第八章电磁场与电磁波的应用教学案例

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1、第八章 电磁场与电磁波的应用,8.1电磁波谱及应用概述,电磁波谱范围极大，习惯上把频率在3kHz3000GHz的电磁波称为无线电波，相应的波长范围为10-4 105m。通常所说的可见光是一种电磁波，波长为0.40.76m，比可见光的波长更长的区域即是红外区，常用的光纤通信就工作在近红外区，波长范围为0.81.8m，相应的频率为1.671014 3.75104Hz。比可见光的波长更短的区域有紫外区、X射线、射线，它们都有很多的应用。 为了更好地使用频率资源，减少相互间的干扰，国际无线电咨询委员会（CCIR）为不同行业指定使用不同的频段。无线电波一般可按波段划分，划分后的波段名称、波长、频率范围见

2、表8.1。,2. 空间波传播 空间波的传播有两种： 一种是当发射天线和接收天线均高出地面一个波长以上时，直接在空中传播，如图8.2所示。 另一种空间波由直射波及入射波、反射波组成，具有多径效应，如图8.3所示。 超短波和微波可采用空间波传播。,3. 电离层波传播 无线电波从发射天线发出，经电离层反射而到达接收天线称为电离层波传播，如图8.4所示。 短波沿地面绕射传播能力差，但利用电离层波传播是最适宜的。但频率太高的无线电波、超短波或微波，一般要穿过电离层，不能被电离层反射回来，所以频率不能很大，此外还存在一个寂静区，如图8.4所示，在这个区域既接收不到地波信号，也接收不到电离层波信号,4. 外

3、层空间传播 外层空间传播是通过卫星来实现的，如图8.5所示。 外层空间传播，电磁波主要受到大气层的影响，大气层对流层中的氧和水蒸气会对电磁波有吸收作用，雨雾以及雪也会对电波产生吸收和散射损耗，电离层对短波还会有反射作用。综合上述影响，无线电波在0.310GHz频段，大气吸收损耗最小，称为“无线电窗口”。因此通常选择在这个窗口附近。,8.2广播电视系统,无线电广播中波波段一般采用5251605kHz，短波波段采用224MHz，调频广播波段为88108MHz。广播是人类在社会实践中对信息的需求与现代科学技术相结合的产物，是电磁场与电磁波的最早的应用之一。 传输电视信号需要相当宽的频带，因此需要采用

4、超短波或更高频段的无线电波。最早分配给电视广播的VHF有12个频道，频率为49.75216.25MHz，后来又分配UHF频段，共有56个频道，频率范围为471.25951.25MHz。 电视信号可以利用同轴电缆传输，称为有线电视。有线电视已经发展为频率从49.75878.25MHz，有99个频道的强大网络。,广播电视系统本身就是电磁场与电磁波的重要应用，前面所讲的很多理论性的问题都可以具体应用到系统中去。举一个最简单的例子来说明，收音机的天线是什么样子?从理论上分析为什么要这样放置？收音机天线之一如图8.6所示。 磁性天线由铁氧体棒上平绕多匝漆包线而成，可直接放在收音机内。它又可作为收音机输入

5、回路的电感线圈。那么磁性天线如何放置在收音机内呢？,对称振子天线的远区辐射场为 从式（8.1）可知，H只有e分量，如果磁棒垂直放置，那么电感线圈的方向和磁场方向平行，不会切割磁力线，如图8.7所示。所以磁性天线不能垂直放置。,（8.2.1）,那么磁性天线应水平放置在收音机内，当磁棒轴线与电波的传播方向（er）平行时，如图8.8（a）所示，线圈内感应电动势很小，收音机的声音也很小； 当磁棒轴线与电波的传播方向垂直时，如图8.8(b)所示，线圈内感应电动势最大，收音机的声音也最大。绕垂直轴旋转收音机时，声音会发生变化。,如果是金属拉杆天线，应如何放置呢？显然应该垂直放置。 这是因为对称振子天线的辐

