第八章 无线电及监测基础知识.docx

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第八章无线电及监测基础知识

第八章无线电及监测基础知识

第一节高频正弦交流电及其三要素

高频正弦交流电如图1：

　　　　　　　　　　　　图1

它的数学表达式为：

u＝UmSin（2πft＋Ψ0）

其中：

（1）Um：

为振幅最大值

（2）f：

为频率（周期T）

（3）Ψ0：

为初始相位

频率：

1秒钟内电压（或电流）最大值重复出现的次数叫频率.单位为1／秒也叫赫兹Hz。

周期：

两相邻电压最大值之间的时间间隔叫周期，单位为秒。

周期与频率互为倒数，T＝1／f，f＝1／T。

第二节电生磁，磁生电

1．电生磁：

通电导线周围存在磁场，电流愈大，磁场愈强，吸力愈大.（如：

电磁吸铁石，电磁吊车）

2．磁生电：

导线切割磁力线产生电动势（或电流），磁场越大，切割速度愈大，产生的电动势也就越大.（如：

发电机）

3．高频交变的电场、磁场是可以相互感应产生的，即高频交变电场可以感应出高频交变磁场，高频交变磁场也可以感应出高频交变电场。

第三节半波振子天线和高频电磁波的产生

1．半波振子上的场强分布：

（如下图）

如图2：

当高频交流电

　　图2

u＝UmSin（2πft＋Ψ0），加到半波振子天线上时，就会从天线上发出高频交变电磁场（即电磁波）。

理论和实践证明，其场强分布为驻波分布（图二中虚线所示）

对于半波振子天线，两端始终是驻波的节点（振幅始终为0），而中间始终是腹点（振幅始终为最大值）。

2．电磁波产生过程：

　　图3（a）图3（b）

如图3（a）、（b），当t＝0时，高频电流为0，半波振子天线上的场强也为0，当t＝t1时电流增加，天线上场强也增加为E’，当t＝t2时高频交流电最大，天线上场强也最大为Em，当t＝t3时电流减小，电场也减小，电流小到0，电场也小到0，电流小到负值，电场也为负值，电流负最大，电场也负最大，电流从负最大增加到0，电场也从负最大增加到0，就这样，高频交流电变化一周，电场也变化一周，如果高频交流电为150MHz，即每秒变化1.5亿次，则电场也在半波振子两边变化1.5亿次／秒，这个垂直面上的高频变化的电场在水平面上就会感应出高频变化的磁场→再交变成高频电场→再交变成高频磁场→……

上面是一个形象的比喻，有利于理解和记忆。

实际上是天线附近的高频交变电磁场的变化感应四周的介质也产生相应的高频电磁场，就这样像水波一样的向四周传开。

3．为什么半波振子天线发射效率最高呢?

图4（a）图4（b）

因为半波振子天线上场强分布如图2：

当高频电流正半周时，场强也正好是正半周，当高频电流负半周时，场强也正好是负半周，就像是共振（谐振）一样，这样感应出来的场强正好是一个正弦波，反之若天线长度大于或小于半个波长，则场强与高频电流就不可能正负半周同步共振，L≠λ／2时，场强分布图如图4（a）、（b），由图可见，高频电流在天线上产生的电场将不再是高频正弦电磁波，而是一个高频的非正弦的周期波形，这个波形将被分解成直流分量、基波、二次波、三次波……，显然这时天线的发射效率是很低的。

举一个极端的例子，如果L＜＜λ，此时天线长度L很小，波长λ很大，天线L上场强分布近似是一直线，这就不可能产生交变电磁场。

当然，如果天线做成全波、3／2次波……即L＝λ、3／2λ、2λ、5／2λ……等半波长的整数倍时，天线发射的也都是周期正弦波，不会产生其他谐波，但是它们的体积和所用材料就增加了，所以他们也没有半波振子发射效率高。

