電磁場和電磁波

電磁場和電磁波

奧斯特

法拉第電流的磁效應(yīng)電磁感應(yīng)現(xiàn)象變化的磁場產(chǎn)生電場變化的電場產(chǎn)生磁場偉大的預(yù)言麥克斯韋的電磁場理論要點(diǎn)——偉大的預(yù)言電磁場理論的核心之一變化的磁場產(chǎn)生電場實(shí)驗(yàn)為證如右圖,交流電產(chǎn)生了周期變化的磁場,上面的線圈中產(chǎn)生電流使燈泡發(fā)光討論:如果用不導(dǎo)電的塑料線繞制線圈,線圈中還有電流電場嗎?線圈不存在時,線圈所處的空間還有電場嗎?若改成恒定的直流電,還有電場嗎?有電場,無電流有無1.變化的磁場產(chǎn)生的電場叫感應(yīng)電場（渦流電場），電場線是閉合的。2.靜止電荷周圍產(chǎn)生的電場叫靜電場，電場線由正電荷起到負(fù)電荷終止，不是閉合的。麥克斯韋認(rèn)為變化的磁場在線圈中產(chǎn)生電場，正是這種電場(渦旋電場)在線圈中驅(qū)使自由電子做定向的移動，引起了感應(yīng)電流。

總結(jié)：麥克斯韋認(rèn)為線圈只不過用來顯示電場的存在，線圈不存在時，變化的磁場同樣在周圍空間產(chǎn)生電場，即這是一種普遍存在的現(xiàn)象，跟閉合電路是否存在無關(guān)。麥克斯韋認(rèn)為在變化的磁場周圍產(chǎn)生電場,是一種普遍存在的現(xiàn)象,跟閉合電路是否存在無關(guān),導(dǎo)體環(huán)只是用來顯示電流的存在說明:在變化的磁場中所產(chǎn)生的電場的電場線是閉合的

(渦旋電場)電場線楞次定律的復(fù)習(xí)：線圈中的磁場增強(qiáng)電場線方向如何？電磁場理論的核心之二:

變化的電場產(chǎn)生磁場麥克斯韋假設(shè):變化的電場就像導(dǎo)線中的電流一樣,會在空間產(chǎn)生磁場,即變化的電場產(chǎn)生磁場洞察力：麥克斯韋確信自然規(guī)律的統(tǒng)一性與和諧性，相信電場和磁場的對稱美．根據(jù)麥克斯韋理論,在給電容器充電的時候,不僅導(dǎo)體中的電流要產(chǎn)生磁場,而且在電容器兩極板間變化著的電場周圍也要產(chǎn)生磁場理解:(1)

電場均勻變化產(chǎn)生穩(wěn)定磁場

(2)非均勻電場變化產(chǎn)生變化磁場Bi＋＋＋＋E增大B麥克斯韋電磁場理論的理解:恒定的電場不產(chǎn)生磁場（靜止的電荷不產(chǎn)生磁場）恒定的磁場不產(chǎn)生電場（E=NS△B/△t)均勻變化的電場在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場均勻變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場振蕩電場產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場振蕩磁場產(chǎn)生同頻率的振蕩電場周期性變化的電場（磁場）叫振蕩電場（磁場）非均勻變化磁場激發(fā)變化電場均勻變化激發(fā)穩(wěn)定磁場不在激發(fā)若非均勻變化激發(fā)變化磁場均勻變化激發(fā)穩(wěn)定電場非均勻變化電場和磁場的變化關(guān)系電磁波

電磁波:電磁場由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播就是電磁波.

電磁場；麥克斯韋根據(jù)自己的理論進(jìn)一步預(yù)言，如果在空間某域中有周期性變化的電場，那么，這個變化的電場就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場，這個變化的磁場又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場……?？梢?，變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系的，形成一個不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場。2、赫茲的實(shí)驗(yàn)：赫茲在人類歷史上首先捕捉到了電磁波

赫茲實(shí)驗(yàn)在人類歷史上首次發(fā)射和接收了電磁波，且通過多次實(shí)驗(yàn)證明了電磁波與光波一樣能夠發(fā)生反射、折射、干涉、衍射和偏振，驗(yàn)證了麥克斯韋預(yù)言，揭示了光的電磁本質(zhì)，從而將光學(xué)與電磁學(xué)統(tǒng)一起來。

