第八章电磁场与电磁波的应用

1、第八章 电磁场与电磁波的应用8.1电磁波谱及应用概述n电磁波谱范围极大，习惯上把频率在3khz3000ghz的电磁波称为无线电波，相应的波长范围为10-4 105m。通常所说的可见光是一种电磁波，波长为0.40.76m，比可见光的波长更长的区域即是红外区，常用的光纤通信就工作在近红外区，波长范围为0.81.8m，相应的频率为1.671014 3.75104hz。比可见光的波长更短的区域有紫外区、x射线、射线，它们都有很多的应用。n为了更好地使用频率资源，减少相互间的干扰，国际无线电咨询委员会（ccir）为不同行业指定使用不同的频段。无线电波一般可按波段划分，划分后的波段名称、波长、频率范围见表

2、8.1。无线电在空间的传播途径有四种。1. 地波传播n地波传播是无线电波沿地球表面传播，如图8.1所示。n通常波长越长，绕射距离越远，这是因为无线电波具有与其波长相比拟的障碍物尺寸时才能发生绕射，即进行地波传播。那么利用地波传播，短波不超过100km，中波可达几百公里。长波、甚长波、特长波可达几千公里甚至上万公里。2. 空间波传播n空间波的传播有两种： 一种是当发射天线和接收天线均高出地面一个波长以上时，直接在空中传播，如图8.2所示。n另一种空间波由直射波及入射波、反射波组成，具有多径效应，如图8.3所示。n超短波和微波可采用空间波传播。3. 电离层波传播n无线电波从发射天线发出，经电离层反

3、射而到达接收天线称为电离层波传播，如图8.4所示。n短波沿地面绕射传播能力差，但利用电离层波传播是最适宜的。但频率太高的无线电波、超短波或微波，一般要穿过电离层，不能被电离层反射回来，所以频率不能很大，此外还存在一个寂静区，如图8.4所示，在这个区域既接收不到地波信号，也接收不到电离层波信号4. 外层空间传播n外层空间传播是通过卫星来实现的，如图8.5所示。n外层空间传播，电磁波主要受到大气层的影响，大气层对流层中的氧和水蒸气会对电磁波有吸收作用，雨雾以及雪也会对电波产生吸收和散射损耗，电离层对短波还会有反射作用。综合上述影响，无线电波在0.310ghz频段，大气吸收损耗最小，称为“无线电窗口

4、”。因此通常选择在这个窗口附近。8.2广播电视系统n无线电广播中波波段一般采用5251605khz，短波波段采用224mhz，调频广播波段为88108mhz。广播是人类在社会实践中对信息的需求与现代科学技术相结合的产物，是电磁场与电磁波的最早的应用之一。n传输电视信号需要相当宽的频带，因此需要采用超短波或更高频段的无线电波。最早分配给电视广播的vhf有12个频道，频率为49.75216.25mhz，后来又分配uhf频段，共有56个频道，频率范围为471.25951.25mhz。n电视信号可以利用同轴电缆传输，称为有线电视。有线电视已经发展为频率从49.75878.25mhz，有99个频道的强大

5、网络。n广播电视系统本身就是电磁场与电磁波的重要应用，前面所讲的很多理论性的问题都可以具体应用到系统中去。举一个最简单的例子来说明，收音机的天线是什么样子?从理论上分析为什么要这样放置？收音机天线之一如图8.6所示。n磁性天线由铁氧体棒上平绕多匝漆包线而成，可直接放在收音机内。它又可作为收音机输入回路的电感线圈。那么磁性天线如何放置在收音机内呢？n对称振子天线的远区辐射场为n从式（8.1）可知，h只有e分量，如果磁棒垂直放置，那么电感线圈的方向和磁场方向平行，不会切割磁力线，如图8.7所示。所以磁性天线不能垂直放置。（8.2.1）n那么磁性天线应水平放置在收音机内，当磁棒轴线与电波的传播方向（

6、er）平行时，如图8.8（a）所示，线圈内感应电动势很小，收音机的声音也很小； 当磁棒轴线与电波的传播方向垂直时，如图8.8(b)所示，线圈内感应电动势最大，收音机的声音也最大。绕垂直轴旋转收音机时，声音会发生变化。n如果是金属拉杆天线，应如何放置呢？显然应该垂直放置。n这是因为对称振子天线的辐射场为n拉杆天线垂直放置时与e主方向一致，产生的感应电流最大。（8.2.2）8.3移 动 通 信n20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阶段。n1987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

