《電磁波傳播特性》課件

電磁波傳播特性課程目標1掌握電磁波基本理論理解電磁波的產(chǎn)生與傳播機制2熟悉電磁波傳播特性掌握反射、折射、衍射等現(xiàn)象3了解電磁波應用領域通信、雷達、醫(yī)療等領域應用原理認識電磁波安全性什么是電磁波？電磁波定義電場與磁場相互垂直傳播的能量波動電磁波性質(zhì)不需要介質(zhì)傳播，可在真空中傳播傳播方向電場、磁場、傳播方向三者相互垂直電磁波的歷史11865年麥克斯韋預言電磁波存在21887年赫茲實驗驗證電磁波存在31895年馬可尼發(fā)明無線電報41901年首次跨大西洋無線電通信麥克斯韋方程組高斯電定律電荷產(chǎn)生電場，描述電場與電荷的關(guān)系高斯磁定律磁場無源，磁力線閉合法拉第電磁感應定律變化磁場產(chǎn)生電場安培-麥克斯韋定律電流和變化電場產(chǎn)生磁場電磁波的基本特性波動性表現(xiàn)為波動傳播粒子性能量以光子形式傳遞傳播速度在真空中為光速c能量傳遞不需要介質(zhì)傳遞能量電磁波的波動方程?2E=(1/c2)?2E/?t2?2B=(1/c2)?2B/?t2波動特性描述電場和磁場隨時間和空間的變化1橫波性質(zhì)電場和磁場振動方向垂直于傳播方向2傳播速度方程預測電磁波在真空中以光速傳播3電磁波的頻率和波長頻率與波長成反比：λ=c/f頻率越高，波長越短，能量越大電磁波譜1無線電波波長最長，能量最低2微波與紅外線中等波長與能量3可見光人眼可見的窄波段4紫外線、X射線與伽馬射線波長最短，能量最高電磁波的傳播速度299792458真空光速(m/s)電磁波在真空中的傳播速度225000000水中傳播速度(m/s)約為真空光速的3/4200000000玻璃中傳播速度(m/s)約為真空光速的2/3電磁波在真空中的傳播1無能量損失理想傳播，無能量衰減2恒定光速所有頻率電磁波速度相同3無散射現(xiàn)象無分子或粒子干擾傳播電磁波在介質(zhì)中的傳播速度減慢傳播速度小于光速能量衰減介質(zhì)吸收部分能量方向改變可能發(fā)生反射、折射現(xiàn)象色散現(xiàn)象不同頻率波速度不同電磁波的能量坡印廷矢量S=E×H表示電磁波能量流動方向垂直于電場和磁場1表示能量流密度單位時間通過單位面積的能量2與電場磁場強度關(guān)系能量流密度與電場、磁場強度平方成正比3電磁波的偏振偏振定義電場矢量振動方向的空間分布特性偏振類型線性偏振、圓偏振、橢圓偏振偏振應用通信信號質(zhì)量提升、光學濾波、3D電影線性偏振定義電場矢量在固定方向上振動特點電場振動方向不變產(chǎn)生方法偏振片、反射、天線定向輻射應用偏振太陽鏡、液晶顯示屏圓偏振定義電場矢量端點在傳播方向上繞軸做圓周運動特點左旋或右旋兩種偏振方式應用衛(wèi)星通信，對抗多路徑衰落產(chǎn)生方法螺旋天線，相移四分之一波長的線性偏振組合橢圓偏振橢圓軌跡電場矢量端點沿橢圓軌跡運動一般形式線性和圓偏振都是特殊情況描述參數(shù)橢圓長軸方向和橢圓度電磁波的反射反射定律入射角等于反射角反射系數(shù)反射波與入射波振幅比相位變化低折射率到高折射率反射相位反轉(zhuǎn)極化效應反射可改變極化狀態(tài)電磁波的折射折射現(xiàn)象：電磁波從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時方向改變折射原因：不同介質(zhì)中傳播速度不同斯涅爾定律n?sinθ?=n?sinθ?