*赫茲實(shí)驗(yàn)電磁波的特點(diǎn):(1)電磁波是橫波,電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B做正弦規(guī)律,二者相互垂直,均與波的傳播方向垂直(2)電磁波可以在真空中傳播,速度和光速相同.v=λf，不同f的電磁波在同一介質(zhì)中傳播速度不同。(3)電磁波具有波的特性(產(chǎn)生反射、折射、衍射、干涉等波的現(xiàn)象）而且從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)頻率不變。（4）電場儲存電能、磁場儲存磁能，電磁場儲存電磁能，電磁波的發(fā)射過程是輻射能量的過程電磁波和機(jī)械波的比較機(jī)械波電磁波對象周期性變化的量傳播產(chǎn)生干涉、衍射橫波、縱波研究力學(xué)現(xiàn)象研究電磁現(xiàn)象位移,加速度隨時間和空間周期性變化E和B隨時間和空間周期性變化需介質(zhì)，v只與介質(zhì)有關(guān)，與f無關(guān)不需介質(zhì)，v與介質(zhì)和f都有關(guān)。真空中為C。由質(zhì)點(diǎn)（波源）的振動產(chǎn)生的由周期性變化的電流（電磁振蕩）產(chǎn)生的可以發(fā)生可以發(fā)生皆有只是橫波電磁波小結(jié):1．變化的磁場能夠在周圍空間產(chǎn)生電場，變化的電場能夠在周圍空間產(chǎn)生磁場。2．均勻變化的磁場，產(chǎn)生穩(wěn)定的電場，均勻變化的電場，產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。這里的“均勻變化”指在相等時間內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度(或電場強(qiáng)度)的變化量相等，或者說磁感應(yīng)強(qiáng)度(或電場強(qiáng)度)對時間變化率一定。3．不均勻變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，不均勻變化的電場產(chǎn)生變化的磁場4．變化的電場和變化的磁場總是相互聯(lián)系著，形成一個不可分離的統(tǒng)一體，這就是電磁場，向周圍空間傳播這就是電磁波。幾點(diǎn)注意:

（3）電磁場中的電場和磁場互相垂直，電磁波在與兩者均垂直的方向傳播。因此電磁波是橫波。

（2）頻率不同的電磁波波長不同；

（1）電磁波傳播不需要任何介質(zhì)；（4）電磁場具有電磁能，電磁波在空間傳播，電磁能就隨之一起傳播。（5）麥克斯韋從理論上預(yù)見：電磁波在真空中的傳播速度等于光在真空中的傳播速度。即電磁波在真空中的傳播速度C=3.0×108m/s這個預(yù)見后來得到了證實(shí)（6）赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋理論的正確性（1888年）（7）電磁波在空間以一定的速度傳播，其波長λ、頻率f、和波速v的關(guān)系遵從波動的一般關(guān)系v=λT=λ?f作為信息的載體應(yīng)用于通信、廣播、電視

電磁波作為探求未知物質(zhì)世界的手段應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、遙測、遙感和遙控

研究設(shè)計產(chǎn)生能滿足各種應(yīng)用要求的電磁波能量存在的一種形式時變電流或加速運(yùn)動的電荷向空間輻射電磁波電磁波輻射問題++－－

－－++一、電磁振蕩的產(chǎn)生CLSE

由麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，這樣，變化電場和變化磁場之間相互依賴，相互激發(fā)，交替產(chǎn)生，并以一定速度由近及遠(yuǎn)地在空間傳播出去。這樣就產(chǎn)生了電磁波。一電磁波的產(chǎn)生與傳播

(1)電磁場能量幾乎分別集中于電容器和自感線圈內(nèi)，不利于電磁波的輻射，所以必需設(shè)計能讓能量輻射的電路。(2)電磁波在單位時間內(nèi)輻射功率與頻率的四次方成正比，而

LC電路頻率為很低，因而要對電路進(jìn)行改造。

我們知道，線圈L和電容C組成的電路可以產(chǎn)生電磁振蕩，電磁振蕩能夠發(fā)射電磁波。但由LC組成普通振蕩電路，有以下特點(diǎn)：1、電磁波的波源

實(shí)驗(yàn)表明，LC回路里產(chǎn)生的振蕩電流是按正弦規(guī)律變化的。1.振蕩電流:

這種電路產(chǎn)生的大小和方向做周期性變化的電流,叫振蕩電流.2.

能夠產(chǎn)生振蕩電流的電路叫振蕩電路.如圖

示是一種簡單的振蕩電路,稱LC振蕩電路.

說明:

由LC回路產(chǎn)生的振蕩電流也是一種交變電流,只是它的頻率比照明用交變電流的頻率高得多.3.

LC回路產(chǎn)生的振蕩電流按正弦規(guī)律變化.一、電磁振蕩的產(chǎn)生

（1）電磁振蕩：在振蕩電路里產(chǎn)生振蕩電流的過程中，電容器極板上的電荷，通過線圈的電流，以及跟電流和電荷相聯(lián)系的磁場和電場都發(fā)生周期性變化的現(xiàn)象，叫做電磁振蕩．

（2）機(jī)械振動和電磁振蕩有本質(zhì)的不同，但它們具有共同的變化規(guī)律．機(jī)械振動位移x（或加速度a）速度v勢能動能電磁振蕩帶電量q（或U、E）電流i（或B）電場能磁場能電容器具有充、放電作用線圈具有自感作用L－－－－++++C一個周期性變化放電充電充電放電ｑｉｑｉｑｉｑｉ++++----++++----q=Qmi=0q=Qmi=0q=0i=Imq=0i=Im第一類：電容器的電荷q、電壓u、電場E、

電場能E電、線圈的自感電動勢e自第二類：線圈的電流i、磁場B、磁場能E磁兩類量的變化規(guī)律相反.

