《電磁波發(fā)射接收》課件

電磁波發(fā)射接收電磁波發(fā)射接收是無線通信的關鍵技術。了解電磁波的發(fā)射和接收原理，是理解無線通信系統(tǒng)工作機制的關鍵。什么是電磁波定義電磁波是一種由電場和磁場相互垂直振蕩形成的波，可以在真空中傳播。傳播特點電磁波以光速在真空中傳播，不需要介質，且能穿透某些物質。應用領域電磁波在無線通信、雷達、醫(yī)療、廣播、電視等方面都有廣泛應用。電磁波的特性橫波特性電場和磁場振動方向垂直于傳播方向，形成橫波。光速傳播真空中的傳播速度為光速，約為每秒30萬公里。能量輻射電磁波攜帶能量，可以穿透物質，并在傳播過程中衰減。干涉與衍射電磁波可以發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象，表現(xiàn)出波動性。電磁波的種類11.射頻電磁波射頻電磁波通常用于廣播、通信、雷達等領域，其頻率范圍從幾十千赫茲到幾百吉赫茲。22.微波微波具有較高的頻率，通常應用于衛(wèi)星通信、微波爐、雷達等，其頻率范圍從300MHz到300GHz。33.紅外線紅外線位于可見光譜的紅色端，主要用于熱成像、遙感、光學通信等領域。44.可見光可見光是我們肉眼能夠感知到的電磁波，其波長范圍從380納米到780納米。55.紫外線紫外線位于可見光譜的紫色端，對人體有傷害，但也具有殺菌、消毒等用途。66.X射線X射線穿透力強，用于醫(yī)學影像診斷、工業(yè)探傷等領域。77.γ射線γ射線是能量最高的電磁波，具有很強的穿透力，可用于放射治療、核物理研究等領域。波長與頻率的關系c光速電磁波在真空中的傳播速度λ波長相鄰兩個波峰或波谷之間的距離f頻率電磁波每秒振動的次數(shù)波長和頻率成反比，即波長越長，頻率越低；波長越短，頻率越高。公式：c=λf，其中c代表光速，λ代表波長，f代表頻率。電磁波的發(fā)射原理1振蕩電路利用振蕩電路產生高頻的交變電流，從而產生變化的電磁場。2天線輻射振蕩電流通過天線，使天線周圍的電磁場發(fā)生變化，形成電磁波向空間傳播。3天線類型不同的天線類型對應不同的輻射特性，例如偶極天線、環(huán)形天線等。振蕩電路的組成電容器電容器是振蕩電路中必不可少的元件，其儲能特性在電路中起著至關重要的作用。電感器電感器是振蕩電路中的另一個重要元件，其儲能特性在電路中起著至關重要的作用。晶體管晶體管在振蕩電路中充當放大器，放大振蕩信號，從而形成穩(wěn)定的振蕩。電阻器電阻器在振蕩電路中充當控制振蕩信號的幅度和頻率的重要元件。振蕩原理與振蕩條件1能量反饋能量反饋是維持振蕩的關鍵2正反饋放大信號，保持振蕩3相位條件反饋信號相位與輸入信號相位一致4頻率條件反饋信號頻率與輸入信號頻率一致振蕩電路需要滿足特定條件才能持續(xù)振蕩。能量反饋是維持振蕩的關鍵，它通過正反饋機制放大信號，同時確保反饋信號的相位和頻率與輸入信號一致，從而形成持續(xù)的振蕩。馬可尼發(fā)射機原理振蕩電路馬可尼發(fā)射機使用振蕩電路產生高頻交流電，作為電磁波的能量來源。天線振蕩電路產生的高頻電流通過天線，在空間產生電磁波。發(fā)射過程天線中的高頻電流變化會產生交變的電磁場，電磁場以光速向外傳播，形成電磁波。偶極天線的工作原理1電磁波發(fā)射電流在天線中振蕩2電磁場產生振蕩電流產生變化磁場3電磁波輻射變化磁場激發(fā)電磁波4空間傳播電磁波以光速傳播偶極天線由兩根長度相等的導線構成，兩端分別連接電源。當電源通電時，電流在導線中振蕩，產生變化的磁場。根據(jù)電磁感應原理，變化的磁場會激發(fā)電場，進而形成電磁波。不同天線類型的特點偶極天線結構簡單，造價低廉，易于制造，廣泛應用于廣播、電視等領域。