实际使用的天线基本都是半波振子天线或由多个半波振子并联组成的天线阵，天线阵可以得到所需要的天线方向图。

第四节电磁波

1．在空中以一定速度传播的交变电磁场叫做电磁波

2．电磁波的三要素

电磁波的场强表达式为：

e＝EmSin（2πft＋Ψ0）

其波形图如图5

e为瞬时值Em为最大值f为频率t为时间Ψ0为初始相位

可见它的三要素同正弦交流电。

3．电磁波的两重性：

（a）时间性：

即某点电场强度随时间变化的波形。

见电磁波的三要素和图5。

图5

（b）空间性：

即同一时间在传播方向上空间不同点的场强分布。

电磁波在空间传播时，某一瞬间在传播方向上不同点的电场大小也是一个正弦分布，其表达式为：

e＝EmSin（2πS／λ＋Ψ0）

e为传播方向上各点的场强、Em为最大值、f为频率、S为距离、C为光速、Ψ为初始相位

其分布图为图6

图6

电磁波的三要素与正弦波相似，不同处在于它是某瞬间的空间分布，与时间无关，不存在周期，图6中两相邻峰值之间的距离叫波长。

（c）波长的换算：

c3×118（米／秒）

C＝f·λ，λ（米）＝——＝—————————

ff（Hz）

c300

λ（米）＝——＝—————————米波换算公式

ff（MHz）

　　　　　　c0.3

λ（米）＝——＝—————————微波换算公式

ff（GHz）

c3

λ（dm）＝——＝—————————分米波换算公式

ff（GHz）

　　　　　c30

λ（cm）＝——＝—————————厘米波换算公式

ff（GHz）

c300

λ（mm）＝——＝—————————毫米波换算公式

ff（GHz）

第五节电磁波的功率密度矢量（波印亭矢量）和空中电磁波的欧姆定律

1.功率密度矢量：

我们知道，电场矢量E和磁场矢量H，都是有方向的量

图7

而功率密度矢量S＝E×H（见图7），其方向由右手定则决定，即右手四指先抓碰电场矢量，再抓碰磁场矢量，此时伸开的大拇指方向就是电波传播（即功率密度矢量）的方向。

其标量大小：

S＝｜E×H｜＝E·H

2．空中电磁波的欧姆定律：

公式为：

Z0＝E／H叫空间电波的欧姆定律。

由上式可得S＝E·H＝H2·Z0＝E2／Z0Z0叫空间波阻抗

μ0

Z0＝{——}=120π＝377Ω

ε0

式中：

μ0＝4π×10-7亨利／米，叫真空导磁率。

1

ε0＝———×10-9法拉／米叫真空介电系数。

36π

本文“{}”为根号，矢量E、H字母上方应有→,以下同，请予注意!