即第一類增大時

第二類減小;第一類達(dá)最大時第二類為零.兩類量:(3)變化規(guī)律的圖象描述：qtot電場能oito磁場能toLC___+++LC_+電源 用電器用電器放電：電場能磁場能磁場能電場能充電：(1)兩個物理過程：放電過程:電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，q↓→i↑充電過程:磁場能轉(zhuǎn)化為電場能，q↑→i↓充電完畢狀態(tài):磁場能向電場能轉(zhuǎn)化完畢,電場能最大,磁場能最小.放電完畢狀態(tài):電場能向磁場能轉(zhuǎn)化完畢,磁場能最大,電場能最小.LC回路工作過程具有對稱性和周期性,可歸結(jié)為(2)兩個特殊狀態(tài)：3、電磁振蕩的特點(diǎn)：

2．阻尼振蕩：任何電磁振蕩電路中，總存在能量損耗，使振蕩電流的振幅逐漸減小，這種振蕩叫做阻尼振蕩，或叫做減幅振蕩．

（1）振蕩電路中的能量損耗有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能（產(chǎn)生焦耳熱），還有一部向外輻射出去而損失．（2）如果用振蕩器不斷地將電源的能量補(bǔ)充到振蕩電路中去，就可以保持等幅振蕩．1．無阻尼振蕩：在電磁振蕩中，如果沒有能量損失，振蕩電流的振幅保持不變，這種振蕩叫做無阻尼振蕩，也叫做等幅振蕩．1.無阻尼振蕩（理想）2.阻尼振蕩（實(shí)際）itoito二、阻尼振蕩和無阻尼振蕩三、電磁振蕩的周期和頻率1．周期和頻率：電磁振蕩完成一次周期性變化所需的時間叫做周期，一秒鐘內(nèi)完成周期變化的次數(shù)叫做頻率．

LC回路的周期和頻率：由回路本身的特性決定．這種由振蕩回路本身特性所決定的振蕩周期（或頻率）叫做振蕩電路的固有周期（或固有頻率），簡稱振蕩電路的周期（或頻率）．

2．在一個周期內(nèi)，振蕩電流的方向改變兩次；電場能（或磁場能）完成兩次周期性變化．大量實(shí)驗(yàn)表明：（1）電容增大時，周期變長（頻率變低）；（2）電感增大時，周期變長（頻率變低）；（3）電壓升高時，周期不變（頻率不變）．結(jié)果表明，LC回路的周期和頻率只與電容C和自感L有關(guān)，跟電容器的帶電多少和回路電流大小無關(guān)．3、LC回路的周期和頻率公式（1）式中各物理量T、L、C、f的單位分別是s、H、F、Hz．（2）適當(dāng)?shù)剡x擇電容器和線圈，可使振蕩電路物周期和頻率符合我們的需要．小結(jié)：LC振蕩電路中的振蕩電流按正弦規(guī)律變化，電路的狀態(tài)與相應(yīng)的物理量對應(yīng).電磁振蕩分阻尼振蕩和無阻尼振蕩．

LC振蕩電路中電磁振蕩的固有周期回路的周期

固有頻率

二、平面電磁波的特性1.電磁波是橫波xzy

偏振性，，分別在各自的平面方向上振動。

與

分別在相互垂直的平面內(nèi)振動，并與

構(gòu)成右手螺旋系。2.

同相位3.與

數(shù)值上成比例。真空中即光速，光是一種電磁波。4.電磁波在媒質(zhì)中傳播的速度

電磁波中的電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度都作周期性變化，在任意給定的位置，兩者的相位相同。

麥克斯韋當(dāng)初正是在此啟發(fā)下提出光是一種電磁波的假說。

電磁波中電場能量和磁場能量的總和叫做電磁波的能量，亦稱為輻射能。三電磁波的能量

輻射能：在電磁波傳播時，其中能量也隨之傳播。以電磁波的形式傳播出去的能量.

單位時間內(nèi)通過與傳播方向垂直的單位面積的能量，叫能流密度。平均能流密度就是波的強(qiáng)度：w——電磁場能量密度，u——電磁波波速電磁波的能流密度

1．能流密度輻射功率：單位時間內(nèi)輻射的能量

以振蕩偶極子為中心，r半徑為的球面上積分，并把所得的結(jié)果對時間取平均，則得振蕩偶極子的平均輻射功率為

（2）無線電中使用以上的頻率。2．輻射功率說明：（1）普通交流電V=50Hz，輻射能量可忽略；

由此可知振蕩偶極子的輻射功率與頻率的四次方成正比。

1．無線電波

無線電波主要用于廣播，電視和通信等。無線電波在空間的傳播主要有地波、天波和空間波三種不同的方式。

地波沿地球表面附近的空間傳播，這樣無線電波必須經(jīng)地面障礙物才能傳到較遠(yuǎn)的地方。長波和中波的波長較長，衍射本領(lǐng)較強(qiáng)，能繞過一些障礙物，因此可采用地波形式傳播。

天波是通過大氣外層的電離層對無線電波的反射來進(jìn)行傳播的。波長越長雖然越容易反射，但電離層對無線電波的吸收又隨波長增大而增加；而超短波、微波又易于穿透電離層而不被反射，因此天波最適宜于傳播短波。