單極天線與偶極天線相比，尺寸更小，但其輻射方向性更強，常用于移動通信、衛(wèi)星通信等。環(huán)形天線輻射方向性好，尺寸小巧，常用于移動通信、衛(wèi)星通信等。螺旋天線具有較寬的帶寬和較高的增益，常用于無線通信、雷達等領域。天線的增益與指向性增益指向性天線接收或發(fā)射信號的效率天線輻射或接收電磁波的方向性高增益天線，信號更強指向性強的天線，能量集中在特定方向常用單位：分貝（dB）常用指標：半功率波束寬度電磁波在自由空間的傳播1直線傳播電磁波在自由空間中以直線形式傳播，不受阻礙，速度接近光速。2能量衰減隨著距離的增加，電磁波的能量逐漸衰減，因為能量分散在更大的空間范圍內。3不受介質影響在自由空間中，電磁波的傳播不受空氣、水或其他介質的影響，可以自由地傳播到遙遠的地方。電磁波在介質中的傳播介質的影響介質對電磁波的傳播速度和方向會產生影響。介質的介電常數(shù)和磁導率決定了電磁波在介質中的傳播速度。折射現(xiàn)象電磁波從一種介質進入另一種介質時，會發(fā)生折射，傳播方向發(fā)生改變，且傳播速度也會改變。吸收與衰減介質會吸收電磁波的能量，導致電磁波的強度隨著傳播距離的增加而衰減。不同的介質對不同頻率的電磁波吸收率不同。散射現(xiàn)象電磁波在介質中傳播時，會遇到介質中的微粒，發(fā)生散射，導致傳播方向發(fā)生改變。散射的程度與微粒的大小和電磁波的頻率有關。電磁波的衍射與折射衍射現(xiàn)象當電磁波遇到障礙物或孔隙時，會偏離直線傳播路徑，繞過障礙物或孔隙繼續(xù)傳播?；莞乖硌苌洮F(xiàn)象可以用惠更斯原理來解釋，即波前的每一點都可以看作是新的波源。折射現(xiàn)象電磁波從一種介質進入另一種介質時，傳播方向會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為折射。折射率折射現(xiàn)象的程度由兩種介質的折射率決定。電磁波的反射與吸收反射電磁波遇到不同介質時，會發(fā)生反射現(xiàn)象，部分能量被反射回去。反射系數(shù)反射系數(shù)表示反射波能量與入射波能量的比值，取決于介質的特性。吸收電磁波在介質中傳播時，能量會被吸收，導致信號強度衰減。吸收系數(shù)吸收系數(shù)表示電磁波在介質中傳播單位距離內能量衰減的程度。電磁波的干涉與衍射干涉當兩列或多列電磁波相遇時，它們會相互疊加，產生干涉現(xiàn)象。干涉可以是相長干涉，也可以是相消干涉，這取決于波的相位關系。干涉現(xiàn)象可以用于測量電磁波的波長、頻率等參數(shù)，也可以用于制作一些光學器件，例如干涉儀。衍射當電磁波遇到障礙物或孔隙時，它會繞過障礙物或孔隙繼續(xù)傳播，產生衍射現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象表明電磁波具有波動性，它會導致波的傳播方向發(fā)生改變。衍射現(xiàn)象可以用于制作一些光學器件，例如衍射光柵，也可以用于解釋一些自然現(xiàn)象，例如彩虹。電磁波在大氣中的傳播特點大氣層影響大氣層會吸收、反射和散射電磁波，導致信號衰減和信號路徑變化。天氣狀況雨雪、霧霾等天氣會對電磁波傳播造成很大影響，導致信號強度下降。地形地貌山脈、河流、建筑物等地形地貌也會影響電磁波傳播路徑，導致信號衰減和信號畸變。電磁波在電離層中的傳播電離層反射電離層中的自由電子會反射某些頻率的無線電波，使信號能夠傳播更遠距離。電離層吸收電離層也會吸收某些頻率的無線電波，導致信號衰減。電離層折射電離層會使無線電波發(fā)生折射，改變其傳播方向。極光影響極光現(xiàn)象也會影響電磁波在電離層中的傳播?？