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1、,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單擊此處編輯母版標題樣式,*,第三章 電磁波與無線電,我們生活在,電磁波的世界,我們生活在電磁波的世界,雷電,無線廣播,移動通信,移動電視,電視廣播,雷達輻射,衛(wèi)星廣播,微波爐,電磁環(huán)境,第3章 電磁波與無線電,一、電磁波的發(fā)現(xiàn),二、電磁波的應用,-,無線通信,三、電磁波的物理模型和參數(shù),四、電磁波的傳播,六、電磁波的其它應用,五、天線,提綱,一、,電磁波的發(fā)現(xiàn),1820年,奧斯特,發(fā)現(xiàn)電流產(chǎn)生磁場；,1831年 法拉蒂,發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象；,奇妙的

2、電磁波,安培,楞次,感應電流,感應電動勢,動磁場,電流,磁場,各自獨立,電場,磁場,一、,電磁波的發(fā)現(xiàn),奇妙的電磁波,無線電通信的奠基人,麥克斯韋,Maxwell,（1879）,赫茲,1864年,1888年,德國人赫茲用這個火花產(chǎn)生電磁波的裝置，,證明,了人們懷疑與期待已久的,電磁波存在,。,渦旋電場、位移電流,預言電磁波存在,這是二個波動方程,電磁場不再獨立,1895年 馬可尼,發(fā)明的,無線電報,，傳輸距離30米；,1895年 馬可尼,在陸地和拖船之間實現(xiàn)傳輸2公里的無線電報,1897年 馬可尼,獲無線電報專利，建立無線電報公司；,1901年12月12日 馬可尼在加拿大紐芬蘭島收到從英國,C

3、ornwall,發(fā)出的無線信號，傳輸距離1700,mile,1900,年 專利,調(diào)諧電話,獲得批準，同年公司改名為,Marconi,公司；,1902年 英國與加拿大之間正式開通,了越洋無線電報通信電路,1907年 獲諾貝爾物理獎,二、電磁波的應用,馬可尼,Marconi,馬可尼電報機,無線通信,1904年 英國物理學家,弗萊明,發(fā)明電子真空二極管，,(標志著世界從此進入了電子時代),開辟了模擬通信的新紀元。,1906年,弗雷斯特,發(fā)明電子三極管放大；,數(shù)年后用于,長、中、短波的電報和電話,。,1918年,阿姆斯特朗,發(fā)明超外差調(diào)幅（,AM）,收音機,。,1920年,AM,廣播,在美國,Pitt

4、sburgh,開通,。,1929年 英國,BBC,廣播,電視,開通,。,1933年,阿姆斯特朗,發(fā)明調(diào)頻制,。,1936年 調(diào)頻廣播開播,。,無線尋呼系統(tǒng),無線電尋呼系統(tǒng)示意圖,俗稱,BB,機系統(tǒng)，是一種單向傳輸通信系統(tǒng)。,排隊機,編碼器,發(fā)送器,控制中心結(jié)構(gòu)圖,1.集群的概念,把一些由各部門分散建立的專用通信網(wǎng)集中起來，,統(tǒng)一建網(wǎng)和管理，并動態(tài)地利用分配給它們的有限,個頻道，以容納數(shù)目更多的用戶。,是一種用于調(diào)度和指揮的專用通信系統(tǒng)。,2.特點,對網(wǎng)中的不同用戶常常賦予不同的優(yōu)先等級。,具有一定的限時功能，一次通話的限定時間大約為 1560秒(可根據(jù)業(yè)務情況調(diào)整)。,主要為無線用戶之間服務，

5、無線與有線用戶間的通話業(yè)務，一般只允許其話務量占總業(yè)務量的5%10%。,集群通信系統(tǒng)一般采用半雙工方式，因而，一對移動用戶之間進行通信只需占用一對頻道。,集群移動通信系統(tǒng),蜂窩移動通信,短波通信、衛(wèi)星通信、微波散射通信,微波是指波長在毫米至米范圍內(nèi)的非電離輻射高頻電磁波。,微波頻率很高已超過臨界頻率，因此微波遇到電離層，,將全部穿過電離層進入太空不再返回地面。,全透射,電磁波頻率,電離層的,臨界,頻率,電磁波頻率,反射,微波頻率較高，通過不均勻?qū)α鲗赢a(chǎn)生散射現(xiàn)象，,因此可以進行超視距的微波散射通信，如右上圖所示。,移動通信，正是利用了這一特點，避開了電離層的干擾，,在用戶和基站間可建立,視距和

6、非視距,（經(jīng)物體反射）,的通信聯(lián)系。,短波,通信,衛(wèi)星通信,微波散射,通信,多種短波軍用、民用電臺,衛(wèi)星通信,三、電磁波的物理模型和參數(shù),若,源,為,正弦,源，則,場,也隨時間按,正弦,規(guī)律變化，,形成正弦電磁波，如下模型所示。,波速度,：,波速度又稱相速度，指等相位面移動的速度，方向為傳播方向。,波長與波速、周期、等的關系：,波長,：,同一波（頻率,f,固定）在不同的介質(zhì)中傳播時其波長不同。,極化,：,指空間某處，電場端矢在一周期內(nèi)隨時間的變化所形成的軌跡。,其實質(zhì)就是場強方向。,水平極化,：場方向與地面平行。,垂直極化,：場方向與地面垂直。,線極化,：電場僅在一個方向振動，,即電場矢量端點