空間波是沿直線在空間傳播無線電波，其傳播最遠(yuǎn)距離不超過視線距離。超短波和微波衍射能力差，又會穿透電離層，因此只能以空間波方式傳播，但距離有限。為了實(shí)現(xiàn)長距離傳播，可采用增高發(fā)射天線和接力通信（中繼站）等方法。各種無線電波的用途見表3.1所列，其中尤其值得一提的是微波的傳輸和應(yīng)用。微波頻率在之間，占據(jù)高頻無線電波很大一段，和數(shù)萬路電話?，F(xiàn)在人們?yōu)榱诉M(jìn)行遠(yuǎn)距離微波通信，常采用同軸電纜傳輸或光纖傳輸?shù)姆椒?。通信衛(wèi)星的出現(xiàn)，使微波通信能很方便地實(shí)現(xiàn)全球通信。今天，人們只需用一個直徑為的衛(wèi)星地面接收天線，就可以通過衛(wèi)星與世界各地交換信息了。至于利用微波與物質(zhì)的相互作用原理制成的微波爐等家用電器，早已進(jìn)入了普通的家庭之中。因此有非常廣泛的應(yīng)用。例如，僅利用其中厘米波段(頻率為)進(jìn)行通信，就可同時容納上百套電視節(jié)目2．紅外線

紅外線的波長在之間，其特點(diǎn)是熱效應(yīng)顯著，能透過濃霧或較厚的氣層，常用作加熱、遙測、遙感等。3．紫外線

紫外線的波長范圍為由于其波長比紫光更短，因此粒子性已比較明顯。紫外光子的能量足以破壞生物的細(xì)胞等物質(zhì)，因而具有消毒、殺菌、滅蟲等作用。長期或過強(qiáng)照射紫外線會損害人的免疫系統(tǒng)，也會抑制農(nóng)作物生長，損害海洋生物，破壞大自然的生物鏈。地球上的生物在太陽光的照射下之所以能安然無恙，要?dú)w功于能吸收陽光中相當(dāng)一部分紫外線的大氣中的臭氧層因此，保護(hù)臭氧層不受破壞是環(huán)保的一個重要課題。

紫外線還具有較強(qiáng)的熒光作用，一些物質(zhì)(如煤油、含氧化納的玻璃、含稀土元素的紙幣、人的牙齒、指甲、皮膚等)在紫外線的照射下，會發(fā)生微弱的可見光，這種現(xiàn)象叫熒光效應(yīng)。對在紫外線照射下物質(zhì)發(fā)生的光譜進(jìn)行分析，可以獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息，這就是紫外分析。4．X射線

X射線又叫倫琴射線，它的波長在之間，可通過高速電子束對金屬靶的轟擊而獲得，X射線具有很強(qiáng)的穿透能力，常用于工業(yè)探傷，晶體結(jié)構(gòu)分析和醫(yī)療檢查等許多方面。5.射線

射線的波長比X射線更短,其光子的能量比X射線更大，穿透能力更強(qiáng)，可用于金屬探險傷，物位測定等，是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有力武器。電磁波譜中各波段的劃分主要依照獲得它們的手段和探測它們的方法。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各波段都已沖破界限進(jìn)入鄰近波段的范圍，這就是前圖中各種電磁波相鄰波段互相重疊的緣故。電磁波是交變電磁場在空間的傳播，它是物質(zhì)運(yùn)動，能量傳遞的一種特殊形式.電磁輻射電磁波能量的傳遞過程（包括輻射、吸收、透射等現(xiàn)象）波粒二象性電磁輻射具有波動性和粒子（量子）性兩方面特征。波速波在單位時間內(nèi)傳播距離。電磁波在真空中的傳播速度為每秒3108米/秒（每秒30萬公里），通常用C表示。波長：是在同一波線上兩個相位差為2

的質(zhì)點(diǎn)之間的距離，即一個完整波的長度，以C表示周期：以任點(diǎn)開始，振動傳播一個波長所需的時間，以T表示。頻率：單位時間內(nèi)波動前進(jìn)過程中所包含的波數(shù)，以表示振幅：振動點(diǎn)離開平衡位置兩邊的最大位移。以A表示，也稱強(qiáng)度初相位：波形的時間提前或延后量以表示。電磁波疊加當(dāng)振動方向和振動頻率均不同的多列電磁波在空間相遇時，相遇點(diǎn)的復(fù)合振動等于各列波在該點(diǎn)的矢量和，而在其它位置各列波仍保持原有的特征（振動方向、頻率等保持不變），因此，波的傳播是獨(dú)立的.干涉兩列頻率、振動方向、相位都相同或相位差恒定的電磁波疊加時，某些部位振動永遠(yuǎn)加強(qiáng)，而另一些部位的振動永遠(yuǎn)減弱或完全抵消的現(xiàn)象，稱為電磁波的干涉衍射如果電磁波投射擊在一個它不能透過的有限大小的障礙物上，將會有一部分波從障礙物的邊界外通過，這部分波在超越障礙物時，會改變方向繞過其邊緣而達(dá)到障礙物后面的陰影區(qū)偏振通常電場強(qiáng)度在各方向（垂直于傳播方向的平面上）是相等的，若其總是固定在某個方向振動，則稱電磁波在該方向被極化（偏振）。依電場強(qiáng)度與入射面（通常是地表面）的關(guān)系為水平極化（H）和垂直極化（V），水平極化兩者相互垂直，垂直極化兩者互相平行

