电波传播理论（徐立勤）01绪论

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1、第1章绪论1.1电磁波的发现电磁波是人类用以远距离实时接收和发送信息的主要载体之一，电磁波是我们的朋友。但是，认识这个朋友，经历了漫长的时间。最早是在光学领域，历史上许多著名的物理学家都探索过光的本质的命题，包括伟大的牛顿(I.Newton,1642-1727),都想证明和猜想过光究竟是什么。但是，在17-18世纪直到19世纪早期那些时候,牛顿力学的光辉太过强大了，物理学家们总是试图在牛顿力学体系的架构内用牛顿力学的观念來解释光学现象。即使，当时已经发现了光的典型波动性质，例如惠更斯(C.Huygens,1629-1695)的波动假说、光的干涉现彖和费

2、涅尔(A.J.Fresnel,1788-1827)绕射现彖的发现，但是物理学家们还是企图用牛顿力学的弹性波来解释光波的传播现彖，以太学说是当时最为盛行的一种假说。自然，最终，牛顿力学还是不能圆满解释光学现象。对于光的本质的探索，由于牛顿本人以及牛顿力学的权威，物理学家们足足花了100多年吋间仍然没有找到正确的答案。现在，我们己十分清楚，光是波，而且是电磁波，是动态的电磁场。它是一种物质但并不是牛顿力学意义上的物质，而是一种新型的物质。这种关于光的本质的认识的真正解决，实际上最终应归功于19世纪从事电磁学研究的物理学家们。电磁学的研究基本上独立于光学的研

3、究。法拉笫(M.Faraday,1791-1867)终英一生从事电磁现象的实验研究，他的最主要的贡献，除了发现作为电磁学基础的电磁感应定律之外，他还提出了'电磁场'的新概念，并且用电力线和磁力线来描述电磁场。相对于牛顿力学，'场'的概念是一个革命性的新概念。电磁场是一种可充满空间的可连续分布的新型物质，它不同于牛顿力学意义上的物质。稍晚于法拉第，出现了一位伟大的理论物理学家，那就是麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831-1879),他是法拉第的同时代人，但比法拉笫整整小40岁。麦克斯韦总结了先前法拉第等人的广泛的实验研究成果，他在1873年发表的著

4、名论文中，提出了著名的麦克斯韦方程组，该方程组奠定了光学、电磁学和电磁波传播的的理论基础。重要的是，该方程组预示了电磁波的存在，且其传播速度应等于光速。这使得麦克斯韦和其他物理学家联想到光波也是电磁波。事实上，这种猜想为各种光波传播现象提供了十分完满的解释。1888年，德国物理学家赫兹(H.Hertz,1857-1894),用实验测量证明了电磁波的存在以及电磁波的传播速度等于光速。在麦克斯韦的那个时代，一个并不知名的年轻学者提出一个石破天惊的理论，自然受到多方的质疑，人们无法用习惯了的牛顿力学模式來解释麦克斯韦所预言的电磁波。赫兹的实验结果为麦克斯市的

5、理论提供了强有力的支持。到了19世纪末，电磁波的存在以及光与电磁波的统一己成为不争的事实，电磁波作为一种新的物质形态的存在已没有疑问。当然，随着科学的进展，在光电效应的实验中，人们又开始认识到，光不但是电磁波，它还是'粒子’，即'光子'，光波具有波粒二象性。波长愈短的电磁波愈表现出粒子性，波长愈长的电磁波愈表现11!波动的性质，电磁波既是波又是粒子。这些内容已超出了本书的范畴，这里不再讨论。时至20世纪初，意大利发明家兼商人马尔可尼在英国用简单的无线电波收、发装置实现了跨大西洋的简单电报传输，开辟了无线电波在无线通信屮的广泛应用前景。现在我们知道，马尔

6、可尼跨大西洋的电报传输是借助于电离层对无线电波的反射，他真幸运，在还不知道人造卫星为何物的时代，在对电离层一无所知的情况下，就实现了超远距离的无线电通信。现在，无线电通信100余年来，各种各样无线电通信业务已经深入到人类活动的方方面面，为科学和社会的进步、为人类物质和精神生活的提高做出了巨大的贡献。1.2电磁频谱与无线电频谱我们说过，光波也是电磁波，它只是电磁波家族中的一个成员。电磁波是一个总称，按频率或波长來划分，电磁波可以分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线。而在木书屮所要讨论的主角是无线电波，无线电波是指频率低于3000GHz的

7、电磁波。无线电波频谱,若按波长来划分，习惯上，它可以分为极长波、超长波、长波、中波、短波、超短波、微波、毫米波、亚毫米波。习惯上的称呼，存在某些模糊和差异。不过，如表1.1所示，国际电联对无线电频谱的划分与命名已有严格的界定定，表中最后一列打下划线的名称是习惯的叫法，国际电联的命名似乎没有顾及这种习惯的名称。由表1.1可以看出，按频率来划分，无线电波包括甚低频、低频、中频、高频、甚高频、特高频、超高频、极高频等频段，这种命名符合习惯的叫法。但是，根据国际电联按照波长的命名，无线电波可以分为万米波、千米波、百米波、十米波、米波、分米波、厘米波、毫米波和亚

8、毫米波等，这种命名与习惯叫法不完全相合，例如，儿乎没有人把短波叫做十米波，也没有人把中波叫做百