——编者注

第六节电磁波的极化

1.极化对通讯和监测的影响

我们知道，要想通讯效果好，收发天线的极化必须一致，即发射天线垂直极化时，接收天线也要垂直极化；发射天线水平极化时，接收天线也要水平极化。

如果收、发天线的极化不一致，通讯效果将很差（相差100倍以上），同样，监测的接收天线也必须同发射的天线极化一致，才能进行有效的监测。

2．极化的分类：

如图8

其中：

线极化由线天线产生，圆（椭圆）极化由螺旋天线产生。

而我们无线电监测中常用的是线极化。

线极化又分垂直极化和水平极化。

电场矢量E垂直于地面的电磁波叫垂直极化波。

电场矢量E平行于地面的电磁波叫水平极化波。

3.极化的判断：

根据天线来判断。

半波振子垂直放，产生垂直极化波；半波振子水平放，产生水平极化波。

图8

对微波馈源天线，小激励天线在波导喇叭里面，从外面看不见。

可用波导外观来判断。

因为波导短边方向与电场方向是一致的。

即波导短边垂直于地面是垂直极化，而波导短边平行于地面是水平极化。

第七节无线电波

1．什么是无线电波：

频率在3000GHz以下，在空中传播的电磁波叫无线电波。

无线电频率从几十KHz到3000GHz频率范围的总称叫频谱。

而其中某一小段可叫某一段的频谱。

例如150MHz频段，从137～174MHz。

频谱是总称（或是一段频率范围），频率是频谱中某一具体频点。

2．无线电波波段划分表

频率序号

频率范围

（只含上限频率而不含下限频率）

相应的米制波段划会

4

5

6

7

8

9

10

11

12

3～30KHz

30～300KHz

300～3000KHz

3～30MHz

30～300MHz

300～3000MHz

3～30GHz

30～300GHz

300～3000GHz

超长波

千米波

百米波

十米波

米波

分米波

厘米波

毫米波

亚毫米波

3．无线电波的传播方式：

直线传播、反射传播和绕射传播。

电波的频率越高，传播距离越短，反射能力越强，绕射能力越低。

第八节无线电通讯收发方框图

1．无线电通讯发射方框图，如图9；方框波形图如图10

图9图10

图中高频振荡器产生的高频振荡信号（图10.a）与低频信息信号（图10.b），在调制器中调制（调幅、调频、调相）后，得到一个被调制的高频信号（图10.c），再经功率放大后，送到天线发射出去。

以上是一个简述的发射过程。

（A）图10是一个调幅波的产生过程，它的载波（图10.a）幅度受到低频信号（图10.b）的控制，产生了幅度随低频信号变化的高频信号（图10.c）。

图11

（B）图11是一个调频波的产生过程，它的载波（图11.b）频率受到低频信号（图11.a）的控制，产生了频率随低频信号变化的高频信号（疏密波图11.c）。

（C）调相波实际上是一种变相的调频波，因为相位变化一周（360度）频率变化1Hz。

2．为什么要调制呢?

直接把声音、音乐、各种信息信号进行功率放大，送给天线发射出去，这样行不行呢?

答：

这样是不行的。

因为低频信号的波长很长，例如一个15KHz的音乐信号，它的波长是20Km，半波就是10Km，10Km长的半波振子天线是很难做出来的。

同时发射机功放中的λ/4谐振腔体和接收机谐振电路中的电感L和电容C也都将很大，也是很难做出来的。

3.无线电通讯接收方框图（如图12）

图12

天线收到信号后，与本振信号差频为中频信号，经放大后送去解调（检波、鉴频、鉴相），解调出的低频信息信号送到音频（视频）系统供人们听（看）。

图13

解调是调制的反过程，对调幅信号用检波器还原出低频信息信号；对调频波用鉴频器还原出低频信息信号，而对调相波用鉴相器还原出低频信息信号。

图13是一个调幅信号解调过程的波形图。

第九节分贝（dB）和贝尔

1．分贝（或dB）是电子学中广泛用来表示两个功率（或电压、电流）之比的对数单位。

设两个功率之比为Kp，则这两个功率之比Kp的对数单位表示为：

且Kp（dB）＝10lgKp；

若Kp＝2，则Kp（dB）＝10lg2＝3dB；

若Kp＝10，则Kp（dB）＝10lg10＝10dB；

若Kp＝1000，则Kp（dB）＝10lg1000＝30dB。

设两个电压（或电流）之比为K，则这两个电压（或电流）之比的对数单位表示为K（dB）＝20lgK

若K＝2则K（dB）＝20lg2＝6dB；

若K＝10则K（dB）＝20lg10＝20dB；

若K＝1000则K（dB）＝20lg1000＝60dB；

2．那么1分贝表示什么意思呢?

功率1dB就是：

10lgKp＝1，lgKp＝0.1，Kp＝100.1≈1.26

电压1dB就是：

20lgK＝1，lgK＝0.05，K＝100.05≈1.12

∴1分贝表示功率比为1.26倍。

或表示电压比为1.12倍。

1贝尔＝10dB，它表示10倍的功率比或表示3.16倍的电压（或电流）比。

3．为什么功率比是10lgKp，而电流比却是20lgK呢?