——一般可見近紅外波段稱偏振，微波波段稱極化。多普勒效應(yīng)當(dāng)一個頻率為f的電磁輻射源向著,或背著觀察者運(yùn)動時，則觀察者從這個源所接收到的輻射將具有另一個頻率f‘。如果輻射源向觀察者運(yùn)動，f‘大于f，如果背離觀察者運(yùn)動，則f‘小于f。色散當(dāng)進(jìn)入介質(zhì)時，不同波長的光波在同一介質(zhì)中的波速就有差異而分解。波粒二象性波動性－－主要表現(xiàn)為電磁波有干涉、衍射、偏振、散射等現(xiàn)象。粒子性－－電磁波實(shí)質(zhì)上是光子微粒流的有規(guī)律的運(yùn)動，主要表現(xiàn)為電磁輻射的光電效應(yīng)、光化學(xué)作用等現(xiàn)象。較短波長的電磁波主要表現(xiàn)出粒子性，波長越短，粒子性表現(xiàn)愈明顯；而長波電磁波則主要表現(xiàn)出波動性一、電磁波譜的概念電磁波譜將各種電磁波按其波長的（頻率）大小，依次排列成圖表，這個圖表就叫電磁波譜。電磁波是粒子（電子、原子、分子等）發(fā)生能級躍遷時產(chǎn)生的，到當(dāng)粒子從較高能級躍遷到較低能級時發(fā)射電磁波；反之，形成吸收電磁波。不同的粒子，發(fā)生不同的能級躍遷，產(chǎn)生不同能量，也就是不同波長的電磁波。四、電磁波譜760nm400nm

可見光

電磁波譜紅外線

紫外線

射線X射線長波無線電波頻率波長短波無線電波

電磁波的范圍很廣。為了便于比較，以便對各種電磁波有全面的了解，我們可以按照波長（或頻率）的大小，把它們依次排成波譜，稱為電磁波譜。

宇宙射線

射線X射線紫外線可見光紅外線微波毫米波厘米波分米波超短波短波中波長波無線電波電磁波譜真空中波長主要產(chǎn)生方式

由熾熱物體、氣體放電或其他光源激發(fā)分子或原子等微觀客體所產(chǎn)生的電磁輻射紅外線可見光紅橙黃綠青藍(lán)紫紫外線電磁波譜真空中波長主要產(chǎn)生方式

用高速電子流轟擊原子中內(nèi)層電子而產(chǎn)生的電磁輻射X射線γ射線由放射性原子衰變時發(fā)出的電磁輻射或用高能粒子與原子核碰撞所產(chǎn)生電磁輻射無線電波的波段分布（根據(jù)：波長/頻率）59各種電磁波的特點(diǎn)宇宙射線波長<10-8um，是來自宇宙天體具有很大能量和貫穿能力的電磁皮，人工還無法能產(chǎn)生。遙感上了未能用得上的波段。r—射線

10-8—10-6um,是能量很高的波段。航空物探放射性測量所記錄的就是由含放射性元素的礦物所輻射出來的射線。x—射線波長10-6—10-2um

，宇宙中來的—射線，被大氣層全部吸收，不能用于遙感工作。波長0.01—0.３８um

。波長小于0.28微米的紫外線；主要產(chǎn)生于內(nèi)層電子躍遷被臭氧層及其它成份吸收。只有波長0.28—0.38的紫外線，能部分穿地大氣層，但散射嚴(yán)重，只有部分投射到地面，并使感光材料所感應(yīng)，可作為遙感工作波段，稱為攝影紫外?，F(xiàn)已開始用于監(jiān)測氣體污染及水體的油污染。紫外線波長0.38—0.76um是人眼可見，可以用棱鏡分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種色光;在太陽輻射能中所占比例高；能透過大氣層；外層電子躍遷產(chǎn)生而地面物體對七色光多具有其特征的反射和吸收特性,故信息量最大；可以用攝影、掃描等各種方式成像，是遙感最常用的波段?？梢姽獠ǘ蔚倪b感技術(shù)最成熟，但仍然有很大潛力。當(dāng)前分辨能力最好的遙感資料，仍然是在可見光波段內(nèi)?？梢姽獠ㄩL0.77—1000(um)?？煞譃榻t外波段（0.76—3um），中紅外（3—6um），遠(yuǎn)紅外（6—15um），超遠(yuǎn)紅外（15—1000um）近紅外波段是地表層反射太陽的紅外輻射，故又稱反射紅外。其中靠近可見光紅光的0.76—1.3um波段可使膠片感光，故又稱攝影紅外。而中遠(yuǎn)紅外是地表物體發(fā)射的紅外線，反映物體的熱特征，故稱熱紅外。熱紅外只能用掃描方式，經(jīng)過光電信號的轉(zhuǎn)換才能成象。主要為分子光譜超遠(yuǎn)紅外，處于非大氣窗口（大氣屏障）紅外是一個很有發(fā)展?jié)摿Φ倪b感波段。紅外線波長1mm—1m。是一個很寬的波段。為毫米波（1—10毫米）、厘米波（1—10cm）和分米波（1—10分米）。微波的特點(diǎn)是能穿透云霧和一定厚度的植被、冰層和土壤，可獲得其它波段無法獲得的信息；具有全天候的工作能力；可以主動和被動方式成像；可利用相位信息，便于精確測距；因此在遙感技術(shù)上是很有潛力的一個波段。微波65微波波長范圍1mm到1m，可進(jìn)一步劃分為若干不同頻率(波長)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)微波能夠穿透云和霧，可用于全天候成像。問題：我們要傳遞的信號不是高頻振蕩電流，而是一些低頻信號（如：聲音信號頻率只有幾百至幾千赫茲，圖象信號頻率也不過上萬赫茲），它能把直接發(fā)射出去？

