电磁场和电磁波

电磁场和电磁波

奥斯特

法拉第电流的磁效应电磁感应现象变化的磁场产生电场变化的电场产生磁场伟大的预言麦克斯韦的电磁场理论要点——伟大的预言电磁场理论的核心之一变化的磁场产生电场实验为证如右图,交流电产生了周期变化的磁场,上面的线圈中产生电流使灯泡发光讨论:如果用不导电的塑料线绕制线圈,线圈中还有电流电场吗?线圈不存在时,线圈所处的空间还有电场吗?若改成恒定的直流电,还有电场吗?有电场,无电流有无1.变化的磁场产生的电场叫感应电场（涡流电场），电场线是闭合的。2.静止电荷周围产生的电场叫静电场，电场线由正电荷起到负电荷终止，不是闭合的。麦克斯韦认为变化的磁场在线圈中产生电场，正是这种电场(涡旋电场)在线圈中驱使自由电子做定向的移动，引起了感应电流。

总结：麦克斯韦认为线圈只不过用来显示电场的存在，线圈不存在时，变化的磁场同样在周围空间产生电场，即这是一种普遍存在的现象，跟闭合电路是否存在无关。麦克斯韦认为在变化的磁场周围产生电场,是一种普遍存在的现象,跟闭合电路是否存在无关,导体环只是用来显示电流的存在说明:在变化的磁场中所产生的电场的电场线是闭合的

(涡旋电场)电场线楞次定律的复习：线圈中的磁场增强电场线方向如何？电磁场理论的核心之二:

变化的电场产生磁场麦克斯韦假设:变化的电场就像导线中的电流一样,会在空间产生磁场,即变化的电场产生磁场洞察力：麦克斯韦确信自然规律的统一性与和谐性，相信电场和磁场的对称美．根据麦克斯韦理论,在给电容器充电的时候,不仅导体中的电流要产生磁场,而且在电容器两极板间变化着的电场周围也要产生磁场理解:(1)

电场均匀变化产生稳定磁场

(2)非均匀电场变化产生变化磁场Bi＋＋＋＋E增大B麦克斯韦电磁场理论的理解:恒定的电场不产生磁场（静止的电荷不产生磁场）恒定的磁场不产生电场（E=NS△B/△t)均匀变化的电场在周围空间产生恒定的磁场均匀变化的磁场在周围空间产生恒定的电场振荡电场产生同频率的振荡磁场振荡磁场产生同频率的振荡电场周期性变化的电场（磁场）叫振荡电场（磁场）非均匀变化磁场激发变化电场均匀变化激发稳定磁场不在激发若非均匀变化激发变化磁场均匀变化激发稳定电场非均匀变化电场和磁场的变化关系电磁波

电磁波:电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波.

电磁场；麦克斯韦根据自己的理论进一步预言，如果在空间某域中有周期性变化的电场，那么，这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场，这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场……。可见，变化的电场和变化的磁场是相互联系的，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场。2、赫兹的实验：赫兹在人类历史上首先捕捉到了电磁波

赫兹实验在人类历史上首次发射和接收了电磁波，且通过多次实验证明了电磁波与光波一样能够发生反射、折射、干涉、衍射和偏振，验证了麦克斯韦预言，揭示了光的电磁本质，从而将光学与电磁学统一起来。

