電磁場與電磁波在電子通信技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 電磁場與電磁波在電子通信技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用 姓名:陳龍學(xué)號：電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的物理現(xiàn)象，也是最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象。19世紀以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個獨立的物理現(xiàn)象，沒有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系，但是這些研究為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。18世紀末期，德國哲學(xué)家謝林認為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認為電就是宇宙的活力，是宇宙的靈魂，電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。法拉第在謝林的影響下，相信電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳地意識到，電可以對磁產(chǎn)生作用，磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。1821年他開始探索磁生電的實驗。

2、1831年他發(fā)現(xiàn)，當磁捧插入導(dǎo)體線圈時，導(dǎo)體線圈中就產(chǎn)生電流。這表明電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。麥克斯韋深入研究并探討了電與磁之間相互作用的關(guān)系，并發(fā)展了場的概念。他在法拉第實驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；與變化著的磁場產(chǎn)生電場相對應(yīng)。在此基礎(chǔ)上提出了一組表達電磁現(xiàn)象基本規(guī)律的偏微分方程，稱為麥克斯韋方程組，成為經(jīng)典電磁場理論的基本內(nèi)容。電磁場作為無線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)，集中于三大類應(yīng)用問題的研究。電磁場（或電磁波）作為能量的一種形式，是當今世界最重要的能源，其研究領(lǐng)域涉及能量的產(chǎn)生、儲存、變換、傳輸和綜合利用；電磁波作為

3、信息傳輸?shù)妮d體，成為當今人類社會發(fā)布和獲取信息的主要手段，主要研究領(lǐng)域為信息的產(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲存、處理、再現(xiàn)和綜合利用；電磁波作為探測未知世界的一種重要手段，主要研究領(lǐng)域為電磁波與目標的相互作用特性、目標特征的獲取與重建、探測新技術(shù)等。1887年，德國科學(xué)家赫茲用火花隙激勵一個環(huán)狀天線，用另一個帶隙的環(huán)狀天線接收，證實了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實驗導(dǎo)致了后來無線電報的發(fā)明。從此開始了電磁場理論應(yīng)用與發(fā)展的時代，并且發(fā)展成為當代最引人注目的學(xué)科之一。1895年意大利馬可尼成功地進行了2.5公里距離的無線電報傳送實驗。1896年，波波夫進行了約250米距離的類似試驗, 1

4、899年, 無線電報跨越英吉利海峽的試驗成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距離的試驗成功。馬可尼以其在無線電報等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾獎金物理學(xué)獎。無線電報的發(fā)明，開始了利用電磁波時期；1876年美國A.G.貝爾在美國建國100周年博覽會上展示了他所發(fā)明的有線電話。此后,有線電話便迅速普及開來；1906年美國費森登用50千赫頻率發(fā)電機作發(fā)射機，用微音器接入天線實現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上 的報務(wù)員聽到了他從波士頓播出的音樂。1919年，第 一個定時播發(fā) 語言和音樂的無線電廣播電臺在英國建成。次年，在美國的匹茲堡城又建成一座無線電廣播電臺；1884年德國尼普科夫提出機械掃描電視

5、的設(shè)想，1927年，英國貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上。茲沃霄金在1923和1924 年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。1931年，他組裝成世界上第一個全電子電視系統(tǒng)；二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機成為主要進攻武器。英、美、德、法等國競相研制一類能夠早期警戒飛機的裝置。1936年，英國的瓦特設(shè)計的警戒雷達最先投入了運行。有效地警戒了來自德國的轟炸機。1938年，美國研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷達的研制成為可能。1944年，能夠自動跟蹤飛機的雷達研制成功。1945年，能消除背景干擾顯示運動目標的顯示技術(shù)的發(fā)明,使雷達更加完善。在整個第二次

6、世界大戰(zhàn)期間,雷達成了電磁場理論最活躍的部分；1958年美國發(fā)射低軌的“斯科爾”衛(wèi)星成功,這是第一顆用于通信的試驗衛(wèi)星。1964年,借助定點同步通信衛(wèi)星首次實現(xiàn)了美、 歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年,第一顆商用定點同步衛(wèi)星投入運行。1969年, 大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星地球站已遍布世界各國，這些衛(wèi)星地球站又和本國或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)歷10年的發(fā)展，終趨于成熟；1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們試 圖將雷達引入衛(wèi)星，實現(xiàn)以衛(wèi)星為基地對地球表面及近地空間目標的定位和導(dǎo)航。1958年底，美國開始研究實施這一計劃，于1964年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

