《电波传播基础》课件

电波传播基础电波传播是无线通信技术的基础。了解电波传播特性是设计和优化无线通信系统的关键。课程目标理解电波传播原理掌握电波传播的基本理论，包括电波的定义、特性、传播模式等。分析电波传播的影响因素了解各种因素对电波传播的影响，如地球物理因素、天气、地形等。应用电波传播知识将电波传播知识应用于无线通信、雷达、导航等领域。电波概述电波是无线电通信的重要载体，在现代社会发挥着不可或缺的作用。从广播电视到移动通信，从卫星导航到雷达探测，电波在各个领域都发挥着重要作用。电波的定义和特性电波定义电波是一种以光速传播的电磁波，由周期性变化的电场和磁场组成。电波可由振荡的电荷产生，如无线电发射机。电波特性电波具有波粒二象性，即电波既具有波的特性，也具有粒子的特性。电波的传播速度为光速，且具有反射、折射、干涉和衍射等特性。电磁波的种类1无线电波频率较低，应用于广播、通信等领域。2微波频率较高，应用于雷达、卫星通信等领域。3红外线频率更高，应用于热成像、遥感等领域。4可见光人类肉眼可以感知的电磁波，应用于照明、光学仪器等领域。5紫外线频率更高，应用于医疗、消毒等领域。6X射线频率更高，应用于医学影像、工业探伤等领域。7γ射线频率最高，应用于医疗、核能等领域。电磁波频谱3KHz极低频用于海底通信和地质勘探。30KHz甚低频用于远距离无线电通信。300KHz低频用于导航和无线电广播。3MHz中频用于无线电广播和短波通信。电磁波的传播机理1电磁场变化变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。2电磁波产生电场和磁场相互耦合，以光速向外传播。3空间传播电磁波以横波的形式在空间中传播。4能量传递电磁波携带能量，可以传递信息。电磁波的传播机理是基于电磁场理论。变化的电场和磁场互相耦合，形成电磁波并以光速在空间中传播。电磁波是横波，其电场和磁场垂直于传播方向，并互相垂直。自由空间中的电波传播自由空间电波传播是指电磁波在没有任何障碍物阻挡的情况下，以直线形式传播的过程。由于没有任何介质阻挡，电波可以自由传播，不会受到反射、折射等现象的影响。1电波传播速度光速2衰减规律平方反比定律3传播模式直线传播自由空间电波传播是许多无线通信系统设计的基础，例如卫星通信、深空探测等。电波传播模式地面波传播地面波沿着地球表面传播，主要用于中波广播和短波通信。天波传播天波利用电离层反射，可以传播更远的距离，适用于远距离无线电通信。直射波传播直射波直接从发射天线传播到接收天线，主要用于微波通信和卫星通信。电波衰减规律衰减类型描述路径损耗信号在传播过程中由于空间扩展而导致的能量衰减。吸收损耗信号被介质吸收而导致的能量损失。散射损耗信号遇到障碍物发生散射而导致的能量损失。折射与反射电波折射电波在不同介质界面发生方向改变。折射角取决于介质折射率和入射角。电波反射电波遇到介质界面发生方向改变，反射角等于入射角。反射强度与介质特性有关。干涉与衍射干涉现象两列波源相遇会产生干涉，波峰重合处振幅增强，波谷重合处振幅减弱。衍射现象电磁波遇到障碍物或孔隙后会发生衍射，绕过障碍物或孔隙继续传播。现实应用衍射现象是无线通信中信号绕过障碍物的原因，影响无线通信信号强度。电离层对电波传播的影响电离层反射电离层可以反射无线电波，这使得长波和短波能够绕地球传播。反射的程度取决于无线电波的频率和电离层的密度，以及电离层高度变化等。电离层吸收电离层会吸收某些频率的无线电波，导致信号强度减弱。这种吸收现象随着无线电波频率的增加而减弱。地球物理因素对电波传播的影响地表类型不同的地表类型会对电波传播造成不同的影响，例如，水体可以反射电波，而山脉会阻挡电波传播。地形起伏地形起伏会影响电波传播的路径和距离，例如，山区信号覆盖范围可能较小。地质结构地质结构会影响电波的传播速度和衰减，例如，土壤的电导率会影响电波的衰减。大气层大气层会吸收和散射电波，例如，电离层会反射短波。天气对电波传播的影响降雨降雨会吸收和散射电波，导致信号衰减，尤其对短波信号影响较大。降雪降雪会反射和吸收电波，对微波信号影响较大，导致信号衰减和干扰。雾雾会吸收和散射电波，对微波信号影响较大，导致信号衰减和干扰。阳光阳光会造成电离层电离，影响电波传播路径，对短波通信影响较大。地形对电波传播的影响11.