*赫兹实验电磁波的特点:(1)电磁波是横波,电场强度E和磁感应强度B做正弦规律,二者相互垂直,均与波的传播方向垂直(2)电磁波可以在真空中传播,速度和光速相同.v=λf，不同f的电磁波在同一介质中传播速度不同。(3)电磁波具有波的特性(产生反射、折射、衍射、干涉等波的现象）而且从一种介质传播到另一种介质频率不变。（4）电场储存电能、磁场储存磁能，电磁场储存电磁能，电磁波的发射过程是辐射能量的过程电磁波和机械波的比较机械波电磁波对象周期性变化的量传播产生干涉、衍射横波、纵波研究力学现象研究电磁现象位移,加速度随时间和空间周期性变化E和B随时间和空间周期性变化需介质，v只与介质有关，与f无关不需介质，v与介质和f都有关。真空中为C。由质点（波源）的振动产生的由周期性变化的电流（电磁振荡）产生的可以发生可以发生皆有只是横波电磁波小结:1．变化的磁场能够在周围空间产生电场，变化的电场能够在周围空间产生磁场。2．均匀变化的磁场，产生稳定的电场，均匀变化的电场，产生稳定的磁场。这里的“均匀变化”指在相等时间内磁感应强度(或电场强度)的变化量相等，或者说磁感应强度(或电场强度)对时间变化率一定。3．不均匀变化的磁场产生变化的电场，不均匀变化的电场产生变化的磁场4．变化的电场和变化的磁场总是相互联系着，形成一个不可分离的统一体，这就是电磁场，向周围空间传播这就是电磁波。几点注意:

（3）电磁场中的电场和磁场互相垂直，电磁波在与两者均垂直的方向传播。因此电磁波是横波。

（2）频率不同的电磁波波长不同；

（1）电磁波传播不需要任何介质；（4）电磁场具有电磁能，电磁波在空间传播，电磁能就随之一起传播。（5）麦克斯韦从理论上预见：电磁波在真空中的传播速度等于光在真空中的传播速度。即电磁波在真空中的传播速度C=3.0×108m/s这个预见后来得到了证实（6）赫兹用实验证实了麦克斯韦理论的正确性（1888年）（7）电磁波在空间以一定的速度传播，其波长λ、频率f、和波速v的关系遵从波动的一般关系v=λT=λ∙f作为信息的载体应用于通信、广播、电视

电磁波作为探求未知物质世界的手段应用于雷达、导航、遥测、遥感和遥控

研究设计产生能满足各种应用要求的电磁波能量存在的一种形式时变电流或加速运动的电荷向空间辐射电磁波电磁波辐射问题++－－

－－++一、电磁振荡的产生CLSE

由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样，变化电场和变化磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。这样就产生了电磁波。一电磁波的产生与传播

(1)电磁场能量几乎分别集中于电容器和自感线圈内，不利于电磁波的辐射，所以必需设计能让能量辐射的电路。(2)电磁波在单位时间内辐射功率与频率的四次方成正比，而

LC电路频率为很低，因而要对电路进行改造。

我们知道，线圈L和电容C组成的电路可以产生电磁振荡，电磁振荡能够发射电磁波。但由LC组成普通振荡电路，有以下特点：1、电磁波的波源

实验表明，LC回路里产生的振荡电流是按正弦规律变化的。1.振荡电流:

这种电路产生的大小和方向做周期性变化的电流,叫振荡电流.2.

能够产生振荡电流的电路叫振荡电路.如图

示是一种简单的振荡电路,称LC振荡电路.

说明:

由LC回路产生的振荡电流也是一种交变电流,只是它的频率比照明用交变电流的频率高得多.3.

LC回路产生的振荡电流按正弦规律变化.一、电磁振荡的产生

（1）电磁振荡：在振荡电路里产生振荡电流的过程中，电容器极板上的电荷，通过线圈的电流，以及跟电流和电荷相联系的磁场和电场都发生周期性变化的现象，叫做电磁振荡．

（2）机械振动和电磁振荡有本质的不同，但它们具有共同的变化规律．机械振动位移x（或加速度a）速度v势能动能电磁振荡带电量q（或U、E）电流i（或B）电场能磁场能电容器具有充、放电作用线圈具有自感作用L－－－－++++C一个周期性变化放电充电充电放电ｑｉｑｉｑｉｑｉ++++----++++----q=Qmi=0q=Qmi=0q=0i=Imq=0i=Im第一类：电容器的电荷q、电压u、电场E、

电场能E电、线圈的自感电动势e自第二类：线圈的电流i、磁场B、磁场能E磁两类量的变化规律相反.