6、射场为 拉杆天线垂直放置时与e主方向一致，产生的感应电流最大。,（8.2.2）,8.3移 动 通 信,20世纪20年代，现代移动通信技术的发展宣告开始。从20世纪20年代至40年代是现代移动通信的起步阶段。 1987年11月18日，中国第一个TACS模拟蜂窝移动电话系统在广东省建成并投入商用。这一时期的系统主要是依赖第一代移动通信技术（1G），采用的是模拟技术和频分多址（FDMA）技术。 第二代移动通信（2G）主要采用的是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址（COMA）技术，频谱利用率高，可大大提高系统容量，能提供数字化的语言业务及低速数据业务。,目前正在迅速发展的是第三代移动通信技术（3

7、G），它是将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率的利用效率，实现高速数据传输和宽带多媒体服务，传输速率最低为384KB/s，最高为2MB/s,带宽可达5MHz以上，使用频率1.8852.025GHz和2.1102.200GHz,提供全球覆盖，实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接，满足多媒体业务的要求。主要技术有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。 3G系统仍然无法满足未来的多媒体通信的需求，未来的移动通信系统是第四代移动通信系统（4G）。它是宽带（broadband）接入和分布网络，具有更高的无线频率使用效率，且具有更好的抗信号衰落性能，上网速度可提

8、高到100MB/s，具有不同频率间的自动切换能力。,电磁场与电磁波的应用贯穿于整个移动通信技术，下面的例子是从电磁场与电磁波应用的角度来探讨移动定位技术。 蜂窝网无线定位是通过检测移动台和多个固定位置收、发信机之间传播信号的特性参数（如电波场强、传播时间或时间差、入射角等）来估算出目标移动台的位置。移动定位技术有多种，其中之一是基于三角关系和运算的定位技术，可细分为两种，即基于距离测量定位技术和基于角度测量的定位技术。,下面介绍基于距离测量的定位技术。 如图8.9所示，已知三个基站BS1、BS2和BS3的位置和它们与目标移动台的距离，那么很容易确定出目标移动的位置，也就是以R1、R2和R3为半

9、径画圆，交点即是目标移动台。 那么如何测量目标移动台和基站的距离？,目标移动台发出电磁波在距离为r处的电场强度E和磁场强度H都与1/r成正比，因此基站接收到该目标移动台的功率与1/r2成正比，这样就可以测出目标移动台MS到基站BS1、BS2和BS3的距离，从而确定MS的位置。 但是这种利用电波强度的测量方法的精确度很低，这是因为无线电波在空间传播时能量的衰减是多种因素共同作用的结果，如空间波存在着图8.3所示的多径效应，再如在一个地形地物复杂的环境中受该环境的影响很大。 基于上述原因早期采用的场强定位法发展为到达时间定位法。这种方法的思路很简单，各基站测出移动目标台的到达时间，那么无线电波传播

10、的距离为 L=vt （8.3.1） 这样就测出各基站到移动目标台的距离，虽然这种方法受时钟同步和时钟精度的影响，但还是比场强度位定位法精度高得多。,8.4微波通信、卫星通信和光纤通信,1. 微波通信 微波通信是指利用微波频率用作载波携带信息，通过无线电波进行中继接力的通信方式。微波是指频率为300MHz300GHz的电磁波。 模拟微波通信系统是传输FDM-FM基带信号的系统，传输容量高达2700话路，并可同时传输高质量的彩色电视。数字微波通信系统是传输数字基带信号的系统，又分为PDH数字体系和SDH数字体系，传输容量高达7860话路。,微波的波长很短，绕过障碍物而传播的尺度很小，这就决定微波通

11、信只能采取中继接力方式，如图8.10所示。大约50km就必须设一个微波中继站。较大的通信系统需要建设非常多的中继站，这也限制了它的使用。 虽然微波频率范围很宽（0.3300GHz）,但是用于微波通信的频率范围却只有140GHz，这是因为当频率较高时，雨、雪、雾及水蒸气对电波的散射或吸收损耗增加，造成电波衰减和接收电平下降，这些影响对12GHz以上频段尤为明显。,2. 卫星通信,卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信。地球站是设在地球表面，包括地面、海洋和大气中的通信站。实际上卫星通信可以看作是利用微波频率，把通信卫星作为中继站而进行的一种特殊的

