《电磁波发射接收》课件

电磁波发射接收电磁波发射接收是无线通信的关键技术。了解电磁波的发射和接收原理，是理解无线通信系统工作机制的关键。什么是电磁波定义电磁波是一种由电场和磁场相互垂直振荡形成的波，可以在真空中传播。传播特点电磁波以光速在真空中传播，不需要介质，且能穿透某些物质。应用领域电磁波在无线通信、雷达、医疗、广播、电视等方面都有广泛应用。电磁波的特性横波特性电场和磁场振动方向垂直于传播方向，形成横波。光速传播真空中的传播速度为光速，约为每秒30万公里。能量辐射电磁波携带能量，可以穿透物质，并在传播过程中衰减。干涉与衍射电磁波可以发生干涉和衍射现象，表现出波动性。电磁波的种类11.射频电磁波射频电磁波通常用于广播、通信、雷达等领域，其频率范围从几十千赫兹到几百吉赫兹。22.微波微波具有较高的频率，通常应用于卫星通信、微波炉、雷达等，其频率范围从300MHz到300GHz。33.红外线红外线位于可见光谱的红色端，主要用于热成像、遥感、光学通信等领域。44.可见光可见光是我们肉眼能够感知到的电磁波，其波长范围从380纳米到780纳米。55.紫外线紫外线位于可见光谱的紫色端，对人体有伤害，但也具有杀菌、消毒等用途。66.X射线X射线穿透力强，用于医学影像诊断、工业探伤等领域。77.γ射线γ射线是能量最高的电磁波，具有很强的穿透力，可用于放射治疗、核物理研究等领域。波长与频率的关系c光速电磁波在真空中的传播速度λ波长相邻两个波峰或波谷之间的距离f频率电磁波每秒振动的次数波长和频率成反比，即波长越长，频率越低；波长越短，频率越高。公式：c=λf，其中c代表光速，λ代表波长，f代表频率。电磁波的发射原理1振荡电路利用振荡电路产生高频的交变电流，从而产生变化的电磁场。2天线辐射振荡电流通过天线，使天线周围的电磁场发生变化，形成电磁波向空间传播。3天线类型不同的天线类型对应不同的辐射特性，例如偶极天线、环形天线等。振荡电路的组成电容器电容器是振荡电路中必不可少的元件，其储能特性在电路中起着至关重要的作用。电感器电感器是振荡电路中的另一个重要元件，其储能特性在电路中起着至关重要的作用。晶体管晶体管在振荡电路中充当放大器，放大振荡信号，从而形成稳定的振荡。电阻器电阻器在振荡电路中充当控制振荡信号的幅度和频率的重要元件。振荡原理与振荡条件1能量反馈能量反馈是维持振荡的关键2正反馈放大信号，保持振荡3相位条件反馈信号相位与输入信号相位一致4频率条件反馈信号频率与输入信号频率一致振荡电路需要满足特定条件才能持续振荡。能量反馈是维持振荡的关键，它通过正反馈机制放大信号，同时确保反馈信号的相位和频率与输入信号一致，从而形成持续的振荡。马可尼发射机原理振荡电路马可尼发射机使用振荡电路产生高频交流电，作为电磁波的能量来源。天线振荡电路产生的高频电流通过天线，在空间产生电磁波。发射过程天线中的高频电流变化会产生交变的电磁场，电磁场以光速向外传播，形成电磁波。偶极天线的工作原理1电磁波发射电流在天线中振荡2电磁场产生振荡电流产生变化磁场3电磁波辐射变化磁场激发电磁波4空间传播电磁波以光速传播偶极天线由两根长度相等的导线构成，两端分别连接电源。当电源通电时，电流在导线中振荡，产生变化的磁场。根据电磁感应原理，变化的磁场会激发电场，进而形成电磁波。不同天线类型的特点偶极天线结构简单，造价低廉，易于制造，广泛应用于广播、电视等领域。单极天线与偶极天线相比，尺寸更小，但其辐射方向性更强，常用于移动通信、卫星通信等。环形天线辐射方向性好，尺寸小巧，常用于移动通信、卫星通信等。螺旋天线具有较宽的带宽和较高的增益，常用于无线通信、雷达等领域。天线的增益与指向性增益指向性天线接收或发射信号的效率天线辐射或接收电磁波的方向性高增益天线，信号更强指向性强的天线，能量集中在特定方向常用单位：分贝（dB）常用指标：半功率波束宽度电磁波在自由空间的传播1直线传播电磁波在自由空间中以直线形式传播，不受阻碍，速度接近光速。2能量衰减随着距离的增加，电磁波的能量逐渐衰减，因为能量分散在更大的空间范围内。3不受介质影响在自由空间中，电磁波的传播不受空气、水或其他介质的影响，可以自由地传播到遥远的地方。电磁波在介质中的传播介质的影响介质对电磁波的传播速度和方向会产生影响。介质的介电常数和磁导率决定了电磁波在介质中的传播速度。折射现象电磁波从一种介质进入另一种介质时，会发生折射，传播方向发生改变，且传播速度也会改变。吸收与衰减介质会吸收电磁波的能量，导致电磁波的强度随着传播距离的增加而衰减。不同的介质对不同频率的电磁波吸收率不同。散射现象电磁波在介质中传播时，会遇到介质中的微粒，发生散射，导致传播方向发生改变。散射的程度与微粒的大小和电磁波的频率有关。电磁波的衍射与折射衍射现象当电磁波遇到障碍物或孔隙时，会偏离直线传播路径，绕过障碍物或孔隙继续传播。惠更斯原理衍射现象可以用惠更斯原理来解释，即波前的每一点都可以看作是新的波源。折射现象电磁波从一种介质进入另一种介质时，传播方向会发生改变，这种现象称为折射。