P出U2出／RU2出

因为功率比Kp＝——＝—————＝————＝K2

P入U2入／RU2入

所以Kp（dB）＝10lgKp＝10lgK2＝20lgK

第十节四端网络的增益G（或衰减L）

如图：

设一个匹配四端网络功率放大倍数为Kp，电压放大倍数为K，则Kp＝K2，若K＝10，则Kp＝100。

把它们用分贝表示得：

K（dB）＝20lg10＝20dB

Kp（dB）＝10lg100＝20dB

由上可见，对匹配的有源四端网络而言，Kp和K用对数单位表示，它们总是相等的，我们把它叫做四端网络的增益用G表示。

其对数单位为：

G（dB）＝20lgK＝10lgKp。

同理，对无源四端网络增益G（dB）是个负值，它表示衰减，

若用L（dB）来表示衰减，则L（dB）＝－G（dB）。

例：

一截电缆，信号通过后电压降低一半，则K＝（1／2）,Kp＝K2＝（1／4），

G（dB）＝20lg（1／2）＝10lg（1／4）＝－6dB

L（dB）＝－G（dB）＝6dB

第十一节用dBw，dBm，dBv，dBmv，dBμv，来表示功率和电压的大小

1．dBw是以1W功率为基准，用对数单位来表示功率PA的大小。

也就是表示功率PA是1W的多少倍，A（dBw）＝10lg（PA／1W）

若PA＝1W，A（dBw）＝10lg1＝0dBw，即0dBw表示功率为1W。

2.dBm是以1mW功率为基准，用对数单位来表示功率PA的大小。

也就是表示功率PA是1mW的多少倍，

A1（dBm）＝10lg（PA／1mW），同样0dBm表示功率为1mW

1W功率是0dBw，那么用dBm来表示是多少呢?

10lg（1W／1mW）＝10lg（1000mW/1mW）＝30dBm。

也就是说，0dBw＝30dBm均表示功率为1W。

若功率P（w）用dBw表示为：

A（dBw）＝10lg［P（w）／1W］＝10lgP，则此功率用A1（dBm）表示应为：

A1（dBm）＝10lg（P×1000／1）＝10lgP＋10lg1000＝A（dBw）＋30

3.dBv，dBmv,dBμv是分别以1v，1mv，1μv为基准，用对数单位来表示电压的大小。

即表示它们分别是1v，1mv，1μv的多少倍。

A（dBv）＝20lg（UA／1v），A1（dBmv）＝20lg（UA／1mv）

A2（dBμv）＝20lg（UA／1μv）。

同理：

0dBv表示1v电压，0dBmv表示1mv电压，

0dBμv表示1μv电压。

0dBv＝60dBmv＝120dBμv

4.dBc是用对数表示的主信号功率和其他功率（如杂散、零道等）的比值。

例：

如果主发信号是邻道功率的1000万倍，则

A（dBc）＝10lg（PC／P邻）＝70dBc

第十二节负载R两端电压，U（dBμv）与其功率P（dBm）的换算

（欧姆定律的变形公式）

∵P＝U2／R，若功率P以mw为单位，电压U以μv为单位，

当R＝50Ω时，Pmw×10-3＝（Uμv×10-6）2／50，

用对数表示得：

P（dBm）-30＝U（dBμv）-120-10lg50

P（dBm）＝U（dBμv）-107

U（dBμv）＝P（dBm）+107

而当R＝75Ω时

P（dBm）＝U（dBμv）-90-10lg75＝U（dBμv）-108.75

U（dBμv）＝P（dBm）+108.75

实际上公式U（dBμv）＝P（dBm）+107是欧姆定律U＝I·R的变形公式，这时电压U的单位不是伏特，而是dBμv，功率的单位也不是瓦特，而是dBm。

第十三节噪声系数和灵敏度

噪声系数和灵敏度都是衡量接收机对微弱信号接收能力的两种表示方法，它们是可以相互换算的。

1.定义

（1）噪声系数Nf是指接收机输出端测得的噪声功率与把信号源内阻作为系统中唯一的噪声源而在输出端产生的热噪声功率之比。

（两者应在同样温度下测得）。

噪声系数常用的定义是：

接收机输入端信噪比与其输出端信噪比之比。

即：

Nf＝（Pc入／Pn入）÷（Pc出／Pn出）

噪声系数也可用dB表示：

Nf（dB）＝10lgNf

（2）灵敏度是指：

用标准测试音调制时，在接收机输出端得到规定的信纳比（S+N+D／N+D）或信噪比（S+N+D／N）且输出不小于音频功率的50%情况下，接收机输入端所需要的最小信号电平（一般情况下，信纳比取12dB，而信噪比取20dB）。