7、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。n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。n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1.8852.025ghz和2.1102.200ghz,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

8、接，满足多媒体业务的要求。主要技术有wcdma、cdma2000、td-scdma。n3g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。n电磁场与电磁波的应用贯穿于整个移动通信技术，下面的例子是从电磁场与电磁波应用的角度来探讨移动定位技术。n蜂窝网无线定位是通过检测移动台和多个固定位置收、发信机之间传播信号的特性参数（如电波场强、传播时间或时间差、入射角等）来估算出目标移动台的位置。移动定位

9、技术有多种，其中之一是基于三角关系和运算的定位技术，可细分为两种，即基于距离测量定位技术和基于角度测量的定位技术。n下面介绍基于距离测量的定位技术。n如图8.9所示，已知三个基站bs1、bs2和bs3的位置和它们与目标移动台的距离，那么很容易确定出目标移动的位置，也就是以r1、r2和r3为半径画圆，交点即是目标移动台。n那么如何测量目标移动台和基站的距离？n目标移动台发出电磁波在距离为r处的电场强度e和磁场强度h都与1/r成正比，因此基站接收到该目标移动台的功率与1/r2成正比，这样就可以测出目标移动台ms到基站bs1、bs2和bs3的距离，从而确定ms的位置。n但是这种利用电波强度的测量方法

10、的精确度很低，这是因为无线电波在空间传播时能量的衰减是多种因素共同作用的结果，如空间波存在着图8.3所示的多径效应，再如在一个地形地物复杂的环境中受该环境的影响很大。n基于上述原因早期采用的场强定位法发展为到达时间定位法。这种方法的思路很简单，各基站测出移动目标台的到达时间，那么无线电波传播的距离为 l=vt （8.3.1）n这样就测出各基站到移动目标台的距离，虽然这种方法受时钟同步和时钟精度的影响，但还是比场强度位定位法精度高得多。8.4微波通信、卫星通信和光纤通信n1. 微波通信n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300mhz300

11、ghz的电磁波。n模拟微波通信系统是传输fdm-fm基带信号的系统，传输容量高达2700话路，并可同时传输高质量的彩色电视。数字微波通信系统是传输数字基带信号的系统，又分为pdh数字体系和sdh数字体系，传输容量高达7860话路。n微波的波长很短，绕过障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，如图8.10所示。大约50km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。n虽然微波频率范围很宽（0.3300ghz）,但是用于微波通信的频率范围却只有140ghz，这是因为当频率较高时，雨、雪、雾及水蒸气对电波的散射或吸收损耗增加，造成电波衰减和

12、接收电平下降，这些影响对12ghz以上频段尤为明显。2. 卫星通信n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。n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，因此同步卫星也称为“静止卫星”。n同步卫星通信的优点如下： （1） 通信距离远，且费用与通信距离无关（2） 覆盖面积大，可进行多址通信（3） 通信频带宽，传输容量大（4

13、） 信号传输质量高，通信线路稳定可靠（5） 建立通信线路灵活、机动性好n静止卫星配置几何关系示意图如图8.11所示，若以120的等间隔在同步轨道上配置三颗卫星，则在地球表面上除两极地区未被卫星波束覆盖外，其他区域都在覆盖范围之内，而且部分地区为两颗卫星波束覆盖的重叠区，这样就可以实现全球通信。n目前国际卫星通信组织负责建立的国际卫星通信系统（intelsat，简称is）就是利用静止卫星来实现全球通信的。三颗同步卫星分别位于太平洋、印度洋和大西洋上空，它们构成的全球通信网承担大部分的国际通信业务和全部国际电视转播业务，如图8.12所示。n在实际应用中，国际卫星通信的商业卫星和国内区域卫星通信中大

14、多数都使用6/4ghz频段，其上行频率为5.9256.425ghz，下行频率为3.74.2ghz，卫星转发器的带宽可达500mhz。为了不与上述民用卫星系统干扰，许多国家的军用和政府用卫星通信系统使用8/7ghz频段，其上行频率为7.98.4ghz，下行频率为7.257.75ghz。由于卫星通信业务量的急剧增加，110ghz的无线电窗口日益拥挤，14/11ghz频段已得到开发和利用，其上行频率为1414.5ghz，下行频率为10.9511.2ghz和11.4511.7ghz。3. 光纤通信n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101410