即第一类增大时

第二类减小;第一类达最大时第二类为零.两类量:(3)变化规律的图象描述：qtot电场能oito磁场能toLC___+++LC_+电源 用电器用电器放电：电场能磁场能磁场能电场能充电：(1)两个物理过程：放电过程:电场能转化为磁场能，q↓→i↑充电过程:磁场能转化为电场能，q↑→i↓充电完毕状态:磁场能向电场能转化完毕,电场能最大,磁场能最小.放电完毕状态:电场能向磁场能转化完毕,磁场能最大,电场能最小.LC回路工作过程具有对称性和周期性,可归结为(2)两个特殊状态：3、电磁振荡的特点：

2．阻尼振荡：任何电磁振荡电路中，总存在能量损耗，使振荡电流的振幅逐渐减小，这种振荡叫做阻尼振荡，或叫做减幅振荡．

（1）振荡电路中的能量损耗有一部分转化为内能（产生焦耳热），还有一部向外辐射出去而损失．（2）如果用振荡器不断地将电源的能量补充到振荡电路中去，就可以保持等幅振荡．1．无阻尼振荡：在电磁振荡中，如果没有能量损失，振荡电流的振幅保持不变，这种振荡叫做无阻尼振荡，也叫做等幅振荡．1.无阻尼振荡（理想）2.阻尼振荡（实际）itoito二、阻尼振荡和无阻尼振荡三、电磁振荡的周期和频率1．周期和频率：电磁振荡完成一次周期性变化所需的时间叫做周期，一秒钟内完成周期变化的次数叫做频率．

LC回路的周期和频率：由回路本身的特性决定．这种由振荡回路本身特性所决定的振荡周期（或频率）叫做振荡电路的固有周期（或固有频率），简称振荡电路的周期（或频率）．

2．在一个周期内，振荡电流的方向改变两次；电场能（或磁场能）完成两次周期性变化．大量实验表明：（1）电容增大时，周期变长（频率变低）；（2）电感增大时，周期变长（频率变低）；（3）电压升高时，周期不变（频率不变）．结果表明，LC回路的周期和频率只与电容C和自感L有关，跟电容器的带电多少和回路电流大小无关．3、LC回路的周期和频率公式（1）式中各物理量T、L、C、f的单位分别是s、H、F、Hz．（2）适当地选择电容器和线圈，可使振荡电路物周期和频率符合我们的需要．小结：LC振荡电路中的振荡电流按正弦规律变化，电路的状态与相应的物理量对应.电磁振荡分阻尼振荡和无阻尼振荡．

LC振荡电路中电磁振荡的固有周期回路的周期

固有频率

二、平面电磁波的特性1.电磁波是横波xzy

偏振性，，分别在各自的平面方向上振动。

与

分别在相互垂直的平面内振动，并与

构成右手螺旋系。2.

同相位3.与

数值上成比例。真空中即光速，光是一种电磁波。4.电磁波在媒质中传播的速度

电磁波中的电场强度和磁感应强度都作周期性变化，在任意给定的位置，两者的相位相同。

麦克斯韦当初正是在此启发下提出光是一种电磁波的假说。

电磁波中电场能量和磁场能量的总和叫做电磁波的能量，亦称为辐射能。三电磁波的能量

辐射能：在电磁波传播时，其中能量也随之传播。以电磁波的形式传播出去的能量.