7、1973年美國提出了由24顆衛(wèi)星組成的實用系統(tǒng)新方案，即GPS計劃。它是英Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System 的字頭縮寫NAVSTAR/GPS的簡稱，其含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進行測時和測距。1990年最終的GPS方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。電磁場與電磁波理論在人們的需求中一步步地發(fā)展應(yīng)用。當今世界，電子信息系統(tǒng)，不論是通信、雷達、廣播、電視，還是導(dǎo)航、遙控遙測，都是通過電磁波傳遞信息來進行工作的。因此以宏觀電磁理論為基礎(chǔ)，電磁信息的傳輸和轉(zhuǎn)換為核心的電磁場與電磁波工程技術(shù)將充分發(fā)揮其重

8、要作用。當今的無線通信、廣播、雷達、遙控遙測、微波遙感、無線因特網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、衛(wèi)星定位以及光纖通信等信息技術(shù)都是利用電磁波作為媒介傳輸信息的。電磁場與電磁波的應(yīng)用貫穿于整個移動通信技術(shù)，20世紀20年代，現(xiàn)代移動通信技術(shù)的發(fā)展宣告開始。從20世紀20年代至40年代是現(xiàn)代移動通信的起步階段。1987年11月18日，中國第一個TACS模擬蜂窩移動電話系統(tǒng)在廣東省建成并投入商用。這一時期的系統(tǒng)主要是依賴第一代移動通信技術(shù)（1G），采用的是模擬技術(shù)和頻分多址（FDMA）技術(shù)。第二代移動通信（2G）主要采用的是數(shù)字的時分多址（TDMA）技術(shù)和碼分多址（COMA）技術(shù)，頻譜利用率高，可大大提高系統(tǒng)容量，

9、能提供數(shù)字化的語言業(yè)務(wù)及低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。目前正在迅速發(fā)展的是第三代移動通信技術(shù)（3G），它是將高速移動接入和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的服務(wù)結(jié)合起來，提高無線頻率的利用效率，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶多媒體服務(wù)，傳輸速率最低為384KB/s，最高為2MB/s,帶寬可達5MHz以上，使用頻率1.8852.025GHz和2.1102.200GHz,提供全球覆蓋，實現(xiàn)有線和無線以及不同無線網(wǎng)絡(luò)之間業(yè)務(wù)的無縫連接，滿足多媒體業(yè)務(wù)的要求。主要技術(shù)有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。3G系統(tǒng)仍然無法滿足未來的多媒體通信的需求，未來的移動通信系統(tǒng)是第四代移動通信系統(tǒng)（4G）。它是寬帶（broadband）接入和

10、分布網(wǎng)絡(luò)，具有更高的無線頻率使用效率，且具有更好的抗信號衰落性能，上網(wǎng)速度可提高到100MB/s，具有不同頻率間的自動切換能力。電磁場與電磁波的應(yīng)用貫穿于整個微波通信，微波通信是指利用微波頻率用作載波攜帶信息，通過無線電波進行中繼接力的通信方式。微波是指頻率為300MHz300GHz的電磁波。微波的波長很短，繞過障礙物而傳播的尺度很小，這就決定微波通信只能采取中繼接力方式，大約50km就必須設(shè)一個微波中繼站。較大的通信系統(tǒng)需要建設(shè)非常多的中繼站，這也限制了它的使用。電磁場與電磁波的應(yīng)用貫穿于衛(wèi)星通信，衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，在兩個或多個地球站之間進行通信。地球

11、站是設(shè)在地球表面，包括地面、海洋和大氣中的通信站。實際上衛(wèi)星通信可以看作是利用微波頻率，把通信衛(wèi)星作為中繼站而進行的一種特殊的微波中繼通信。衛(wèi)星通信工作頻段與微波通信相同。目前民用通信衛(wèi)星使用同步工作方式，稱為同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)。從地面上看，這顆衛(wèi)星永遠像掛在天空不動，因此同步衛(wèi)星也稱為“靜止衛(wèi)星”。電磁場與電磁波的應(yīng)用貫穿于光纖通信，以光作載波的通信方式即是光通信。人們想到以光作為載波，這是很自然的，這是因為光的頻率很高，為10141015Hz，因此利用光通信會有更大的通信容量。但是光在大氣中受到的影響因素非常多，如大氣中水蒸氣塵埃的影響、惡劣天氣的影響。另外還受到激光束本身的影響，如激光束非常細小給光學(xué)設(shè)備的對準、控制及跟蹤帶來困難，所以限制了大氣光通信的使用。于是人們就想到利用介質(zhì)來傳輸光信號，這種介質(zhì)即是光導(dǎo)纖維。這種利用光導(dǎo)纖維傳輸光波信號的通信方式稱為光纖通信。人們通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，純凈的石英材料在0.81.8m，對應(yīng)的頻率為167375THz的近紅外光波入射，損耗很少。并且在0.85m、1.31m和1.55m附近損耗最低，光導(dǎo)纖維通常采用同軸圓柱體結(jié)構(gòu)，由纖芯和包層構(gòu)成。除了以上應(yīng)用之外，電磁場與電磁波的應(yīng)用還貫穿于很多電子通信領(lǐng)域，如利用