微波技术与天线1

1、电磁场与电磁波基本理论电磁场与电磁波基本理论微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波无线电波的定义无线电波的定义无线电波的频段划分无线电波的频段划分无线电波的传播无线电波的传播短波通信短波通信电磁场的基本理论电磁场的基本理论-麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组StBlEdd微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波StDjlHd)(d0(V)0(S)ddVSD0d(S)SB 均匀变化的磁场（电场）产生稳定的电场（磁场） 非均匀变化的磁场（电场）产生变化的电场（磁场） 按三角函数规律变化的振荡磁场（电场）产生同频率的三角函数规律变化的振荡电场（磁场） 变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，

2、变化的电场和磁场总是相互联系，形成一个不可分离的统一场，这就是电磁场微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波电磁场的基本理论电磁场的基本理论-基本思想基本思想电磁波的形成电磁波的形成微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波变化的电场变化的电场变化的磁场变化的磁场电磁波电磁波可脱离波源，通过电场和磁场的相互激发，独立在空间传播。电磁波的特点电磁波的特点微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波 电磁波中电场和磁场相互垂直，电磁波在与两者均垂直的方向传播。因此电磁波是横波 两个相邻的波峰（波谷）之间的距离等于电磁波的波长。电磁波在空间以一定的速度传播，经过一个周期的时间，传播一个波

3、长的距离。电磁波的频率即为电磁振荡的频率，它由波源决定，与介质无关。 电磁波传播不需要借助于任何介质，在真空中也能传播，因为电磁波的传播是依靠电场和磁场的相互激发，而不是依靠物质的机械传递。无线电波的定义无线电波的定义微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波运用在无线电技术领域的电磁波称为无线电波。名称波长范围频率范围紫外线10nm-0.4um750-3000THz可见光0.4-0.7um430-750THz红外线0.7um-0.1mm0.3-430THz亚毫米波0.1-1mm0.3-3THz无线电波1mm-100km3kHz-300GHz由此看出，波长大于1mm，频率小于300GHz的

4、电磁波为无线电波无线电波的频段划分无线电波的频段划分微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波名称频率范围微波毫米波（EHF）30GHz-300GHz厘米波（SHF）3GHz-30GHz分米波（UHF）300MHz-3GHz超短波（VHF）30MHz-300MHz短波（HF）3MHz-30MHz中波（MF）300KHz-3MHz长波（LF）30KHz-300KHz超长波（VLF）3kHz-30KHz无线电波的传播方式无线电波的传播方式微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波地波传播：沿地球表面传播的无线电波，地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播距离有限 天波传播：即电离层波。

5、（多用于短波远距离通信） 地球大气层的高层存在着“电离层”。无线电波进入电离层时其方向会发生改变，出现“折射”。因为电离层折射效应的积累，电波的入射方向会连续改变，最终会“拐”回地面，电离层如同一面镜子会反射无线电波。无线电波的传播方式无线电波的传播方式微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波空间波传播： 又称为视距波。由发射天线直接到达接收点的电波，被称为直射波。有一部分电波是通过地面或其他障碍物反射到达接收点的，被称为反射波。直射波和反射波合称为空间波。 散射波传播：当对流层或电离层出现不均匀团块时，无线电波有可能被这些不均匀媒质向四面八方反射，使一部分能量到达接收点，这就是散射波注

6、：空间波和散射波一般用于超高频通信注：空间波和散射波一般用于超高频通信无线电波的在介质中的传播特性无线电波的在介质中的传播特性微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波 电波在介质中的传播速度：1v 电磁波在导电介质中传播时，导体内的自由电荷会发生定向移动形成传导电流，产生焦耳热。电磁能量要转化为热量，所以，导体内部的电磁波应该是一种衰减波。无线电波的在介质中的传播特性无线电波的在介质中的传播特性微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波由于导体内电磁场具有衰减因子，因而电磁波只能透入导体表面薄层内，所以电磁波主要是在导体以外的空间或介质中传播。在导体表面上，电磁波与导体中的自由电荷相

