第8章-无线电及监测基础知识

第八章无线电及监测基础知识第一节高频正弦交流电及其三要素高频正弦交流电如图1：图1它的数学表达式为：u＝UmSin(2πft＋Ψ0)其中：(1)Um：为振幅最大值(2)f：为频率(周期T)(3)Ψ0：为初始相位频率：1秒钟内电压(或电流)最大值重复出现的次数叫频率.单位为1／秒也叫赫兹Hz。周期：两相邻电压最大值之间的时间间隔叫周期，单位为秒。周期与频率互为倒数，T＝1／f，f＝1／T。第二节电生磁，磁生电1．电生磁：通电导线周围存在磁场，电流愈大，磁场愈强，吸力愈大.(如：电磁吸铁石，电磁吊车)2．磁生电：导线切割磁力线产生电动势(或电流)，磁场越大，切割速度愈大，产生的电动势也就越大.(如：发电机)3．高频交变的电场、磁场是可以相互感应产生的，即高频交变电场可以感应出高频交变磁场，高频交变磁场也可以感应出高频交变电场。第三节半波振子天线和高频电磁波的产生1．半波振子上的场强分布：(如下图)如图2：当高频交流电图2u＝UmSin(2πft＋Ψ0)，加到半波振子天线上时，就会从天线上发出高频交变电磁场(即电磁波)。理论和实践证明，其场强分布为驻波分布(图二中虚线所示)对于半波振子天线，两端始终是驻波的节点(振幅始终为0)，而中间始终是腹点(振幅始终为最大值)2．电磁波产生过程：图3（a）图3（b）如图3(a)、(b)，当t＝0时，高频电流为0，半波振子天线上的场强也为0，当t＝t1时电流增加，天线上场强也增加为E’，当t＝t2时高频交流电最大，天线上场强也最大为Em，当t＝t3时电流减小，电场也减小，电流小到0，电场也小到0，电流小到负值，电场也为负值，电流负最大，电场也负最大，电流从负最大增加到0，电场也从负最大增加到0，就这样，高频交流电变化一周，电场也变化一周，如果高频交流电为150MHz，即每秒变化1.5亿次，则电场也在半波振子两边变化1.5亿次／秒，这个垂直面上的高频变化的电场在水平面上就会感应出高频变化的磁场→再交变成高频电场→再交变成高频磁上面是一个形象的比喻，有利于理解和记忆。实际上是天线附近的高频交变电磁场的变化感应四周的介质也产生相应的高频电磁场，就这样像水波一样的向四周传开。3．为什么半波振子天线发射效率最高呢?图4(a)图4(b)因为半波振子天线上场强分布如图2：当高频电流正半周时，场强也正好是正半周，当高频电流负半周时，场强也正好是负半周，就像是共振(谐振)一样，这样感应出来的场强正好是一个正弦波，反之若天线长度大于或小于半个波长，则场强与高频电流就不可能正负半周同步共振，L≠λ／2时，场强分布图如图4(a)、(b)，由图可见，高频电流在天线上产生的电场将不再是高频正弦电磁波，而是一个高频的非正弦的周期波形，这个波形将被分解成直流分量、基波、二次波、三次波……，显然这时天线的发射效率是很低的。举一个极端的例子，如果L＜＜λ，此时天线长度L很小，波长λ很大，天线L上场强分布近似是一直线，这就不可能产生交变电磁场。当然，如果天线做成全波、3／2次波……即L＝λ、3／2λ、2λ、5／2λ……等半波长的整数倍时，天线发射的也都是周期正弦波，不会产生其他谐波，但是它们的体积和所用材料就增加了，所以他们也没有半波振子发射效率高。实际使用的天线基本都是半波振子天线或由多个半波振子并联组成的天线阵，天线阵可以得到所需要的天线方向图。第四节电磁波1．在空中以一定速度传播的交变电磁场叫做电磁波2．电磁波的三要素电磁波的场强表达式为：e＝EmSin(2πft＋Ψ0)其波形图如图5e为瞬时值Em为最大值f为频率t为时间Ψ0可见它的三要素同正弦交流电。3．电磁波的两重性：(a)时间性：即某点电场强度随时间变化的波形。见电磁波的三要素和图5。图5(b)空间性：即同一时间在传播方向上空间不同点的场强分布。