单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量，叫能流密度。平均能流密度就是波的强度：w——电磁场能量密度，u——电磁波波速电磁波的能流密度

1．能流密度辐射功率：单位时间内辐射的能量

以振荡偶极子为中心，r半径为的球面上积分，并把所得的结果对时间取平均，则得振荡偶极子的平均辐射功率为

（2）无线电中使用以上的频率。2．辐射功率说明：（1）普通交流电V=50Hz，辐射能量可忽略；

由此可知振荡偶极子的辐射功率与频率的四次方成正比。

1．无线电波

无线电波主要用于广播，电视和通信等。无线电波在空间的传播主要有地波、天波和空间波三种不同的方式。

地波沿地球表面附近的空间传播，这样无线电波必须经地面障碍物才能传到较远的地方。长波和中波的波长较长，衍射本领较强，能绕过一些障碍物，因此可采用地波形式传播。

天波是通过大气外层的电离层对无线电波的反射来进行传播的。波长越长虽然越容易反射，但电离层对无线电波的吸收又随波长增大而增加；而超短波、微波又易于穿透电离层而不被反射，因此天波最适宜于传播短波。

空间波是沿直线在空间传播无线电波，其传播最远距离不超过视线距离。超短波和微波衍射能力差，又会穿透电离层，因此只能以空间波方式传播，但距离有限。为了实现长距离传播，可采用增高发射天线和接力通信（中继站）等方法。各种无线电波的用途见表3.1所列，其中尤其值得一提的是微波的传输和应用。微波频率在之间，占据高频无线电波很大一段，和数万路电话。现在人们为了进行远距离微波通信，常采用同轴电缆传输或光纤传输的方法。通信卫星的出现，使微波通信能很方便地实现全球通信。今天，人们只需用一个直径为的卫星地面接收天线，就可以通过卫星与世界各地交换信息了。至于利用微波与物质的相互作用原理制成的微波炉等家用电器，早已进入了普通的家庭之中。因此有非常广泛的应用。例如，仅利用其中厘米波段(频率为)进行通信，就可同时容纳上百套电视节目2．红外线

红外线的波长在之间，其特点是热效应显著，能透过浓雾或较厚的气层，常用作加热、遥测、遥感等。3．紫外线

紫外线的波长范围为由于其波长比紫光更短，因此粒子性已比较明显。紫外光子的能量足以破坏生物的细胞等物质，因而具有消毒、杀菌、灭虫等作用。长期或过强照射紫外线会损害人的免疫系统，也会抑制农作物生长，损害海洋生物，破坏大自然的生物链。地球上的生物在太阳光的照射下之所以能安然无恙，要归功于能吸收阳光中相当一部分紫外线的大气中的臭氧层因此，保护臭氧层不受破坏是环保的一个重要课题。

紫外线还具有较强的荧光作用，一些物质(如煤油、含氧化纳的玻璃、含稀土元素的纸币、人的牙齿、指甲、皮肤等)在紫外线的照射下，会发生微弱的可见光，这种现象叫荧光效应。对在紫外线照射下物质发生的光谱进行分析，可以获得物质结构的信息，这就是紫外分析。4．X射线

X射线又叫伦琴射线，它的波长在之间，可通过高速电子束对金属靶的轰击而获得，X射线具有很强的穿透能力，常用于工业探伤，晶体结构分析和医疗检查等许多方面。5.射线

射线的波长比X射线更短,其光子的能量比X射线更大，穿透能力更强，可用于金属探险伤，物位测定等，是研究物质微观结构的有力武器。电磁波谱中各波段的划分主要依照获得它们的手段和探测它们的方法。

随着科学技术的发展，各波段都已冲破界限进入邻近波段的范围，这就是前图中各种电磁波相邻波段互相重叠的缘故。电磁波是交变电磁场在空间的传播，它是物质运动，能量传递的一种特殊形式.电磁辐射电磁波能量的传递过程（包括辐射、吸收、透射等现象）波粒二象性电磁辐射具有波动性和粒子（量子）性两方面特征。波速波在单位时间内传播距离。电磁波在真空中的传播速度为每秒3108米/秒（每秒30万公里），通常用C表示。波长：是在同一波线上两个相位差为2