7、的軌跡是一條直線；,圓極化,：電場強度矢量端點的軌跡是一個圓；,橢圓極化,：電場強度矢量端點的軌跡是一個橢圓。,場方向觀點,軌跡觀點,收發(fā)信號要求極化相同,極化方式,自然：雷電、太陽光和噪聲,人造：由交變電流能量激勵（轉(zhuǎn)換）產(chǎn)生。,通信用,的電磁波己復蓋從長波,光波全頻段,，,常用激勵源有以下三種。,由半導體,微波固態(tài)振蕩源,和微帶電路構(gòu)成,由微波電子管構(gòu)成,特點是控制,電子的運動。,而不是控制,電感線圈中的電流,由電感、電容、,晶體管組成,高頻振蕩電路,微波管振蕩源,固態(tài)微波振蕩源,電磁波的產(chǎn)生,三種激勵源的性能比較：,高頻振蕩電路,微波管振蕩源,固態(tài)微波振蕩源,體積,中,大,小,重量,輕,

8、重,輕,結(jié)構(gòu),簡單,復雜,簡單,頻率,低,高,較高、高,工作電壓,低,高,低,輸出功率,低、高,大,小,集成,分立元件,不可能,容易,地波：沿著地球表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ā?天波：經(jīng)電離層或大氣層折射返回地面的電磁波。,直射波：在視距內(nèi)直線傳播的電磁波。,直射波,長波,短波,微波,自由空間中電磁波的傳播,四、電磁波的傳播,沿,導波裝置,傳播的電磁波稱導行電磁波。,導行電磁波被限制在,有限的空間,內(nèi)傳播。,光纖,工作頻率，由低到高,導波裝置,：,可以具有不同的材料、截面形狀和截面面積。,工作在光頻,導波裝置中電磁波的傳播,波導實物,毫米波,頻段,Hz,30,300k,300,k3M,3,30M,30,

9、M300G,300,G300T,波段,長波,中波,短波,微波,紅外,電磁波,地波,地波,天波,直射波,光波,信號傳送,銅線,平行雙線,電纜線,電纜,波導,光纖,尺寸與波長,l,l,銅線、電纜、波導的使用,已越來越少,（僅限于功率信號傳送）。,大量使用光纖。,電磁波與通信的關系,天線:,指能夠進行能量轉(zhuǎn)換即有效地輻射和接收電磁波的裝置。,天線必須解決的三個問題：,1、提高輻射功率或信噪比，天線作為傳輸線的負載應做好匹配。,2、應具有向,所需方向,輻射電磁波的能力。,3、同一系統(tǒng)中，收、發(fā)天線應有相同的極化形式。,五、天線,當導線的,長度,增大到可與波長相比擬時，,導線上的電流就大大增加，因而就能

10、形成較強的輻射。,天線導波原理：,通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的,直,導線稱為,振子,載有交流電的導線，其輻射能力與導線的長短和,形狀,有關；,兩臂長度相等的振子叫做,對稱,振子。,每臂長度為四分之一波長，稱為,半波,振子。,全長與波長相等的振子，稱為,全波對稱,振子。,1/2波長,1/4波長,1/4波長,1/2波長,波長,振子類型：,天線類型：,板狀,鞭狀,帽形,面狀,陣列,天線實物圖：,移動定向天線,MMDS-C,型微波天線,全向天線,微波中繼天線,拋物面天線,八木天線,天線實物圖：,長波天線,天線極化：,垂直極化,水平極化,+45度傾斜的極化,-45度傾斜的極化,V/H,(,垂直/水平)雙極

11、化,傾斜,(+/-45),雙極化,雙極化天線,兩個天線為一個整體,傳輸兩個獨立的波,雙極化比單極化天線接收范圍更大、損失小效果更好,天線的方向性：,天線的方向性是天線不能缺少的一個重要特性。,對稱半波振子方向圖,頂視圖,側(cè)視圖,立體圖,定向天線方向示意圖,六、電磁波的其它應用,電磁波的神奇,并不是因為它看不見、模不著，,而是因為它能造福于人類，,影響和改變我們的生活。,它在通信、遙感遙測、醫(yī)療、工業(yè)、,農(nóng)業(yè)及軍事等領域,得到廣泛的應用。,遙感,電磁波譜頻率,射線,光波,微波,短波,中長波,太陽,收信機,傳輸,處理,遙感器,發(fā)射機,收信機,目標物,即,信息源,氣象云層,海底魚群,植物生長變化,及