电磁波在空间传播时，某一瞬间在传播方向上不同点的电场大小也是一个正弦分布，其表达式为：e＝EmSin(2πS／λ＋Ψ0)e为传播方向上各点的场强、Em为最大值、f为频率、S为距离、C为光速、Ψ为初始相位其分布图为图6图6电磁波的三要素与正弦波相似，不同处在于它是某瞬间的空间分布，与时间无关，不存在周期，图6中两相邻峰值之间的距离叫波长。(c)波长的换算：c3×118(米／秒)C＝f·λ，λ(米)＝——＝—————————ff(Hz)c300λ(米)＝——＝—————————米波换算公式ff(MHz)c0.3λ(米)＝——＝—————————微波换算公式ff(GHz)c3λ(dm)＝——＝—————————分米波换算公式ff(GHz)c30λ(cm)＝——＝—————————厘米波换算公式ff(GHz)c300λ(mm)＝——＝—————————毫米波换算公式ff(GHz)第五节电磁波的功率密度矢量(波印亭矢量)和空中电磁波的欧姆定律1.功率密度矢量：我们知道，电场矢量E和磁场矢量H，都是有方向的量图7而功率密度矢量S＝E×H(见图7)，其方向由右手定则决定，即右手四指先抓碰电场矢量，再抓碰磁场矢量，此时伸开的大拇指方向就是电波传播(即功率密度矢量)的方向。其标量大小：S＝｜E×H｜＝E·H2．空中电磁波的欧姆定律：公式为：Z0＝E／H叫空间电波的欧姆定律。由上式可得S＝E·H＝H2·Z0＝E2／Z0Z0μ0Z0＝{——}=120π＝377Ωε0式中：μ0＝4π×10-71ε0＝———×10-9叫真空介电系数。36π本文“{}”为根号，矢量E、H字母上方应有→,以下同，请予注意!——编者注第六节电磁波的极化1.极化对通讯和监测的影响我们知道，要想通讯效果好，收发天线的极化必须一致，即发射天线垂直极化时，接收天线也要垂直极化；发射天线水平极化时，接收天线也要水平极化。如果收、发天线的极化不一致，通讯效果将很差(相差100倍以上)，同样，2．极化的分类：如图8其中：线极化由线天线产生，圆(椭圆)极化由螺旋天线产生。而我们无线电监测中常用的是线极化。线极化又分垂直极化和水平极化。电场矢量E垂直于地面的电磁波叫垂直极化波。电场矢量E平行于地面的电磁波叫水平极化波。3.极化的判断：根据天线来判断。半波振子垂直放，产生垂直极化波；半波振子水平放，产生水平极化波。图8对微波馈源天线，小激励天线在波导喇叭里面，从外面看不见。可用波导外观来判断。因为波导短边方向与电场方向是一致的。即波导短边垂直于地面是垂直极化，而波导短边平行于地面是水平极化。第七节无线电波1．什么是无线电波：频率在3000GHz以下，在空中传播的电磁波叫无线电波。无线电频率从几十KHz到3000GHz频率范围的总称叫频谱。而其中某一小段可叫某一段的频谱。例如150MHz频段，从137～174MHz。频谱是总称(或是一段频率范围)，频率是频谱中某一具体频点。2．无线电波波段划分表频率序号频率范围（只含上限频率而不含下限频率）相应的米制波段划会4567891011123～30KHz30～300KHz300～3000KHz3～30MHz30～300MHz300～3000MHz3～30GHz30～300GHz300～3000GHz超长波千米波百米波十米波米波分米波厘米波毫米波亚毫米波3．无线电波的传播方式：直线传播、反射传播和绕射传播。电波的频率越高，传播距离越短，反射能力越强，绕射能力越低。第八节无线电通讯收发方框图1．无线电通讯发射方框图，如图9；方框波形图如图10图9图10图中高频振荡器产生的高频振荡信号(图10.a)与低频信息信号(图10.b)，在调制器中调制(调幅、调频、调相)后，得到一个被调制的高频信号(图10.c)，再经功率放大后，送到天线发射出去。以上是一个简述的发射过程。(A)图10是一个调幅波的产生过程，它的载波(图10.a)幅度受到低频信号(图10.b)的控制，产生了幅度随低频信号变化的高频信号(图10.c)。图11(B)图11是一个调频波的产生过程，它的载波(图11.b)频率受到低频信号(图11.a)的控制，产生了频率随低频信号变化的高频信号(疏密波图11.c)。