无线通信技术基础 教学课件 作者 王继岩无线 第1章 电磁场与电磁波.pptx

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1、无线通信技术基础第1章、电磁场和电磁波内容介绍无线通信技术是研究如何利用电磁波作为载体来实现信息传递的技术，其核心是研究电磁波的传输。无线通信技术是移动通信技术的基石，作为一个从事移动通信行业的技术人员必须对电磁场和电磁波的基本概念和传播特性有所了解，同时要掌握无线通信专业常用的工程单位和术语。电磁场和电磁波的研究是一项非常复杂的技术，这里并不是去研究这一课题，而是从工程应用的角度出发介绍一些基本概念。本章重点电磁场和电磁波的基本概念。电磁波的传播特性。功率、频率、阻抗的单位和术语。第1.1节、电磁场的概念静

2、止的电荷会产生静电场；静止的磁偶极子会产生静磁场。运动的电荷被称为电流，会产生电场和磁场。有内在联系并相互依存的电场和磁场的统一体称为“电磁场”。随时间变化的电场会产生磁场，随时间变化的磁场会产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场是电磁作用的媒介和传递物，是物质存在的一种形式，具有能量和动量。电磁场可以由变速运动的带电粒子引起，也可以由强弱变化的电流引起。电磁场总是以光速向四周传播，这样就形成了“电磁波”。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。麦克斯韦方程组揭示出电场和磁场相互作用的完美

3、统一，是经典物理学中最引以自豪的成就之一。第1.1节、电磁场的概念在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组完整而系统地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在，是电磁场理论的基础和核心，也是无线通信技术的理论基础。根据随时间变化的情况不同，可以将电磁场分为以下三种形式：静电场/静磁场：电场和磁场不随时间变化，但在不同的空间位置可以有不同的值。时谐电磁场：电磁场随时间的变化是正弦函数，但在不同的空间位置可以有不同的幅度和相位，通常可以用复数来表示。时变电磁场：在某个空间位置的电磁场

4、随时间的变化是普通的时间函数，如果变换到频域，其频谱中包含各种频率分量。时变电磁场产生的电磁波可以作为电子信息的传输载体，这就是“无线通信”。无线通信技术并不是要研究电磁场理论，研究重点是电磁波的传播。第1.2节、电磁波的概念电磁辐射是能量的一种形式，凡是能够释放出能量的物体，都会释放出电磁辐射。电磁辐射是振荡且互相垂直的电场与磁场的结合。电磁辐射在空间以波的形式移动，并有效地传递能量和动量。电磁辐射是由一种叫做光子的量子粒子形成的。人类的眼睛可以接收到波长在400~780nm之间的电磁辐射，这个频段的电磁辐

5、射叫做可见光。电磁辐射先被麦克斯韦方程组预言，随后被德国物理学家赫兹证实（为了纪念他，电磁波的基本单位用Hz表示）。麦克斯韦方程组表明，磁场的变化会产生电场，电场的变化也会产生磁场，时变电磁场在这种相互作用下会产生电磁辐射，即“电磁波”。电磁波从场源处以光速向周围传播，在空间的不同位置，根据距离场源的距离有相应的时间滞后现象。第1.2节、电磁波的概念电磁波的传播不需要依靠传输介质（这个特性非常重要！），电磁波在真空中的传输速度是固定的光速（3×108米/秒）。光波本身就是电磁波，用于通信的电磁波具有和光波同样

6、的特性，比如它通过不同的介质时会发生反射、散射、折射、绕射和吸收等现象。电磁波还有一个非常重要的特性，根据坡印廷定理，电磁波在传播的过程中携带有能量，可以作为电子信息的传输载体，这为无线通信、广播、电视、遥感、雷达和宇宙探测等新兴技术开辟了道路。电磁波是横波，电磁波的电场、磁场和传输方向三者互相垂直。电磁波的振幅沿传播方向的垂直方向作周期性变化。电磁波本身带有能量，任何位置的能量与振幅的平方成正比。在空间传播的电磁波，距离最近的方向相同且幅度量值最大的两点之间的距离，就是电磁波的波长。第1.2节、电磁波的概念

7、自从1887年德国物理学家赫兹用实验的方法证实了电磁波的存在之后，人们又进行了许多实验，不仅证明了光本身就是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是频率和波长有很大的差别，这些差别直接决定了电磁波的特性。按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。由低至高依次排列，它们是：工频电磁波、低频电磁波、中频电磁波、高频电磁波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等等。第1.3节、电磁波的传播1、电磁波的传播方式在规划、设计和建设无线通信系统时，从频段的确定、频率的分配、信

8、号的覆盖范围以及电磁干扰的分析，直到最终确定设备参数，都必须依靠对电磁波传播特性的研究并据此进行场强预测，这是进行系统工程设计、研究频谱有效利用以及电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。电磁波可以通过多种路径从发射机传播到接收机，包括：地波、对流层反射波和电离层反射波等等。地波，即电磁波沿地球的表面传播。地波可以看作是以下三种情况的综合：直达波、反射波和表面波。对流层反射波：对流层反射系数的缓