15、15hz，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。n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。利用光纤通信首先要解决两个问题。（1） 光纤的基础材料问题n人们通过大量的实验发现，纯净的石英材料在0.81.8m，对应的频率为167375thz的近红外光波入射，损耗很少。并且在0.85m、1.31m和1.55m附近损耗最低，如图8.13所示。（2） 光

16、导纤维结构问题n光导纤维通常采用同轴圆柱体结构，由纤芯和包层构成，如图8.14所示为增加光纤的机械强度，图8.14光纤结构在裸光纤的外面加上涂覆层。对于单模光纤，光纤直径（即包层直径2b）为125m，纤芯直径2a为410m。8.5雷达n雷达（radar）是“radio detection and ranging”的缩写。其基本功能是利用目标对电波的散射而发现目标，并测定目标的空间位置。n雷达系统的基本组成框图如图8.15所示。从电磁场与电磁波理论来分析简单连续波雷达是如何实现测速的。n简单连续波雷达系统中的动目标鉴别和分辨是以多普勒效应为基础的。设固定雷达发出电磁波的频率为f0,则发射波的周期

17、t0=1/f0，设动目标以恒速为u向着雷达移动，如图8.16所示，在t0时刻动目标在r0位置，在t1时刻动目标在r1位置。雷达发射的电磁波到达目标所需的时间为t0时刻发射的电磁波（峰a），到达移动目标，回波在t1时刻被雷达接收雷达在t+t0时出现第二个峰（峰b），回波在t2时刻被雷达接收发射和接收波形如图8.17所示（8.5.1）（8.5.2）（8.5.3）接收的电磁波的周期t0一般情况下u/c1,因此可见，接收波与发射波比较频率产生了偏移，偏移量为 f=2u/这样根据频率偏移量就可以测出移动目标的速度。（8.5.6）（8.5.5）（8.5.4）8.6 射 频 识 别n射频识别（radio f

18、requency identification, rfid）系统主要由阅读器、应答器和后台计算机系统组成，如图8.18所示，是电磁场与电磁波的重要应用之一。nrfid系统按数据量大小可分为1比特系统和电子数据载体系统。nrfid系统按工作频段来分类，可分为： （1） 低频，50150khz；（2） 高频，13.56mhz；（3） 甚高频，260470mhz；（4） 微波，9029280mhz，2.45ghz，5.8ghz。n一般来说低频段应答器是无源的，应答器所需要的能量由阅读器通过耦合元件传递给应答器，而应答器和阅读器的有效距离很近。而远距离系统应答器是有源的，要用微波来实现，作用距离可达1

19、00m以上。1. 微波1比特rfid系统n微波1比特rfid系统原理如图8.19所示。载波频率在微波段，应答器采用电容二极管的非线性特性和能量存储特性来实现。n阅读器持续发射载波频率为fa（2.45ghz）、调制信号为f（1khz）的振幅调制（ask）已调波，应答器的偶极子天线接收到信号，该信号由二极管的非线性特性产生高次谐波，利用电容二极管储存的能量，使二次谐波通过天线二次辐射，阅读器的接收通常检测以2fa为载波的ask信号，并将其还原成1khz信号。n1比特系统只能识别“有响应”和“无响应”两种状态，那么为什么用1khz的调制信号对载波频率fa作调制形成ask已调波呢？这样做的目的是为了提

20、高系统的抗干扰能力，如果阅读器附近没有频率为2fa的干扰信号，阅读器当然不会响应，可是恰巧有2fa的干扰信号，由于干扰信号没有被正常调制，所以阅读器也不会响应。n微波1比特rfid系统虽然简单，但广泛用于各种门进卡或商场的防盗系统中。2. 电磁反向散射式应答系统n电磁反向散射式应答系统如图8.20所示，它是利用电磁波的散射原理来实现数据的传输。n阅读器通过发送天线将功率为p1的电磁波发送到自由空间，该功率其中一部分被应答器反射，反射后被阅读器接收的功率为p2。阅读器发送功率p1与接收功率p2的比值为 b=p2/p1 （8.6.1）n比值b与应答器的反向散射功率p2有关，当应答器的天线与负载rl