(C)调相波实际上是一种变相的调频波，因为相位变化一周(360度)频率变化1Hz。2．为什么要调制呢?直接把声音、音乐、各种信息信号进行功率放大，送给天线发射出去，这样行不行呢?答：这样是不行的。因为低频信号的波长很长，例如一个15KHz的音乐信号，它的波长是20Km，半波就是10Km，10Km长的半波振子天线是很难做出来的。同时发射机功放中的λ/4谐振腔体和接收机谐振电路中的电感L和电容C也都将很大，也是很难做出来的。3.无线电通讯接收方框图(如图12)图12天线收到信号后，与本振信号差频为中频信号，经放大后送去解调(检波、鉴频、鉴相)，解调出的低频信息信号送到音频(视频)系统供人们听(看)。图13解调是调制的反过程，对调幅信号用检波器还原出低频信息信号；对调频波用鉴频器还原出低频信息信号，而对调相波用鉴相器还原出低频信息信号。图13是一个调幅信号解调过程的波形图。第九节分贝(dB)和贝尔1．分贝(或dB)是电子学中广泛用来表示两个功率(或电压、电流)之比的对数单位。设两个功率之比为Kp，则这两个功率之比Kp的对数单位表示为：且Kp(dB)＝10lgKp；若Kp＝2，则Kp(dB)＝10lg2＝3dB若Kp＝10，则Kp(dB)＝10lg10＝10dB若Kp＝1000，则Kp(dB)＝10lg1000＝30dB设两个电压(或电流)之比为K，则这两个电压(或电流)之比的对数单位表示为K(dB)＝20lgK若K＝2则K(dB)＝20lg2＝6dB；若K＝10则K(dB)＝20lg10＝20dB；若K＝1000则K(dB)＝20lg1000＝60dB；2．那么1分贝表示什么意思呢?功率1dB就是：10lgKp＝1，lgKp＝0.1，Kp＝100.1≈1.26电压1dB就是：20lgK＝1，lgK＝0.05，K＝100.05≈1.12∴1分贝表示功率比为1.26倍。或表示电压比为1.12倍。1贝尔＝10dB，它表示10倍的功率比或表示3.16倍的电压(或电流)比。3．为什么功率比是10lgKp，而电流比却是20lgK呢?P出U2出／RU2出因为功率比Kp＝——＝—————＝————＝K2P入U2入／RU2入所以Kp(dB)＝10lgKp＝10lgK2＝20lgK第十节四端网络的增益G(或衰减L)如图：设一个匹配四端网络功率放大倍数为Kp，电压放大倍数为K，则Kp＝K2，若K＝10，则Kp＝100。把它们用分贝表示得：K(dB)＝20lg10＝20dBKp(dB)＝10lg100＝20dB由上可见，对匹配的有源四端网络而言，Kp和K用对数单位表示，它们总是相等的，我们把它叫做四端网络的增益用G表示。其对数单位为：G(dB)＝20lgK＝10lgKp。同理，对无源四端网络增益G(dB)是个负值，它表示衰减，若用L(dB)来表示衰减，则L(dB)＝－G(dB)。例：一截电缆，信号通过后电压降低一半，则K＝(1／2),Kp＝K2＝(1／4)，G(dB)＝20lg(1／2)＝10lg(1／4)＝－6dBL(dB)＝－G(dB)＝6dB第十一节用dBw，dBm，dBv，dBmv，dBμv，来表示功率和电压的大小1．dBw是以1W功率为基准，用对数单位来表示功率PA的大小。也就是表示功率PA是1W的多少倍，A(dBw)＝10lg(PA／1W)若PA＝1W，A(dBw)＝10lg1＝0dBw，即0dBw表示功率为1W。2.dBm是以1mW功率为基准，用对数单位来表示功率PA的大小。也就是表示功率PA是1mW的多少倍，A1(dBm)＝10lg(PA／1mW)，同样0dBm表示功率为1mW1W功率是0dBw，那么用dBm来表示是多少呢?10lg(1W／1mW)＝10lg(1000mW/1mW)＝30dBm。也就是说，0dBw＝30dBm均表示功率为1W。若功率P(w)用dBw表示为：A(dBw)＝10lg［P(w)／1W］＝10lgP，则此功率用A1(dBm)表示应为：A1(dBm)＝10lg(P×1000／1)＝