為了傳送聲音、文字、圖象等信號，首先要把傳遞的信號轉(zhuǎn)變成電信號。但這種電信號的頻率較低，不能直接發(fā)射出去，需要將這種低頻電信號加到高頻振蕩電流上發(fā)射出去。這種把低頻電信號加載到高頻振蕩電流（載波）上的過程叫做調(diào)制。常用的調(diào)制方式有調(diào)幅和調(diào)頻兩種：1、調(diào)幅：使電磁波的振幅隨信號改變，這種調(diào)制叫做調(diào)幅，用AM表示。振蕩電路聲音信號高頻振蕩電流調(diào)幅一、電磁波的發(fā)射2、調(diào)頻：使電磁波的頻率隨信號改變，這種調(diào)制方式叫做調(diào)頻。用FM表示。聲音信號高頻振蕩電流調(diào)頻一、電磁波的發(fā)射2.無線電波的傳播方式：長波短波微波微波中波

中短波超短波超短波長波:

波長較長，容易產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。

長波在地面?zhèn)鞑r能繞過障礙物

（大山、高大建筑物……）長波長波容易被電離層吸收；

短波容易被電離層反射；

微波容易穿過電離層。短波微波:頻率很高；

直線傳播。微波我們生活的空間布滿了強(qiáng)弱不同的電磁波,我們又如何選出自己所需的無線電波呢?二、無線電波的接收二、無線電波的接收

1.當(dāng)接收電路的固有頻率跟要接收的電磁波的頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)（這種現(xiàn)象叫做電諧振）二、無線電波的接收可變電容

調(diào)節(jié)接收電路的固有頻率使它與要接收的電磁波的頻率相同的過程叫做調(diào)諧能夠調(diào)諧的接收電路叫做調(diào)諧電路。二、電磁波的接收問題:調(diào)諧后接收到的感應(yīng)電流是調(diào)制的高頻振蕩電流，這樣我們就可以感知信號了嗎?二、無線電波的接收3.檢波：從接收到的高頻振蕩中“檢”出所攜帶的信號，叫做檢波，它是調(diào)制的逆過程，因此也叫解調(diào)。信號調(diào)制發(fā)射調(diào)諧電路輸出電磁波發(fā)射和接受流程圖電磁波的發(fā)射電磁波的接收高頻振蕩電流檢波（解調(diào)）傳播電磁波的發(fā)射、傳播和接收電磁輻射ElectromagneticRadiation

電磁輻射下頁上頁返回

電磁能量脫離電源以電磁波的形式在空間傳播，不再返回電源。產(chǎn)生輻射的原因：產(chǎn)生輻射的設(shè)備：輻射的主要參數(shù)：輻射場強(qiáng)，方向性和輻射功率。電磁場的變化和有限的傳播速度。天線（線天線和面天線）。一、電磁波的發(fā)射1.要有效發(fā)射電磁波，振蕩電路必須滿足兩個條件：⑴振蕩頻率足夠高⑵電場和磁場盡可能分布到較大的空間

為了使開放電路中產(chǎn)生振蕩電流，常用如圖所示的方法，使振蕩器的線圈L2靠近開放振蕩電路的線圈L1

。當(dāng)振蕩器中產(chǎn)生高頻振蕩電流時，由于互感作用，就可以在開放振蕩電路中產(chǎn)生相同頻率的振蕩電流，這種方法叫做感應(yīng)耦合。

振蕩偶極子類似一個正負(fù)電荷相對中心作諧振動的彈簧,可激發(fā)渦旋電場.電偶極矩:p=p0cost±

?

??⊕?⊕電源LCRLC振蕩器傳輸線偶極子天線電磁波發(fā)射無線電短波的電路示意圖提高振蕩電路的固有頻率并開放電磁場的措施是：

具體方式如圖所示。

②

減少線圈匝數(shù)并逐漸拉直，最后簡化成一根直線。①

縮小電容器極板面積；拉大電容器極板間距離。最后形成電偶極子，即發(fā)射電磁波的天線。這樣既能使電磁場分布到空間去，又增加了輻射功率。輻射功率電磁波的傳播電場電場電場振子電波傳輸方向磁場磁場一.無線通信組網(wǎng)中天線的作用把從導(dǎo)線上傳下來的電信號做為無線電波發(fā)射到空間…...收集無線電波并產(chǎn)生電信號

什么是天線?

將傳輸線中的高頻電磁能轉(zhuǎn)成為自由空間的電磁波，或反之將自由空間中的電磁波轉(zhuǎn)化為傳輸線中的高頻電磁能。因此，要了解天線的特性就必然需要了解自由空間中的電磁波及高頻傳輸線的一些相關(guān)的知識。天線的作用

導(dǎo)線載有交變電流時，就可以形成電磁波的輻射，輻射的能力與導(dǎo)線的長短和形狀有關(guān).如由于兩導(dǎo)線的距離很近，且兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢幾乎可以抵消，因而輻射很微弱。如果將兩導(dǎo)線張開，這時由于兩導(dǎo)線的電流方向相同，由兩導(dǎo)線所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相同，因而輻射較強(qiáng)。當(dāng)導(dǎo)線的長度L遠(yuǎn)小于波長時，導(dǎo)線的電流很小，輻射很微弱.