的质点之间的距离，即一个完整波的长度，以C表示周期：以任点开始，振动传播一个波长所需的时间，以T表示。频率：单位时间内波动前进过程中所包含的波数，以表示振幅：振动点离开平衡位置两边的最大位移。以A表示，也称强度初相位：波形的时间提前或延后量以表示。电磁波叠加当振动方向和振动频率均不同的多列电磁波在空间相遇时，相遇点的复合振动等于各列波在该点的矢量和，而在其它位置各列波仍保持原有的特征（振动方向、频率等保持不变），因此，波的传播是独立的.干涉两列频率、振动方向、相位都相同或相位差恒定的电磁波叠加时，某些部位振动永远加强，而另一些部位的振动永远减弱或完全抵消的现象，称为电磁波的干涉衍射如果电磁波投射击在一个它不能透过的有限大小的障碍物上，将会有一部分波从障碍物的边界外通过，这部分波在超越障碍物时，会改变方向绕过其边缘而达到障碍物后面的阴影区偏振通常电场强度在各方向（垂直于传播方向的平面上）是相等的，若其总是固定在某个方向振动，则称电磁波在该方向被极化（偏振）。依电场强度与入射面（通常是地表面）的关系为水平极化（H）和垂直极化（V），水平极化两者相互垂直，垂直极化两者互相平行

——一般可见近红外波段称偏振，微波波段称极化。多普勒效应当一个频率为f的电磁辐射源向着,或背着观察者运动时，则观察者从这个源所接收到的辐射将具有另一个频率f‘。如果辐射源向观察者运动，f‘大于f，如果背离观察者运动，则f‘小于f。色散当进入介质时，不同波长的光波在同一介质中的波速就有差异而分解。波粒二象性波动性－－主要表现为电磁波有干涉、衍射、偏振、散射等现象。粒子性－－电磁波实质上是光子微粒流的有规律的运动，主要表现为电磁辐射的光电效应、光化学作用等现象。较短波长的电磁波主要表现出粒子性，波长越短，粒子性表现愈明显；而长波电磁波则主要表现出波动性一、电磁波谱的概念电磁波谱将各种电磁波按其波长的（频率）大小，依次排列成图表，这个图表就叫电磁波谱。电磁波是粒子（电子、原子、分子等）发生能级跃迁时产生的，到当粒子从较高能级跃迁到较低能级时发射电磁波；反之，形成吸收电磁波。不同的粒子，发生不同的能级跃迁，产生不同能量，也就是不同波长的电磁波。四、电磁波谱760nm400nm

可见光

电磁波谱红外线

紫外线

射线X射线长波无线电波频率波长短波无线电波

电磁波的范围很广。为了便于比较，以便对各种电磁波有全面的了解，我们可以按照波长（或频率）的大小，把它们依次排成波谱，称为电磁波谱。

宇宙射线

射线X射线紫外线可见光红外线微波毫米波厘米波分米波超短波短波中波长波无线电波电磁波谱真空中波长主要产生方式

由炽热物体、气体放电或其他光源激发分子或原子等微观客体所产生的电磁辐射红外线可见光红橙黄绿青蓝紫紫外线电磁波谱真空中波长主要产生方式

用高速电子流轰击原子中内层电子而产生的电磁辐射X射线γ射线由放射性原子衰变时发出的电磁辐射或用高能粒子与原子核碰撞所产生电磁辐射无线电波的波段分布（根据：波长/频率）59各种电磁波的特点宇宙射线波长<10-8um，是来自宇宙天体具有很大能量和贯穿能力的电磁皮，人工还无法能产生。遥感上了未能用得上的波段。r—射线

