电磁场与电磁波在电子通信技术领域中的应用

1、电磁场与电磁波在电子通信技术领域中的应用姓名 :陈龙 学号： 051电、磁现象是大自然最重要的物理现象， 也是最早被科学家们关心和研究的 物理现象。 19 世纪以前，电、磁现象作为两个独立的物理现象，没有发现电与 磁的联系，但是这些研究为电磁学理论的建立奠定了基础。 18 世纪末期，德国 哲学家谢林认为，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他认为电就是宇宙的活力， 是宇宙的灵魂， 电、磁、光、热是相互联系的。 法拉第在谢林的影响下， 相信电、 磁、光、热是相互联系的。奥斯特 1820 年发现电流以力作用于磁针后，法拉第 敏锐地意识到，电可以对磁产生作用，磁也一定能够对电产生影响。 1821 年他 开

2、始探索磁生电的实验。 1831 年他发现，当磁捧插入导体线圈时，导体线圈中 就产生电流。 这表明电与磁之间存在着密切的联系。 麦克斯韦深入研究并探讨了 电与磁之间相互作用的关系， 并发展了场的概念。 他在法拉第实验的基础上， 总 结了宏观电磁现象的规律， 引进位移电流的概念。 这个概念的核心思想是： 变化 着的电场能产生磁场； 与变化着的磁场产生电场相对应。 在此基础上提出了一组 表达电磁现象基本规律的偏微分方程， 称为麦克斯韦方程组， 成为经典电磁场理 论的基本内容。电磁场作为无线电技术的理论基础， 集中于三大类应用问题的研究。 电磁场 （或电磁波） 作为能量的一种形式， 是当今世界最重要的

3、能源， 其研究领域涉及 能量的产生、储存、变换、传输和综合利用；电磁波作为信息传输的载体，成为 当今人类社会发布和获取信息的主要手段，主要研究领域为信息的产生、获取、 交换、传输、储存、处理、再现和综合利用；电磁波作为探测未知世界的一种重 要手段，主要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、 目标特征的获取与重建、 探测新技术等。1887 年，德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线，用另一个带隙的环 状天线接收， 证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言， 这一重要的实验导致了后 来无线电报的发明。 从此开始了电磁场理论应用与发展的时代， 并且发展成为当 代最引人注目的学科之一。 1895 年意大利马

4、可尼成功地进行了公里距离的无线 电报传送实验。 1896年，波波夫进行了约 250米距离的类似试验 , 1899 年, 无 线电报跨越英吉利海峡的试验成功； 1901 年，跨越大西洋的 3200公里距离的试 验成功。马可尼以其在无线电报等领域的成就，获得了 1909 年的诺贝尔奖金物 理学奖。无线电报的发明，开始了利用电磁波时期； 1876年美国. 贝尔在美国建 国 100 周年博览会上展示了他所发明的有线电话。此后 , 有线电话便迅速普及开 来；1906年美国费森登用 50 千赫频率发电机作发射机，用微音器接入天线实现 调制，使大西洋航船上 的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。 1919 年

5、，第 一 个定时播发 语言和音乐的无线电广播电台在英国建成。次年，在美国的匹兹堡 城又建成一座无线电广播电台； 1884 年德国尼普科夫提出机械扫描电视的设想， 1927 年，英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的船上。兹 沃霄金在 1923和1924 年相继发明了摄像管和显像管。 1931年，他组装成世界 上第一个全电子电视系统； 二次世界大战前夕， 飞机成为主要进攻武器。 英、美、 德、法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。 1936 年，英国的瓦特设计 的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。 1938 年，美国 研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达

6、。 1940 年，多腔磁控管的发明， 微波雷达的研制成为可能。 1944 年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。 1945 年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明 , 使雷达更加完善。在整个 第二次世界大战期间 , 雷达成了电磁场理论最活跃的部分； 1958年美国发射低轨 的“斯科尔”卫星成功 ,这是第一颗用于通信的试验卫星。 1964 年,借助定点同 步通信卫星首次实现了美、 欧、非三大洲的通信和电视转播。 1965 年, 第一颗商用定点同步卫星投入运行。 1969 年, 大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定 点同步通信卫星 , 卫星地球站已遍布世界各国，这些卫星地球站又和本国或本地 区

7、的通信网接通。卫星通信经历 10 年的发展，终趋于成熟； 1957年卫星发射成 功后，人们试 图将雷达引入卫星，实现以卫星为基地对地球表面及近地空间 目标的定位和导航。 1958 年底，美国开始研究实施这一计划，于 1964 年研究成 功子午仪卫星导航系统。 1973年美国提出了由 24 颗卫星组成的实用系统新方案， 即 GPS 计 划 。 它 是 英 Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字头缩写NAVSTAR/GP的简称，其含义是利用导航卫星进行测时和测距。1990年最终的GPS方案是由21颗工作

8、卫星和3颗在轨备用卫 星组成。电磁场与电磁波理论在人们的需求中一步步地发展应用。 当今世界， 电子信 息系统，不论是通信、雷达、广播、电视，还是导航、遥控遥测，都是通过电磁 波传递信息来进行工作的。 因此以宏观电磁理论为基础， 电磁信息的传输和转换 为核心的电磁场与电磁波工程技术将充分发挥其重要作用。 当今的无线通信、 广 播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、卫星定位以及光纤 通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。电磁场与电磁波的应用贯穿于整个移动通信技术， 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

9、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（3G），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，使用频率和

10、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WCDMACDMA2000TD-SCDMA3G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 300MHz300GH的电磁波。微波的波长很短，绕过障

11、碍物而传播的尺度很小，这 就决定微波通信只能采取中继接力方式，大约 50k m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。电磁场与电磁波的应用贯穿于卫星通信， 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

12、步卫星也称为 “静止卫星”。电磁场与电磁波的应用贯穿于光纤通信，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 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。 人们 通过大量的实验发现，纯净的石英材料在 口 m对应的频率为167375THz的近 红外光波入射，损耗很少。并且在卩m和卩m附近损耗最低，光导纤维通常采用同轴圆柱体结构，由纤芯和包层构成。除了以上应用之外， 电磁场与电磁波的应用还贯穿于很