21、完全匹配时，p2几乎为零，此时b=0,即阅读器接收数字信号为“0”码； 当天线短路时p2达到最大值，几乎被完全反射，此时b=1,即为数字信号“1”码。那么cpu通过电子开关的通断就可实现数据的传输。8.7 水下电磁波通信n水下通信方式主要有水下声波通信和水下电磁波通信。n首先来估算一下电磁波在水中的传播距离。n设海水的电导率=4s/m，相对介电常数r=80,相对磁导率r=1，则海水可视为良导体1. 极低频（blf）无线电通信n习惯上把3000hz以下的无线电波称为极低频（blf）。在300hz的频率时，潜艇能在100m的深度接收到blf无线电信号。使用blf频率对潜艇通信还具有抗干扰能力强和受

22、核爆炸电磁脉冲影响小的特点，因此比较适合于弹道导弹核潜艇通信。n但是利用blf无线电通信还存在着许多问题： （1） 信息传输能力低。美国海军在20世纪70年代建立的“海员”系统，每分钟只能传输10bit左右。（2） 陆基天线十分巨大，长达数十公里，战时易受攻击，对周围的电力、通信及电气设备有干扰。（3） 不能用来传回紧急行动电文。2. 甚低频（vlf）无线电通信nvlf频段通常在330khz之间，这个频段在水下30m深度仍能接收到vlf无线电信号。目前仍不失为比较好的对潜艇通信手段之一，美国现已建成全球性陆基vlf广播网。n以上两种通信方式受到的限制非常大，所以又发展出了机载对潜艇中继通信系统

23、、潜艇短时短波或超短波通信系统、卫星微波通信以及对潜艇通信浮标。n蓝绿激光水下通信的原理是当光通过海水时，不同波长的光的衰减不同，光在波长为0.47 0.54m时，存在着一个低损耗“窗口”，可以利用这个窗口进行通信。蓝绿激光水下通信系统的组成如图8.21所示。n蓝绿激光水下通信具有非常大的优越性，蓝绿激光穿透海水能力强，可实现与水深400m的潜艇进行通信。蓝绿激光的工作频率高达1014hz,因此通信频带宽，信息传输能力强。n蓝绿激光对潜艇的通信可分为陆基、天基和空基三种方案。 （1） 陆基系统。由陆基上发出强脉冲激光束，经卫星上的反射镜，将激光束反射至所需照射的海域，实现与水下潜艇的通信。这种

24、方式可通过星载反射镜扩束成宽光束，实现相当大范围的通信； 也可控制成窄光束，以扫描方式通信。这种方案灵活，通信距离远，可用于全球范围内光束所能照射到的海域，通信速率高，安全隐蔽性好，但实现难度大。（2） 天基系统。与陆基方案不同的是，把大功率激光器置于卫星上，发出强脉冲激光束，实现与水下潜艇的通信。这种方案其隐蔽性和有效性都是不容置疑的，当然实现难度也很大。（3） 空基系统。把大功率激光器置于飞机上，飞机飞达预定海域时，激光束以一定形状的波束扫到目标海域，完成对水下潜艇的广播式通信。这种方案机动灵活，也是极佳的通信方案。8.8 gmdssngmdss是 globle maritime dist

25、ress and safety system的缩写，即全球海上遇险与安全系统。这个系统是利用电磁波方式来进行通信的。ngmdss是1988年11月在solas公约缔约国大会上批准并作出相关的决议，1992年2月1日开始实施的系统。该系统是国际海事组织（imo）用于改善旧的海上遇险与安全通信，建立新的搜救程序，并用来进一步完善海上常规通信的一整套综合系统。1. gmdss系统的组成ngmdss的组成如图8.22所示，其功能是通过地面通信系统和卫星通信系统两大分系统来完成的。n按照imo的要求，凡从事国际航行的300总吨以上的货船和一切客船必须装备gmdss设备，并要求具有以下功能： （1） 收、

26、发遇险报警信号，其中遇险船发报警时至少应使用两种独立的设备，并采用不同的通式方式。（2） 搜救协调通信。（3） 现场通信。（4） 收、发寻位信号。（5） 收、发海上安全信息（msi）。（6） 常规通信。（7） 驾驶台与驾驶台间通信。2. 地面通信系统及船用设备n地面通信系统是指使用mf/hf/vhf频段的通信设备及其终端来完成gmdss功能的分系统。该系统由船台、岸台和经由岸台中转的国际/国内公众通信网或专用通信网用户构成。船用设备包括：mf/hf通信设备、vhf通信设备、数字选择性（dsc）终端设备、窄带直接印字电报（nbdp）终端设备、navtex接收机、雷达应答器（sart）和vhf e