10-8—10-6um,是能量很高的波段。航空物探放射性测量所记录的就是由含放射性元素的矿物所辐射出来的射线。x—射线波长10-6—10-2um

，宇宙中来的—射线，被大气层全部吸收，不能用于遥感工作。波长0.01—0.３８um

。波长小于0.28微米的紫外线；主要产生于内层电子跃迁被臭氧层及其它成份吸收。只有波长0.28—0.38的紫外线，能部分穿地大气层，但散射严重，只有部分投射到地面，并使感光材料所感应，可作为遥感工作波段，称为摄影紫外。现已开始用于监测气体污染及水体的油污染。紫外线波长0.38—0.76um是人眼可见，可以用棱镜分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种色光;在太阳辐射能中所占比例高；能透过大气层；外层电子跃迁产生而地面物体对七色光多具有其特征的反射和吸收特性,故信息量最大；可以用摄影、扫描等各种方式成像，是遥感最常用的波段。可见光波段的遥感技术最成熟，但仍然有很大潜力。当前分辨能力最好的遥感资料，仍然是在可见光波段内。可见光波长0.77—1000(um)。可分为近红外波段（0.76—3um），中红外（3—6um），远红外（6—15um），超远红外（15—1000um）近红外波段是地表层反射太阳的红外辐射，故又称反射红外。其中靠近可见光红光的0.76—1.3um波段可使胶片感光，故又称摄影红外。而中远红外是地表物体发射的红外线，反映物体的热特征，故称热红外。热红外只能用扫描方式，经过光电信号的转换才能成象。主要为分子光谱超远红外，处于非大气窗口（大气屏障）红外是一个很有发展潜力的遥感波段。红外线波长1mm—1m。是一个很宽的波段。为毫米波（1—10毫米）、厘米波（1—10cm）和分米波（1—10分米）。微波的特点是能穿透云雾和一定厚度的植被、冰层和土壤，可获得其它波段无法获得的信息；具有全天候的工作能力；可以主动和被动方式成像；可利用相位信息，便于精确测距；因此在遥感技术上是很有潜力的一个波段。微波65微波波长范围1mm到1m，可进一步划分为若干不同频率(波长)的波段：(1GHz=109Hz)

P波段：0.3~1GHz(30~100cm) L波段：1~2GHz(15~30cm) S波段：2~4GHz(7.5~15cm) C波段：4~8GHz(3.8~7.5cm) X波段：8~12.5GHz(2.4~3.8cm) Ku波段：12.5~18Ghz(1.7~2.4cm) K波段：18~26.5Ghz(1.1~1.7cm) Ka波段：26.5~40Ghz(0.75~1.1cm)微波能够穿透云和雾，可用于全天候成像。问题：我们要传递的信号不是高频振荡电流，而是一些低频信号（如：声音信号频率只有几百至几千赫兹，图象信号频率也不过上万赫兹），它能把直接发射出去？

为了传送声音、文字、图象等信号，首先要把传递的信号转变成电信号。但这种电信号的频率较低，不能直接发射出去，需要将这种低频电信号加到高频振荡电流上发射出去。这种把低频电信号加载到高频振荡电流（载波）上的过程叫做调制。常用的调制方式有调幅和调频两种：1、调幅：使电磁波的振幅随信号改变，这种调制叫做调幅，用AM表示。振荡电路声音信号高频振荡电流调幅一、电磁波的发射2、调频：使电磁波的频率随信号改变，这种调制方式叫做调频。用FM表示。声音信号高频振荡电流调频一、电磁波的发射2.无线电波的传播方式：长波短波微波微波中波

中短波超短波超短波长波:

波长较长，容易产生衍射现象。

长波在地面传播时能绕过障碍物

（大山、高大建筑物……）长波长波容易被电离层吸收；

短波容易被电离层反射；

微波容易穿过电离层。短波微波:频率很高；

直线传播。微波我们生活的空间布满了强弱不同的电磁波,我们又如何选出自己所需的无线电波呢?二、无线电波的接收二、无线电波的接收

1.当接收电路的固有频率跟要接收的电磁波的频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强（这种现象叫做电谐振）二、无线电波的接收可变电容

调节接收电路的固有频率使它与要接收的电磁波的频率相同的过程叫做调谐能够调谐的接收电路叫做调谐电路。二、电磁波的接收问题:调谐后接收到的感应电流是调制的高频振荡电流，这样我们就可以感知信号了吗?二、无线电波的接收3.检波：从接收到的高频振荡中“检”出所携带的信号，叫做检波，它是调制的逆过程，因此也叫解调。信号调制发射调谐电路输出电磁波发射和接受流程图电磁波的发射电磁波的接收高频振荡电流检波（解调）传播电磁波的发射、传播和接收电磁辐射ElectromagneticRadiation