阻挡效应山脉、建筑物等障碍物会阻挡电波传播，导致信号衰减。22.反射效应电波遇到地形起伏时会发生反射，造成多径传播，影响信号质量。33.绕射效应电波遇到障碍物时会发生绕射，使信号能够绕过障碍物传播，但会造成信号衰减。44.衍射效应电波遇到地形起伏时会发生衍射，影响信号传播路径和强度。线路损耗线路损耗是指电磁波在传输过程中由于各种因素造成的能量衰减。主要包括导线电阻损耗、介质损耗和辐射损耗。导线电阻损耗是由于导线本身的电阻引起的，电流在导线中流动会产生热量，导致能量损失。介质损耗是由于电磁波在介质中传播时，介质的极化和导电特性引起的能量损失。辐射损耗是由于电磁波从传输线中辐射出去，导致能量损失。线路损耗会影响信号的质量，降低传输距离，因此在设计传输线时需要尽量降低线路损耗。天线及其辐射特性天线是无线电发射和接收系统的重要组成部分。它将电信号转换为电磁波，或者将电磁波转换为电信号。天线的辐射特性是描述天线发射或接收电磁波能力的重要指标，包括方向性、增益、带宽、极化等。天线的设计和选型对无线通信系统的性能至关重要，需要根据实际应用场景和需求选择合适的类型和参数。天线分类与选型11.按频率分类低频、中频、高频、超高频、微波天线。22.按工作原理分类偶极天线、单极天线、环形天线、螺旋天线、微带天线。33.按辐射方向分类全向天线、定向天线、半定向天线、反射天线。44.按应用场景分类移动通信天线、卫星通信天线、广播电视天线、雷达天线、导航天线。馈电线与匹配馈电线馈电线连接天线和发射机或接收机。它用于传输电磁能量，并将能量传递到天线以进行辐射。常见的馈电线类型包括同轴电缆和波导管。匹配匹配是调整馈电线和天线的阻抗，以最大程度地传输功率。匹配通过使馈电线的阻抗与天线的阻抗相匹配来实现。雷达基本原理1发射电磁波雷达系统发射特定频率的电磁波，通常被称为“雷达波”。2目标反射当雷达波遇到目标时，会发生反射，一部分能量会返回雷达接收器。3接收并分析雷达接收器接收反射的雷达波，分析其时间延迟、强度和频率变化，从而获取目标的信息。雷达方程1功率发射功率1增益天线增益1面积目标截面积1损耗传播损耗雷达方程是描述雷达系统接收信号强度与发射功率、天线增益、目标截面积、传播损耗等因素之间关系的数学公式。通过雷达方程，我们可以分析目标探测距离、信噪比等指标，并优化雷达系统设计。多普勒效应频率变化当波源和观察者之间存在相对运动时，观察者接收到的波的频率会发生变化。应用场景多普勒效应广泛应用于雷达、超声波诊断等领域，例如雷达通过多普勒频移检测目标速度。公式多普勒频移的大小与波源和观察者之间的相对速度以及波的传播速度有关。雷达回波分析信号强度回波信号的强度反映了目标的大小、反射率和距离。多普勒频移目标的运动速度会引起回波信号频率的改变，即多普勒频移。回波时间回波信号到达时间可以用来确定目标的距离。信号处理通过信号处理技术可以提取目标的特征，例如形状、速度、位置等信息。雷达信号处理噪声抑制雷达信号中通常包含大量噪声，需要进行滤波和降噪处理，提高信号的信噪比。目标检测利用各种信号处理技术，例如匹配滤波、脉冲压缩等，检测目标的存在和位置。目标跟踪对目标进行跟踪，获取其运动轨迹和速度，需要使用卡尔曼滤波等技术。参数估计估计目标的距离、速度、方位角等参数，需要进行信号分析和处理，例如多普勒频移估计。图像重建利用雷达信号合成目标的图像，需要进行信号处理和图像处理，例如逆合成孔径雷达(ISAR)技术。雷达系统组成发射机发射机产生高频电磁波，并将其发射出去。天线天线负责发射和接收电磁波，将电磁波信号转换为无线电信号。接收机接收机接收从目标反射回来的信号，并将其转换为可以显示的信号。信号处理信号处理单元对接收到的信号进行处理，提取目标的信息，如距离、速度、方位等。雷达应用领域11.气象监测雷达可以精确地检测雨雪云层，帮助预测天气，防灾减灾。22.航空航天雷达用于导航、目标识别、飞行控制等，保障航空航天安全。33.交通管制雷达应用于交通管制系统，控制交通流量，提高道路安全性。44.军事领域雷达广泛应用于军事侦察、目标识别、导弹制导等方面，提升作战能力。5G时代电波传播新趋势高频段应用5G使用毫米波频段，具有更高的频率，更短的波长，能够提供更高的带宽和更快的速度。多天线技术5G采用了大规模天线技术，可以提高信号覆盖范围和传