼容设备与设备间、人与设备间的和谐相处1、电磁干扰特性及传播理论2、电磁危害及电磁频谱的利用和管理3、电磁兼容的工程分析和控制技术4、电磁兼容设计理论和方法5、电磁兼容性测量和试验技术6、电磁兼容性标准、规范与工程管理7、电磁兼容预测和分析电磁兼容学科研究内容干扰源S(t)耦合C(t)通道敏感R(t)设备形成干扰的条件：S(t)C(t)≥R(t)1、理论体系以电磁场理论为基础2、是一门新兴的综合性交叉学科3、计量单位的特殊性(dBW、dBV、dBA)4、大量引用无线电技术的概念和术语5、极强的实用性电磁干扰三要素电磁兼容学科特点原理：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，使这种扰动受到干扰和阻碍，并以热的形式表现出来，使介子的温度升高。优点：加热均匀、速度快、效率高，产品质量好，可以进行选择性加热，且可避免环境升温，便于自动控制及连续加热等。应用:杀虫、灭菌、橡胶硫化、塑料生产与聚合物热加工，原煤脱硫，铸模脱腊等方面已获得广泛而成功地应用。微波加热微波具有能够穿透对于声波衰减很大的非金属材料的特点。优点：微波检测的设备简单，操作方便、无损、非接触、便于实现自动化等。应用:微波检测的项目包括增强塑料和各种金属非金属复合胶接结构和蜂窝结构中的分层、脱粘，固体推进剂和飞机轮胎内部的气孔、裂缝，金属加工表面的光洁度、裂纹、划痕及其深度，非金属材料中的湿度、密度、混合物组份比，固化度，金属板与介子板的厚度、微小位移、微小振动、微小体积和离子体内的温度等。微波探测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，当然有一部分被反射回发射点（雷达），雷达处的接收装置接收回波并根据回波发现物体。所谓隐形飞机决不是指飞机将自己的形体隐藏起来，让人看不到它，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。如果把飞机的外表面制成由一些平面组成，则这些平面反射电磁波就不是四面八方的了，而是像平面镜反射光线一样只朝着有限的几个方向反射，这样就不见得有反射波被雷达接收到，从而达到了不被雷达发现的目的。隐形飞机吸收或偏离原雷达的方向隐形与反隐形=“电磁波对抗”：当前研究热点。反探测隐形与反隐形雷达技术1，被动式相干定位技术原理：大气空间是电磁波的世界，有大量通信、导航和电视信号。隐形飞机主要是针对厘米波，不可能对所有电磁波隐形。被动式相干定位雷达系统可通过对全频段信号的综合处理确定目标位置。隐形飞机探测雷达三雷达站联合探测定位隐形与反隐形雷达技术2，扩展雷达频段技术用米波雷达、长波雷和毫米波雷探测隐形飞机。3，雷达组网探测技术米波雷达运用双/多基地雷达和雷达组网技术捕获目标。通过多个雷达的影像，运用高速计算机对目标信号综合处理计算出隐形飞机的确切位置。利用电磁波，探测电磁波，一直是电子信息技术研究的主要课题之一。宇宙是电磁波的神奇世界！电磁波是探索宇宙的工具！探测电磁波，产生电磁波，控制电磁波，是电子信息科学的基础技术之一。第三章（完）