电磁辐射下页上页返回

电磁能量脱离电源以电磁波的形式在空间传播，不再返回电源。产生辐射的原因：产生辐射的设备：辐射的主要参数：辐射场强，方向性和辐射功率。电磁场的变化和有限的传播速度。天线（线天线和面天线）。一、电磁波的发射1.要有效发射电磁波，振荡电路必须满足两个条件：⑴振荡频率足够高⑵电场和磁场尽可能分布到较大的空间

为了使开放电路中产生振荡电流，常用如图所示的方法，使振荡器的线圈L2靠近开放振荡电路的线圈L1

。当振荡器中产生高频振荡电流时，由于互感作用，就可以在开放振荡电路中产生相同频率的振荡电流，这种方法叫做感应耦合。

振荡偶极子类似一个正负电荷相对中心作谐振动的弹簧,可激发涡旋电场.电偶极矩:p=p0cost±

⊝

⊝⊖⊕⊖⊕电源LCRLC振荡器传输线偶极子天线电磁波发射无线电短波的电路示意图提高振荡电路的固有频率并开放电磁场的措施是：

具体方式如图所示。

②

减少线圈匝数并逐渐拉直，最后简化成一根直线。①

缩小电容器极板面积；拉大电容器极板间距离。最后形成电偶极子，即发射电磁波的天线。这样既能使电磁场分布到空间去，又增加了辐射功率。辐射功率电磁波的传播电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场一.无线通信组网中天线的作用把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…...收集无线电波并产生电信号

什么是天线?

将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。因此，要了解天线的特性就必然需要了解自由空间中的电磁波及高频传输线的一些相关的知识。天线的作用

导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关.如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度L远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱.

当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。

二.天线辐射电磁波的基本原理图4.6.1

电偶极子天线形成的过程一、天线的形成

电偶极子的辐射下页上页返回+-振荡电偶极子附近的电磁场线

某一瞬间E

线与H

线在空间的分布下页上页返回图4.6.4

时单元偶

极子天线E线与H线分布图4.6.5

动态描述单元偶极子天线辐射形成的过程

方向因子与波长有关，图中给出四种天线长度

的E

平面方向图。图4.6.13

细线天线的E平面方向图辐射场特点：下页上页返回球面波；有方向性。，其E

平面方向因子为

同轴线变化为天线

两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长。全长与波长相等的振子，称为全波对称振子。将振子折合起来的，称为折合振子。1/2波长一个1/2波长的对称振子

在

800MHz约200mm长

400MHz约400mm长1/4波长1/4波长1/2波长振子对称振子波长三.天线的工作频率范围(带宽)

无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的，通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。有几种不同的定义：一种是指天线增益下降三分贝时的频带宽度；一种是指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。在移动通信系统中是按后一种定义的，具体的说，就是当天线的输入驻波比≤1.5时，天线的工作带宽。

半波振子上的场分布在820MHz1/2波长为~180mm,在890MHz为~170mm175mm对~850MHz将是最佳的该天线的频带宽度=890-820=70MHz当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降在850MHz1/2波长振子最佳在890MHz天线振子在820MHz在天线工作频带内,天线性能下降不多,仍然是可以接受的。

可用式λ＝Ｖ/ｆ表示。式中，Ｖ为速度，单位为米/秒；ｆ为频率，单位为赫兹；λ为波长，单位为米。由上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。我们通常使用的聚四氟乙烯型绝缘同轴射频电缆其相对介电常数ε约为2.1，因此，Ｖε≈Ｃ/1.44，λε≈λ/1.44。波长无线电波的波长、频率和传播速度的关系

无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。

２.无线电波的极化垂直极化水平极化+45度倾斜的极化

天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向-45度倾斜的极化五.天线的极化

如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收；右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生３分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；

两个天线为一个整体V/H(垂直/水平)倾斜(+/-45°)传输两个独立的波1.双极化天线2.极化损失

当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生３分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。

隔离代表馈送到一种极化的信号在另外一种极化中出现的比例

1000mW(即1W)1mW在这种情况下的隔离为10log(1000mW/1mW)=30dB3.(极化)隔离

天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.