定量描述折射入射角正弦與折射角正弦比等于折射率比物理意義反映電磁波在不同介質(zhì)中速度變化應用范圍適用于所有類型電磁波的折射現(xiàn)象全反射現(xiàn)象臨界角折射角為90°時的入射角全反射條件入射角大于臨界角且從高折射率介質(zhì)射向低折射率介質(zhì)實際應用光纖通信、棱鏡、鉆石閃耀原理電磁波的衍射衍射定義電磁波繞過障礙物或通過狹縫傳播影響因素波長與障礙物尺寸比值決定衍射程度惠更斯原理波陣面上每點可視為次波源菲涅爾衍射近場衍射，波源或觀察點距離障礙物較近電磁波的干涉干涉條件相干波源、穩(wěn)定相位差相長干涉波疊加增強，相位差為2nπ相消干涉波疊加減弱，相位差為(2n+1)π干涉應用光學薄膜、邁克爾遜干涉儀電磁波的散射散射定義電磁波與物質(zhì)相互作用改變傳播方向散射類型根據(jù)粒子尺寸與波長關(guān)系分類自然現(xiàn)象藍天、晚霞、彩虹形成原理應用領域雷達、激光雷達、大氣遙感瑞利散射1適用條件粒子尺寸遠小于波長2散射特點散射強度與波長的四次方成反比3經(jīng)典例子大氣散射陽光，短波長藍光散射更強米散射適用條件粒子尺寸與波長相當散射特點散射強度與波長關(guān)系復雜方向性前向散射明顯強于后向散射典型例子云、霧的形成，太陽周圍的光暈電磁波的吸收波長(μm)水的吸收率(%)大氣吸收率(%)大氣對電磁波的影響吸收作用水汽和氧氣分子吸收特定頻段散射作用雨、雪、霧等顆粒散射電磁波折射作用大氣層溫度梯度導致電磁波彎曲大氣窗口部分頻段電磁波易于穿透大氣電離層對電磁波的影響反射作用：反射特定頻率電磁波吸收作用：D層對低頻電磁波吸收衰減作用：電離層擾動導致信號衰減多普勒效應定義波源與觀察者相對運動導致頻率變化靠近接收頻率高于發(fā)射頻率遠離接收頻率低于發(fā)射頻率應用測速雷達、多普勒氣象雷達、血流測量電磁波的導波傳播導波定義電磁波在專用傳輸線路中定向傳播導波優(yōu)勢抗干擾，能量損耗小，傳輸距離遠傳輸模式TEM模式、TE模式、TM模式導波形式同軸線、波導管、光纖、微帶線同軸電纜傳輸1234結(jié)構(gòu)特點內(nèi)導體、絕緣層、外導體、保護層傳輸模式以TEM模式傳播頻率范圍從直流到幾十GHz應用領域電視信號、網(wǎng)絡通信、射頻信號波導管傳輸8.2X波段工作頻率(GHz)雷達常用波段10.5截止頻率(GHz)X波段矩形波導管86傳輸效率(%)典型波導管效率光纖傳輸光纖結(jié)構(gòu)纖芯、包層、保護層傳輸原理基于全反射原理光纖類型單模光纖、多模光纖應用領域高速網(wǎng)絡、長距離通信、醫(yī)療成像表面波傳播傳播特點沿導體表面?zhèn)鞑ヮl率范圍主要在低頻和中頻段衰減規(guī)律隨距離增加逐漸衰減應用場景遠距離無線電通信、廣播天線與電磁波輻射輻射效率輸入功率轉(zhuǎn)換為輻射功率的比例輻射方向圖不同方向輻射強度分布增益相對于理想全向天線的功率比輸入阻抗天線端口表現(xiàn)的等效電阻和電抗偶極子天線結(jié)構(gòu)特點兩根長度相等的導線長度設計通常為半波長輻射方向垂直于天線方向最強輸入阻抗半波偶極子約73歐姆八木天線結(jié)構(gòu)組成主振子、反射器、引向器工作原理寄生元件增強定向輻射特點優(yōu)勢高方向性，前向增益大應用領域電視接收、無線通信、定向通信拋物面天線結(jié)構(gòu)特點拋物面反射器加饋源工作原理反射面聚焦平行電磁波性能特點高增益，窄波束，高方向性應用領域衛(wèi)星通信，雷達，射電天文相控陣天線工作原理：控制各輻射單元相位調(diào)整波束方向主要優(yōu)勢：快速電子掃描，無機械運動部件應用領域：現(