當(dāng)導(dǎo)線的長度增大到可與波長相比擬時，導(dǎo)線上的電流就大大增加，因而就能形成較強(qiáng)的輻射。通常將上述能產(chǎn)生顯著輻射的直導(dǎo)線稱為振子。

二.天線輻射電磁波的基本原理圖4.6.1

電偶極子天線形成的過程一、天線的形成

電偶極子的輻射下頁上頁返回+-振蕩電偶極子附近的電磁場線

某一瞬間E

線與H

線在空間的分布下頁上頁返回圖4.6.4

時單元偶

極子天線E線與H線分布圖4.6.5

動態(tài)描述單元偶極子天線輻射形成的過程

方向因子與波長有關(guān)，圖中給出四種天線長度

的E

平面方向圖。圖4.6.13

細(xì)線天線的E平面方向圖輻射場特點(diǎn)：下頁上頁返回球面波；有方向性。，其E

平面方向因子為

同軸線變化為天線

兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長。全長與波長相等的振子，稱為全波對稱振子。將振子折合起來的，稱為折合振子。1/2波長一個1/2波長的對稱振子

在

800MHz約200mm長

400MHz約400mm長1/4波長1/4波長1/2波長振子對稱振子波長三.天線的工作頻率范圍(帶寬)

無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍內(nèi)工作的，通常，工作在中心頻率時天線所能輸送的功率最大，偏離中心頻率時它所輸送的功率都將減小，據(jù)此可定義天線的頻率帶寬。有幾種不同的定義：一種是指天線增益下降三分貝時的頻帶寬度；一種是指在規(guī)定的駐波比下天線的工作頻帶寬度。在移動通信系統(tǒng)中是按后一種定義的，具體的說，就是當(dāng)天線的輸入駐波比≤1.5時，天線的工作帶寬。

半波振子上的場分布在820MHz1/2波長為~180mm,在890MHz為~170mm175mm對~850MHz將是最佳的該天線的頻帶寬度=890-820=70MHz當(dāng)天線的工作波長不是最佳時天線性能要下降在850MHz1/2波長振子最佳在890MHz天線振子在820MHz在天線工作頻帶內(nèi),天線性能下降不多,仍然是可以接受的。

可用式λ＝Ｖ/ｆ表示。式中，Ｖ為速度，單位為米/秒；ｆ為頻率，單位為赫茲；λ為波長，單位為米。由上述關(guān)系式不難看出，同一頻率的無線電波在不同的媒質(zhì)中傳播時，速度是不同的，因此波長也不一樣。我們通常使用的聚四氟乙烯型絕緣同軸射頻電纜其相對介電常數(shù)ε約為2.1，因此，Ｖε≈Ｃ/1.44，λε≈λ/1.44。波長無線電波的波長、頻率和傳播速度的關(guān)系

無線電波在空間傳播時，其電場方向是按一定的規(guī)律而變化的，這種現(xiàn)象稱為無線電波的極化。無線電波的電場方向稱為電波的極化方向。如果電波的電場方向垂直于地面，我們就稱它為垂直極化波。如果電波的電場方向與地面平行，則稱它為水平極化波。

２.無線電波的極化垂直極化水平極化+45度傾斜的極化

天線輻射的電磁場的電場方向就是天線的極化方向-45度傾斜的極化五.天線的極化

如果電波在傳播過程中電場的方向是旋轉(zhuǎn)的，就叫作橢圓極化波。旋轉(zhuǎn)過程中，如果電場的幅度，即大小保持不變，我們就叫它為圓極化波。向傳播方向看去順時針方向旋轉(zhuǎn)的叫右旋圓極化波，反時針方向旋轉(zhuǎn)的叫做左旋圓極化波。垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來接收；水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收；右旋圓極化波要用具有右旋圓極化特性的天線來接收；而左旋圓極化波要用具有左旋圓極化特性的天線來接收。當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生３分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量；

兩個天線為一個整體V/H(垂直/水平)傾斜(+/-45°)傳輸兩個獨(dú)立的波1.雙極化天線2.極化損失

當(dāng)來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，在接收過程中通常都要產(chǎn)生極化損失，例如：當(dāng)用圓極化天線接收任一線極化波，或用線極化天線接收任一圓極化波時，都要產(chǎn)生３分貝的極化損失，即只能接收到來波的一半能量；當(dāng)接收天線的極化方向（例如水平或右旋圓極化）與來波的極化方向（相應(yīng)為垂直或左旋圓極化）完全正交時，接收天線也就完全接收不到來波的能量，這時稱來波與接收天線極化是隔離的。

隔離代表饋送到一種極化的信號在另外一種極化中出現(xiàn)的比例

1000mW(即1W)1mW在這種情況下的隔離為10log(1000mW/1mW)=30dB3.(極化)隔離

天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對于接收天線而言，方向性表示天線對不同方向傳來的電波所具有的接收能力。天線的方向性的特性曲線通常用方向圖來表示.