折射率折射现象的程度由两种介质的折射率决定。电磁波的反射与吸收反射电磁波遇到不同介质时，会发生反射现象，部分能量被反射回去。反射系数反射系数表示反射波能量与入射波能量的比值，取决于介质的特性。吸收电磁波在介质中传播时，能量会被吸收，导致信号强度衰减。吸收系数吸收系数表示电磁波在介质中传播单位距离内能量衰减的程度。电磁波的干涉与衍射干涉当两列或多列电磁波相遇时，它们会相互叠加，产生干涉现象。干涉可以是相长干涉，也可以是相消干涉，这取决于波的相位关系。干涉现象可以用于测量电磁波的波长、频率等参数，也可以用于制作一些光学器件，例如干涉仪。衍射当电磁波遇到障碍物或孔隙时，它会绕过障碍物或孔隙继续传播，产生衍射现象。衍射现象表明电磁波具有波动性，它会导致波的传播方向发生改变。衍射现象可以用于制作一些光学器件，例如衍射光栅，也可以用于解释一些自然现象，例如彩虹。电磁波在大气中的传播特点大气层影响大气层会吸收、反射和散射电磁波，导致信号衰减和信号路径变化。天气状况雨雪、雾霾等天气会对电磁波传播造成很大影响，导致信号强度下降。地形地貌山脉、河流、建筑物等地形地貌也会影响电磁波传播路径，导致信号衰减和信号畸变。电磁波在电离层中的传播电离层反射电离层中的自由电子会反射某些频率的无线电波，使信号能够传播更远距离。电离层吸收电离层也会吸收某些频率的无线电波，导致信号衰减。电离层折射电离层会使无线电波发生折射，改变其传播方向。极光影响极光现象也会影响电磁波在电离层中的传播。空间卫星通信的电磁波传播卫星天线卫星天线接收地面站发射的信号，并将其转发到目标卫星，实现通信。信号传播路径电磁波信号从地面站发射，经过大气层传播到卫星，再从卫星转发到地面接收站。中继站中继站可以增强信号强度，延长通信距离，提高通信可靠性。电磁波接收机的结构天线天线用于接收电磁波信号，并将其转换为电信号。前置放大器放大接收到的微弱电信号，以提高信号强度。中频放大器对放大后的信号进行进一步放大和滤波，以去除噪声。解调器将中频信号还原为原始的音频或视频信号。接收机的超外差结构1输入接收天线接收的信号2高频放大放大信号的幅度和频率3混频将接收信号与本机振荡信号混合4中频放大放大中频信号超外差接收机将接收的信号频率转换为固定的中频信号进行处理，提高了接收机的灵敏度和选择性。超外差结构是现代无线电接收机普遍采用的架构。接收信号的解调与检波接收机通过天线接收到的信号一般是高频信号，为了提取出信号中包含的信息，需要进行解调和检波。1解调将高频载波信号转换为低频信号2检波将低频信号转换为音频信号3音频信号处理对音频信号进行放大和滤波解调是将高频载波信号转换为低频信号的过程，常用的解调方法有调幅解调和调频解调。检波则是将低频信号转换为音频信号，以便于人类能够听到。接收信号的放大与滤波接收到的信号通常非常微弱，需要进行放大才能进行后续处理。同时，信号中可能存在干扰信号，需要使用滤波器来滤除干扰，保留有用信号。1放大使用放大器提高信号强度2滤波使用滤波器去除干扰信号3信号处理为后续处理准备信号信号调制与解调技术调制将信息信号转换成适合在信道中传输的信号的过程。调制将信息信号叠加到载波上，使载波的某个参数随信息信号变化。常用的调制方式包括幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。解调在接收端将调制信号还原为原始信息信号的过程。解调是调制的逆过程，通过对载波进行处理，提取出信息信号。解调技术的选择取决于调制方式，并与接收机性能密切相关。数字调制技术频移键控(FSK)通过改变载波频率来表示数字信号，可用于无线通信和数据传输。相移键控(PSK)通过改变载波相位来表示数字信号，拥有较高的频谱利用率。幅移键控(ASK)通过改变载波幅度来表示数字信号，适合短距离通信和数据传输。正交幅度调制(QAM)结合了幅度调制和相位调制，可在有限带宽内传输更多数据。信号编码与解码技术11.数字编码将模拟信号转换为数字信号，例如，脉冲编码调制(PCM)。22.纠错编码在数字信号中添加冗余信息，以检测和纠正传输过程中的错误。33.调制编码将数字信号调制到载波信号上，以便通过无线或有线信道传输。44.解码接收方将编码后的信号还原为原始信号。电磁兼容性问题干扰电磁干扰是电磁兼容性问题中最常见的问题，可能会导致设备性能下降，甚至出现故障。辐射电子设备会辐射电磁波，过高的辐射可能会对人体健康造成负面影响，因此需要进行有效的辐射防护。电磁辐射防护标准安全标准电磁辐射会影响人体健康，因此制定了严格的防护标准。这些标准规定了电磁辐射的限值，以及相应的防护措施。主要标准国际上常用的电磁辐射防护标准包括：ICNIRP指南、IEEE标准等。这些标准根据频率、暴露时间和暴露部位等因素设定安全限值。重要性严格执行电磁辐射防护标准，可以有效降低电磁辐射对人体的危害，确保人们的健康安全。措施常见的电磁辐射防护措施包括：保持距离、使用屏蔽材料、合理使用电器等。