方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。

六.天线辐射的方向性顶视侧视1.方向图

在地平面上，为了把信号集中到所需要的地方，要求把“面包圈”压成扁平的一个单一的对称振子具有“面包圈”形的方向图在这儿增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一个对称台振子假设在接收机中有1mW功率在阵中有4个对称振子

在接收机中就有4mW功率

更加集中的信号对称振子组阵能够控制辐射能构成“扁平的面包圈”

在我们的“扇形覆盖天线”中，反射面把功率聚焦到一个方向进一步提高了增益。这里,“扇形覆盖天线”与单个对称振子相比的增益为10log(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆盖天线”

将在接收机中有8mW功率

“全向阵”

例如在接收机中为4mW功率

(顶视)天线2.形成定向辐射的原理

反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线3.前后比

方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比。它大，天线定向接收性能就好。基本半波振子天线的前后比为１，所以对来自振子前后的相同信号电波具有相同的接收能力。前向功率后向功率以dB表示的前后比=10log

典型值为25dB左右目的是有一个尽可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)4.波束宽度方位即水平面方向图120°(eg)峰值-10dB点-10dB点10dB波束宽度60°(eg)峰值-3dB点-3dB点3dB波束宽度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB俯仰面即垂直面方向图

在方向图中通常都有两个瓣或多个瓣，其中最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣。主瓣两半功率点间的夹角定义为天线方向图的波瓣宽度。称为半功率（角）瓣宽。主瓣瓣宽越窄，则方向性越好，抗干扰能力越强。方向图旁瓣显示上旁瓣抑制下旁瓣抑制增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。七.天线的增益1.增益的定义

全向天线增益与垂直波瓣宽度

9dBd全向天线

板状天线增益与水平波瓣宽度90

180

360

半功率波瓣宽度半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射

一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益用“dBd”表示一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.17dBi2.dBd

和dBi的区别2.17dB对称振子的增益为2.17dB3.天线增益与方向图的关系

一般说来，天线的主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示反射面天线，则由于有效照射效率因素的影响，故

连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。当传输线的几何长度等于或大于所传送信号的波长时就叫做长传输线，简称长线。

1.天线的输入阻抗

天线和馈线的连接端，即馈电点两端感应的信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗有电阻分量和电抗分量。输入阻抗的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率。因此，必须使电抗分量尽可能为零，使天线的输入阻抗为纯电阻。输入阻抗与天线的结构和工作波长有关，基本半波振子，即由中间对称馈电的半波长导线，其输入阻抗为（73.1＋ｊ42.5）欧姆。当把振子长度缩短３％～５％时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，即使半波振子的输入阻抗为73.1欧（标称75欧）。2.传输线的特性阻抗

无限长传输线上各点电压与电流的比值等于特性阻抗，用符号Ｚ。表示。同轴电缆的特性阻抗Ｚ。＝〔138/√εr〕×log(D/d)欧姆。通常Ｚ。=50欧姆/或75欧姆

式中，D为同轴电缆外导体铜网内径；

d为其芯线外径；

εr为导体间绝缘介质的相对介电常数。由上式不难看出，馈线特性阻抗与导体直径、导体间距和导体间介质的介电常数有关，与馈线长短、工作频率以及馈线终端所接负载阻抗大小无关。

当馈线和天线匹配时，高频能量全部被负载吸收，馈线上只有入射波，没有反射波。馈线上传输的是行波，馈线上各处的电压幅度相等，馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。

而当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收，而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。

9.5W80

ohms50ohms