12、微波中继通信。卫星通信工作频段与微波通信相同。 目前民用通信卫星使用同步工作方式，称为同步卫星通信系统。从地面上看，这颗卫星永远像挂在天空不动，因此同步卫星也称为“静止卫星”。,同步卫星通信的优点如下： （1） 通信距离远，且费用与通信距离无关 （2） 覆盖面积大，可进行多址通信 （3） 通信频带宽，传输容量大 （4） 信号传输质量高，通信线路稳定可靠 （5） 建立通信线路灵活、机动性好,静止卫星配置几何关系示意图如图8.11所示，若以120的等间隔在同步轨道上配置三颗卫星，则在地球表面上除两极地区未被卫星波束覆盖外，其他区域都在覆盖范围之内，而且部分地区为两颗卫星波束覆盖的重叠区，这样就可以

13、实现全球通信。 目前国际卫星通信组织负责建立的国际卫星通信系统（INTELSAT，简称IS）就是利用静止卫星来实现全球通信的。三颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和大西洋上空，它们构成的全球通信网承担大部分的国际通信业务和全部国际电视转播业务，如图8.12所示。,在实际应用中，国际卫星通信的商业卫星和国内区域卫星通信中大多数都使用6/4GHz频段，其上行频率为5.9256.425GHz，下行频率为3.74.2GHz，卫星转发器的带宽可达500MHz。为了不与上述民用卫星系统干扰，许多国家的军用和政府用卫星通信系统使用8/7GHz频段，其上行频率为7.98.4GHz，下行频率为7.257.75GH

14、z。由于卫星通信业务量的急剧增加，110GHz的无线电窗口日益拥挤，14/11GHz频段已得到开发和利用，其上行频率为1414.5GHz，下行频率为10.9511.2GHz和11.4511.7GHz。,3. 光纤通信,以光作载波的通信方式即是光通信。人们想到以光作为载波，这是很自然的，这是因为光的频率很高，为10141015Hz，因此利用光通信会有更大的通信容量。但是光在大气中受到的影响因素非常多，如大气中水蒸气尘埃的影响、恶劣天气的影响。另外还受到激光束本身的影响，如激光束非常细小给光学设备的对准、控制及跟踪带来困难，所以限制了大气光通信的使用。 于是人们就想到利用介质来传输光信号，这种介质

15、即是光导纤维。这种利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。,利用光纤通信首先要解决两个问题。,（1） 光纤的基础材料问题 人们通过大量的实验发现，纯净的石英材料在0.81.8m，对应的频率为167375THz的近红外光波入射，损耗很少。并且在0.85m、1.31m和1.55m附近损耗最低，如图8.13所示。,（2） 光导纤维结构问题 光导纤维通常采用同轴圆柱体结构，由纤芯和包层构成，如图8.14所示为增加光纤的机械强度，图8.14光纤结构在裸光纤的外面加上涂覆层。对于单模光纤，光纤直径（即包层直径2b）为125m，纤芯直径2a为410m。,8.5雷达,雷达（Radar）是“Radio

16、Detection and Ranging”的缩写。其基本功能是利用目标对电波的散射而发现目标，并测定目标的空间位置。 雷达系统的基本组成框图如图8.15所示。,从电磁场与电磁波理论来分析简单连续波雷达是如何实现测速的。,简单连续波雷达系统中的动目标鉴别和分辨是以多普勒效应为基础的。设固定雷达发出电磁波的频率为f0,则发射波的周期T0=1/f0，设动目标以恒速为u向着雷达移动，如图8.16所示，在t0时刻动目标在R0位置，在t1时刻动目标在R1位置。,雷达发射的电磁波到达目标所需的时间为,t0时刻发射的电磁波（峰A），到达移动目标，回波在t1时刻被雷达接收,雷达在t+T0时出现第二个峰（峰B），回波在t2时刻被雷达接收,发射和接收波形如图8.17所示,（8.5.1）,（8.5.2）,（8.5.3）,接收的电磁波的周期T0,一般情况下u/c1,因此,可见，接收波与发射波比较频率产生了偏移，偏移量为 f=2u/ 这样根据频率偏移量就可以测出移动目标的速度。,（8.5.6）,（8.5.5）,（8.5.4）,8.6 射 频 识 别,射频识别（Rad