12、水污染,土地、礦產(chǎn)資源,地下水、巖石,是一門對地觀測綜合性技術,原理：,不同物體對電磁波譜產(chǎn)生不同響應的原理進行探測。,紅外光,輻射計測量海冰,輻射計測量雪的輻射特性,散射計測量海洋風場,微波遙感技術利用微波遙感器進行廣泛野外測量活動,散射計測量小麥,衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收天線,航空遙感災害監(jiān)測系統(tǒng),衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站,利用遙感、通信等先進技術對自然災害進行實時監(jiān)測,計算機圖像處理與傳輸,電磁兼容,一般指,電子及電氣設備在共同的,電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，即要求在同一電磁環(huán)境的上述,各種設備,都能,正常工作,又,互不干擾,，達到,“,兼容,”,的狀態(tài)。,現(xiàn)在電磁兼容科技工作者又進一步探討電磁環(huán)境對

13、人類及生物的危害影響，學科范圍,已不僅限定于設備與設備間,的問題，而進一步,涉及到人類本身，,因此一些國內(nèi)外學者也把電磁兼容學科稱作,“,環(huán)境電磁學,”,。,電磁兼容,設備與設備間、人與設備間的和諧相處,1、,電磁干擾特性及傳播理論,2、,電磁危害及電磁頻譜的利用和管理,3、,電磁兼容的工程分析和控制技術,4、,電磁兼容設計理論和方法,5、,電磁兼容性測量和試驗技術,6、,電磁兼容性標準、規(guī)范與工程管理,7、電磁兼容預測和分析,電磁兼容學科研究內(nèi)容,干擾源,S(t),耦合,C(t),通道,敏感,R(t),設備,形成干擾的條件：,S(t),C(t),R(t),1、理論體系以電磁場理論為基礎,2、

14、是一門新興的綜合性交叉學科,3、計量單位的特殊性(,dBW、dBV、dBA),4、,大量引用無線電技術的概念和術語,5、極強的實用性,電磁干擾三要素,電磁兼容學科特點,原理：,微波加熱是在微波場的作用下，被加熱的介質(zhì)分子被極化而成為偶極子，這些偶極子必然會隨微波場的變化而發(fā)生擾動，由于分子的熱運動和鄰近分子間的相互作用，使這種擾動受到干擾和阻礙，并以熱的形式表現(xiàn)出來，使介子的溫度升高。,優(yōu)點：,加熱均勻、速度快、效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，可以進行選擇性加熱，且可避免環(huán)境升溫，便于自動控制及連續(xù)加熱等。,應用:,殺蟲、滅菌、橡膠硫化、塑料生產(chǎn)與聚合物熱加工，原煤 脫硫，鑄模脫臘等方面已獲得廣泛而成功地

15、應用。,微波加熱,微波具有能夠穿透對于聲波衰減很大的非金屬材料的特點。,優(yōu)點：,微波檢測的設備簡單，操作方便、無損、非接觸、便于實現(xiàn)自動化等。,應用:,微波檢測的項目包括增強塑料和各種金屬非金屬復合膠接結(jié)構(gòu)和蜂窩結(jié)構(gòu)中的分層、脫粘，固體推進劑和飛機輪胎內(nèi)部的氣孔、裂縫，金屬加工表面的光潔度、裂紋、劃痕及其深度，非金屬材料中的濕度、密度、混合物組份比，固化度，金屬板與介子板的厚度、微小位移、微小振動、微小體積和離子體內(nèi)的溫度等。,微波探測,雷達是利用電磁波來測定物體位置的無線電設備。它將高頻電磁波射到物體上，物體將向各個方向反射這個電磁波，當然有一部分被反射回發(fā)射點（雷達），雷達處的接收裝置接收

16、回波并根據(jù)回波發(fā)現(xiàn)物體。所謂隱形飛機決不是指飛機將自己的形體隱藏起來，讓人看不到它，而是要讓雷達看不到它。飛機達到隱形效果的關鍵，在于采用隱形材料和隱形設計，可盡量將雷達波束吸收掉，或者向偏離原雷達的方向反射，這樣飛機就不容易被雷達探測到。如果把飛機的外表面制成由一些平面組成，則這些平面反射電磁波就不是四面八方的了，而是像平面鏡反射光線一樣只朝著有限的幾個方向反射，這樣就不見得有反射波被雷達接收到，從而達到了不被雷達發(fā)現(xiàn)的目的。,隱形飛機,吸收,或偏離原雷達的方向,隱形與反隱形,=“電磁波對抗”：當前研究熱點,。,反探測,隱形與反隱形雷達技術,1，,被動式相干定位技術,原理,：大氣空間是電磁波的世界，有大量通信、導航和電視信號。隱形飛機主要是針對厘米波，不可能對所有電磁波隱形。被動式相干定位雷達系統(tǒng)可通過對全頻段信號的綜合處理確定目標位置。,隱形飛機探測雷達,三雷達站聯(lián)合探測定位,隱形與反隱形雷達技術,2，擴展雷達頻段,技術,用米波雷達、長波雷和毫米波雷探測隱形飛機。,3，雷達組網(wǎng)探測,技術,米波雷達,運用雙,/,多基地雷達和雷達組網(wǎng)技術捕獲目標。通過多個雷達的影像，運用高速計算機對目