27、pirb等。nmf/hf/vhf通信设备是主体，所有终端都必须通过它们才能实现通信。其中，dsc终端具有遇险报警、遇险确认、遇险转播、呼出某一电台及接通陆地网的某一用户等功能。nbdp终端在遇险与安全通信及常规通信中可完成电传的自动收/发功能。nmf/hf/vhf通信设备是主体，所有终端都必须通过它们才能实现通信。其中，dsc终端具有遇险报警、遇险确认、遇险转播、呼出某一电台及接通陆地网的某一用户等功能。nbdp终端在遇险与安全通信及常规通信中可完成电传的自动收/发功能。n按照电波传播方式，mf/hf/vhf频段的设备分别用于中/远/近距离的通信。船舶遇险时，遇险报警（包括遇险转播和确认）用d

28、sc进行，岸台收到后立即转往有关rcc，rcc将通知有关搜救单位或遇险船附近船实施救助行动。搜救协调通信选用mf/hf/vhf频段的适当频率进行，而现场通信基本上使用vhf/mf波段的ch16/2174 5khz/2182khz,以电话或电传方式进行。救助现场的寻位（寻找遇险船或人的位置）靠sart并通过救助单位上的雷达来进行。n沿海近距离的msi是靠navtex系统发播的，而远距离的msi是通过hf频段nbdp设备以cfec方式发播的。这些msi由船舶配备的navtex接收机或nbdp设备自动接收打印。n船舶间会遇避让通信是靠vhf电话来进行的。3. 卫星通信系统及船用设备ngmdss中使用

29、了两种卫星通信系统，即inmarsat系统和cospassarsat系统。使用的船用设备有 inmarsata/b/c船站、1.6ghz epirb、egc接收机、406/121.5mhz epirb。（1） inmarsat系统ninmarsat系统由岸站（les）、卫星（空间段）、船站（ses）、网络协调站（ncs）和网络控制中心（ncc）组成。n目前inmarsat组织开发的满足gmdss要求的卫星通信系统有inmarsat-a/b/c/e四种，每一系统均利用相同的空间段设施（4颗卫星），只是每一系统要求les（包括ncs）能单独处理各自系统信号的收和发。同样，每一系统对ses的要求也不

30、一样，甚至船站的识别码结构也不相同。（2） cospassarsat系统ncospassarsat系统是用来确定三种信标位置的全球搜救卫星系统，这三种信标是elt/epirb/plb。整个系统由紧急信标、卫星、本地用户终端（lut）和任务控制中心（mcc）组成。n本系统现使用5颗极低轨道卫星。船舶遇险时经人工或自动启动的406/121.5mhz卫星epirb就会发出遇险信号，该信号被经过它上空的卫星收到后转发给lut。lut测出信标的位置后连同警报信息一起通过mcc通报给rcc和其他mcc或有关的rcc，救助行动即行开始。4. gmdss的海区划分nimo于1988年10月通过solas公约修

31、正案规定，每一公约船应按其工作的航区配备相应的无线电设备，也就是说船载设备与其所航行的航区相适应。n在gmdss中，根据岸台使用的各种频段，无线电波的覆盖范围共分为四个航区，有时也称为海区。gmdss中的a1、a2、a3海区如图8.23所示。na1海区： 至少有一个vhf岸台的无线电话覆盖的区域，在该区域内能提供连续有效的dsc报警，这个区域可由缔约国政府规定。na2海区： 至少有一个mf岸台的无线电话覆盖的区域，在该区域内能提供连续有效的dsc报警，这个区域可由缔约政府规定，但不包括a1海区。na3海区： 在inmarsat静止卫星的覆盖范围之内，能提供连续有效的dsc报警的区域，但不包括a1海区和a2海区。na4海区： a1、a2和a3海区以外的区域。n当在上述各海区中航行时，若船舶发生紧急情况，要求能够提供连续报警。5. gmdss船载设备配备原则和要求n1） 船载设备配备原则ngmdss中，船舶配备的设备除应