xiàn)代雷達、5G基站、衛(wèi)星通信電磁波的調(diào)制調(diào)制作用信息加載到載波上調(diào)制優(yōu)勢提高傳輸效率，適應信道特性調(diào)制分類模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制調(diào)制參數(shù)振幅、頻率、相位幅度調(diào)制調(diào)制原理信息信號調(diào)制載波振幅頻譜特點包含載波和兩個邊帶調(diào)制深度0-100%，通?？刂圃?0%以下典型應用中波廣播（AM廣播）頻率調(diào)制調(diào)制原理信息信號調(diào)制載波頻率頻偏頻率偏離最大值抗干擾性優(yōu)于幅度調(diào)制典型應用FM廣播、無線對講機相位調(diào)制調(diào)制原理信息信號調(diào)制載波相位與FM關(guān)系理論上與FM等效頻譜特點理論上有無限帶寬數(shù)字調(diào)制技術(shù)1二進制移相鍵控（BPSK）兩種相位狀態(tài)，抗干擾能力強2正交相移鍵控（QPSK）四種相位狀態(tài)，頻譜利用率高3正交幅度調(diào)制（QAM）相位和幅度同時調(diào)制，頻譜效率更高4頻移鍵控（FSK）不同頻率表示不同數(shù)字信號電磁波的解調(diào)解調(diào)定義從調(diào)制信號中提取原始信息包絡檢波AM信號解調(diào)方法鑒頻器FM信號解調(diào)方法相位檢測器PM信號解調(diào)方法電磁波在通信中的應用1衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣，適合全球通信移動通信靈活便捷，實現(xiàn)無線互聯(lián)廣播電視大范圍信息傳播光纖通信高速、大容量、低損耗無線電通信移動通信第一代(1G)模擬語音第二代(2G)數(shù)字語音和短信第三代(3G)移動互聯(lián)網(wǎng)第四代(4G)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)谖宕?5G)超高速、低延遲、海量連接衛(wèi)星通信1234地球同步衛(wèi)星位于36000公里軌道，相對地球靜止中軌道衛(wèi)星位于2000-35000公里軌道，如GPS系統(tǒng)低軌道衛(wèi)星位于低于2000公里軌道，延遲低衛(wèi)星星座多顆衛(wèi)星協(xié)同工作，如星鏈計劃光通信1550最佳傳輸波長(nm)光纖損耗最小10典型衰減(dB/km)單模光纖100傳輸距離(km)無中繼器距離40傳輸速率(Gbps)單波長典型速率電磁波在雷達中的應用工作原理發(fā)射電磁波并接收反射信號測量距離通過信號往返時間計算測量速度利用多普勒效應確定方向通過天線波束方向電磁波在遙感中的應用被動遙感接收目標自然輻射電磁波主動遙感發(fā)射電磁波并接收回波微波遙感全天候，穿透云層光學遙感高分辨率，多光譜成像電磁波在醫(yī)療中的應用X射線成像骨骼成像，密度差異顯示核磁共振(MRI)軟組織優(yōu)質(zhì)成像超聲波檢查無輻射風險，實時成像電磁波的安全性電磁兼容性電磁兼容定義設備能在電磁環(huán)境中正常工作且不對環(huán)境產(chǎn)生干擾電磁干擾(EMI)設備產(chǎn)生的不必要電磁能量電磁敏感性(EMS)設備對電磁干擾的敏感程度EMC標準國際電工委員會(IEC)、軍用標準電磁屏蔽技術(shù)金屬屏蔽利用導體反射電磁波吸波材料將電磁能轉(zhuǎn)換為