臻g衛(wèi)星通信的電磁波傳播衛(wèi)星天線衛(wèi)星天線接收地面站發(fā)射的信號，并將其轉發(fā)到目標衛(wèi)星，實現(xiàn)通信。信號傳播路徑電磁波信號從地面站發(fā)射，經過大氣層傳播到衛(wèi)星，再從衛(wèi)星轉發(fā)到地面接收站。中繼站中繼站可以增強信號強度，延長通信距離，提高通信可靠性。電磁波接收機的結構天線天線用于接收電磁波信號，并將其轉換為電信號。前置放大器放大接收到的微弱電信號，以提高信號強度。中頻放大器對放大后的信號進行進一步放大和濾波，以去除噪聲。解調器將中頻信號還原為原始的音頻或視頻信號。接收機的超外差結構1輸入接收天線接收的信號2高頻放大放大信號的幅度和頻率3混頻將接收信號與本機振蕩信號混合4中頻放大放大中頻信號超外差接收機將接收的信號頻率轉換為固定的中頻信號進行處理，提高了接收機的靈敏度和選擇性。超外差結構是現(xiàn)代無線電接收機普遍采用的架構。接收信號的解調與檢波接收機通過天線接收到的信號一般是高頻信號，為了提取出信號中包含的信息，需要進行解調和檢波。1解調將高頻載波信號轉換為低頻信號2檢波將低頻信號轉換為音頻信號3音頻信號處理對音頻信號進行放大和濾波解調是將高頻載波信號轉換為低頻信號的過程，常用的解調方法有調幅解調和調頻解調。檢波則是將低頻信號轉換為音頻信號，以便于人類能夠聽到。接收信號的放大與濾波接收到的信號通常非常微弱，需要進行放大才能進行后續(xù)處理。同時，信號中可能存在干擾信號，需要使用濾波器來濾除干擾，保留有用信號。1放大使用放大器提高信號強度2濾波使用濾波器去除干擾信號3信號處理為后續(xù)處理準備信號信號調制與解調技術調制將信息信號轉換成適合在信道中傳輸?shù)男盘柕倪^程。調制將信息信號疊加到載波上，使載波的某個參數(shù)隨信息信號變化。常用的調制方式包括幅度調制（AM）、頻率調制（FM）和相位調制（PM）。解調在接收端將調制信號還原為原始信息信號的過程。解調是調制的逆過程，通過對載波進行處理，提取出信息信號。解調技術的選擇取決于調制方式，并與接收機性能密切相關。數(shù)字調制技術頻移鍵控(FSK)通過改變載波頻率來表示數(shù)字信號，可用于無線通信和數(shù)據(jù)傳輸。相移鍵控(PSK)通過改變載波相位來表示數(shù)字信號，擁有較高的頻譜利用率。幅移鍵控(ASK)通過改變載波幅度來表示數(shù)字信號，適合短距離通信和數(shù)據(jù)傳輸。正交幅度調制(QAM)結合了幅度調制和相位調制，可在有限帶寬內傳輸更多數(shù)據(jù)。信號編碼與解碼技術11.數(shù)字編碼將模擬信號轉換為數(shù)字信號，例如，脈沖編碼調制(PCM)。22.糾錯編碼在數(shù)字信號中添加冗余信息，以檢測和糾正傳輸過程中的錯誤。33.調制編碼將數(shù)字信號調制到載波信號上，以便通過無線或有線信道傳輸。44.解碼接收方將編碼后的信號還原為原始信號。電磁兼容性問題干擾電磁干擾是電磁兼容性問題中最常見的問題，可能會導致設備性能下降，甚至出現(xiàn)故障。輻射電子設備會輻射電磁波，過高的輻射可能會對人體健康造成負面影響，因此需要進行有效的輻射防護。電磁輻射防護標準安全標準電磁輻射會影響人體健康，因此制定了嚴格的防護標準。這些標準規(guī)定了電磁輻射的限值，以及相應的防護措施。主要標準國際上常用的電磁輻射防護標準包括：ICNIRP指南、IEEE標準等。這些標準根據(jù)頻率、暴露時間和暴露部位等因素設定安全限值。重要性嚴格執(zhí)行電磁輻射防護標準，可以有效降低電磁輻射對人體的危害，確保人們的健康安全。措施常見的電磁輻射防護措施包括：保持距離、使用屏蔽材料、合理使用電器等。