方向圖可用來說明天線在空間各個方向上所具有的發(fā)射或接收電磁波的能力。

六.天線輻射的方向性頂視側(cè)視1.方向圖

在地平面上，為了把信號集中到所需要的地方，要求把“面包圈”壓成扁平的一個單一的對稱振子具有“面包圈”形的方向圖在這兒增益=10log(4mW/1mW)=6dBd一個對稱臺振子假設(shè)在接收機(jī)中有1mW功率在陣中有4個對稱振子

在接收機(jī)中就有4mW功率

更加集中的信號對稱振子組陣能夠控制輻射能構(gòu)成“扁平的面包圈”

在我們的“扇形覆蓋天線”中，反射面把功率聚焦到一個方向進(jìn)一步提高了增益。這里,“扇形覆蓋天線”與單個對稱振子相比的增益為10log(8mW/1mW)=9dBd“扇形覆蓋天線”

將在接收機(jī)中有8mW功率

“全向陣”

例如在接收機(jī)中為4mW功率

(頂視)天線2.形成定向輻射的原理

反射面放在陣列的一邊構(gòu)成扇形覆蓋天線3.前后比

方向圖中，前后瓣最大電平之比稱為前后比。它大，天線定向接收性能就好?；景氩ㄕ褡犹炀€的前后比為１，所以對來自振子前后的相同信號電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

典型值為25dB左右目的是有一個盡可能小的反向功率(前向功率)(反向功率)4.波束寬度方位即水平面方向圖120°(eg)峰值-10dB點(diǎn)-10dB點(diǎn)10dB波束寬度60°(eg)峰值-3dB點(diǎn)-3dB點(diǎn)3dB波束寬度15°(eg)PeakPeak-3dBPeak-3dB32°(eg)PeakPeak-10dBPeak-10dB俯仰面即垂直面方向圖

在方向圖中通常都有兩個瓣或多個瓣，其中最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣。主瓣兩半功率點(diǎn)間的夾角定義為天線方向圖的波瓣寬度。稱為半功率（角）瓣寬。主瓣瓣寬越窄，則方向性越好，抗干擾能力越強(qiáng)。方向圖旁瓣顯示上旁瓣抑制下旁瓣抑制增益是指在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的場強(qiáng)的平方之比，即功率之比。增益一般與天線方向圖有關(guān)，方向圖主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高。七.天線的增益1.增益的定義

全向天線增益與垂直波瓣寬度

9dBd全向天線

板狀天線增益與水平波瓣寬度90

180

360

半功率波瓣寬度半波振子帶反射板的半波振子帶反射板的兩個半波振子以半波振子為參考的增益0dBd3dBd6dBd理論輻射圖一個單一對稱振子具有面包圈形的方向圖輻射

一個各向同性的輻射器在所有方向具有相同的輻射一個天線與對稱振子相比較的增益用“dBd”表示一個天線與各向同性輻射器相比較的增益用“dBi”表示例如:3dBd=5.17dBi2.dBd

和dBi的區(qū)別2.17dB對稱振子的增益為2.17dB3.天線增益與方向圖的關(guān)系

一般說來，天線的主瓣波束寬度越窄，天線增益越高。當(dāng)旁瓣電平及前后比正常的情況下，可用下式近似表示反射面天線，則由于有效照射效率因素的影響，故

連接天線和發(fā)射（或接收）機(jī)輸出（或輸入）端的導(dǎo)線稱為傳輸線或饋線。傳輸線的主要任務(wù)是有效地傳輸信號能量。因此它應(yīng)能將天線接收的信號以最小的損耗傳送到接收機(jī)輸入端，或?qū)l(fā)射機(jī)發(fā)出的信號以最小的損耗傳送到發(fā)射天線的輸入端，同時它本身不應(yīng)拾取或產(chǎn)生雜散干擾信號。這樣，就要求傳輸線必須屏蔽或平衡。當(dāng)傳輸線的幾何長度等于或大于所傳送信號的波長時就叫做長傳輸線，簡稱長線。

1.天線的輸入阻抗

天線和饋線的連接端，即饋電點(diǎn)兩端感應(yīng)的信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗有電阻分量和電抗分量。輸入阻抗的電抗分量會減少從天線進(jìn)入饋線的有效信號功率。因此，必須使電抗分量盡可能為零，使天線的輸入阻抗為純電阻。輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)和工作波長有關(guān)，基本半波振子，即由中間對稱饋電的半波長導(dǎo)線，其輸入阻抗為（73.1＋ｊ42.5）歐姆。當(dāng)把振子長度縮短３％～５％時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，即使半波振子的輸入阻抗為73.1歐（標(biāo)稱75歐）。2.傳輸線的特性阻抗

無限長傳輸線上各點(diǎn)電壓與電流的比值等于特性阻抗，用符號Ｚ。表示。同軸電纜的特性阻抗Ｚ。＝〔138/√εr〕×log(D/d)歐姆。通常Ｚ。=50歐姆/或75歐姆

式中，D為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑；

d為其芯線外徑；

εr為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。由上式不難看出，饋線特性阻抗與導(dǎo)體直徑、導(dǎo)體間距和導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負(fù)載阻抗大小無關(guān)。

當(dāng)饋線和天線匹配時，高頻能量全部被負(fù)載吸收，饋線上只有入射波，沒有反射波。饋線上傳輸?shù)氖切胁?，饋線上各處的電壓幅度相等，饋線上任意一點(diǎn)的阻抗都等于它的特性阻抗。

而當(dāng)天線和饋線不匹配時，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時，負(fù)載就不能全部將饋線上傳輸?shù)母哳l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來形成反射波。

9.5W80

ohms50ohms