7、互作用，引起导体表层上的电流，这电流的存在使电磁波向空间反射，一部分电磁能量透入导体内，形成导体表面薄层内的电磁波，最后经过传导电流把这部分能量耗散为焦耳热。21 把波振幅降至原值的把波振幅降至原值的 1/e 1/e 时传播的距离称为时传播的距离称为穿透深度穿透深度，以以表示，即表示，即 对于高频电磁波，电磁场以及和它相互作用的高频电流对于高频电磁波，电磁场以及和它相互作用的高频电流仅集中于表面很薄一层内，这种现象称为仅集中于表面很薄一层内，这种现象称为趋肤效应趋肤效应。人们在。人们在轮船舱内或火车厢里用收音机不易收到电台的原因就在此。轮船舱内或火车厢里用收音机不易收到电台的原因就在此。穿透深

8、度穿透深度趋肤效应趋肤效应微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波能流密度能流密度能量强度能量强度微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波单位时间通过垂直单位面积的能量 HE=电场能量+磁场能量 短波通信短波通信微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波 传播模式：天波、地波 天波传播：被电离层完全吸收、折射回地面、穿透电离层 选择适当的频率、选择适当的入射角短波通信短波通信微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波 最高可用频率MUF 最佳工作频率 OWF=0.85MUF 频率的选择频率的选择 频率太低，被电离层吸收 频率太高，穿透电离层 电离层的密度不稳定，具有时间变化

9、性，吸收能力不一样短波通信短波通信微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波 起伏地形、建筑物、植被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。当飞机飞行中通过阴影时，其电强中值就会减小，即衰落。这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落（平均）。分布函数近似属于对数正态分布。阴影效应（平均）阴影效应（平均）短波通信短波通信微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波 多径效应（瞬时）多径效应（瞬时） 到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相

10、叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引起的，称为多径衰落。统计特性服从瑞丽分布。LOGO自由空间波的传播特点自由空间波的传播特点微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。 只要地面上空的大气层是各向同性的均匀介质，相对介电常数r和相对导磁率r都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这种情况下，电波可视作在自由空间传播。自由空间波

11、的传播特点自由空间波的传播特点)/(300mVdPET微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波)/(120300mAdPHT以全向天线为例，增益为0dBd，发射功率为PT，距离天线d米处的电场强度为距离天线d米处的磁场强度为自由空间波的传播特点自由空间波的传播特点微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波则单位面积上的电波功率密度S为接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即)/(42200mWdPHESTRRASP自由空间波的传播特点自由空间波的传播特点微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波全向天线的有效面积为接收天线获取的电波功率)(422mA

12、R2)4(dPPTR自由空间波的传播特点自由空间波的传播特点微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波自由空间电波传播损耗L为即2)4(dPPLRTfdddBLlg20lg2045.32)4lg(10)(2（式中d的单位千米，f的单位MHz）空间波的传播特点空间波的传播特点微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波视距传播的极限距离)()()(12. 4maxkmmHmHdRT微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波电离层和天波传播电离层和天波传播微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波电离层和天波传播电离层和天波传播特点： 对流层：气温除局部外总是随高度上升而下降。人们常

13、见的电闪雷鸣、阴晴雨雪都发生在对流层，但这些气象现象一般只对直射波传播有影响 同温层：对电波传播基本上没有影响 电离层： D层：D层白天存在，晚上消失。D层的密度最小，对电波不易反射。当电波穿过口层时，频率较低的被吸收得较多。微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波电离层和天波传播电离层和天波传播 F1F2层：夏季以及部分春秋季的白天，F1层和F2层同时存在，且F2层的密度最大。到了夜晚，F1和F2合并成一个F2层，高度上升。F2层对电波的反射能力最强，它的存在是短波能够进行远距离通信的主要条件 E层：E层的密度也较小，只有对中波可以反射。在一些特定条件下，E层有可能反射高频率的无线电波。在盛夏或是隆冬，E层对电波的反射现象总是有规律地出现，你可以清楚地接收到远距离小功率电台发射的信号，而且可以发现可听别的范围是在有规律地变化。微波技术与天线微波技术与天线-无线电波无线电波电离层和天波传播电离层和天波传播 对传播距离的影响： 电波入射角越小，传播越远；（和天线结构高度有关） 电离层F2层越高，传播越远。 影响 对电波反射的影响： 电波的频率越低越容易被反射； 电离层的密度越大对电