这个最小信号电平可以用电压Umin（μv或dBμv）表示，也可以用功率P（mw）或P（dBm）表示。

需要注意的是：

（A）用电压Umin表示灵敏度时，通常是指电动势（即开路电压），而不是接收机两端的电压。

在匹配时，Ur＝Umin／2

见下图：

∴Ur＝（dBμv）＝Umin（dBμv）-6

读数指示是否是开路电压，可在测完灵敏度后，把接收机断开（即信号源开路），看信号源读数是否改变，若不变就是开路电压（电动势），若变大了近一倍就是端电压。

（B）用功率表示灵敏度时，却是接收机（负载Rr）所得到的功率，所以

Pmin＝U2r／Rr＝U2min／4Rr

∴Pmin（dBm）＝Ur（dBμv）-107＝Umin（dBμv）-6-107

＝Umin（dBμv）-113即用dBm表示的灵敏度等于用dBμv表示的灵敏度减去113分贝

∴Pmin（dBw）＝Umin（dBμv）-143

例：

已知某接收机灵敏度为0.5μv，阻抗为50Ω。

求：

用功率表示灵敏度应为多少?

Pmin＝（0.5×10-6）2／（4×50）＝0.125×10-14（W）

Pmin（dBm）＝-149dBw＝-119dBm

又∵0.5μv用分贝表示为20lg0.5＝-6dBμv

∴Pmin（dBm）＝-6-113＝-119（dBm）＝-149dBw

2.灵敏度与噪声系数的相互换算

按定义，结合实际测量，得输入电动势表示的灵敏度为:

Umin＝e＝｛　4KTBR·Nf·C／N　｝

式中，R为接收机输入阻抗（50Ω），Nf为接收机噪声系数：

B为噪声带宽，它近似等于接收机中频带宽（对于超高频话机B＝16KHz）；C／N为限幅器输入端门限载噪比（其典型值为12dB）；K为波尔兹曼常数（1.37×10-23J／K）；T为信号源的绝对温度（K），对于常温接收机，T＝290°K。

当C／N（dB）＝12dB时，C／N＝101.2＝15.8。

在常温情况下，由上式可得：

Umin（μv）＝e＝（μv）＝｛4×1.37×10-23×290×16×103×15.8×50×Nf｝×106

＝0.448｛Nf　｝（μv）

例如：

当Nf（dB）＝3dB时，Nf＝2，e＝0.63μv

当Nf（dB）＝6dB时，Nf＝4，e＝0.89μv

如用dBμv表示：

Umin（dBμv）＝e（dBμv）＝Nf（dB）＋C／N（dB）-18.96

＝Nf（dB）＋12-18.96＝Nf（dB）-6.96

即在T＝290°K，B＝16×103Hz，R＝50Ω时，灵敏度的分贝数等于噪声系数分贝数减去6.96，其单位是dBμv。

第十四节天线增益系数Gi，Gd，G（dBi），G（dBd）

天线增益系数定义是：

以相同的输入功率送入被测天线和作为参考标准的无方向性的理想点源天线时，被测天线在其最大辐射方向上产生的场强振幅的平方值，与无方向性的理想点源天线在该点产生的场强振幅的平方值的比值，即

Gi＝｛E2max／E20｝（PA＝PAO）时

注：

此“｛　｝”不是根号

式中PA及PAO分别为送入两天线的输入功率。

它的另一个定义是：

使接收点（在被测天线的最大辐射方向上的点）场强相同时，无方向性的理想点源天线所需的输入功率PAO与被测天线所需的输入功率PA之比，即

Gi＝｛PAO／PA｝（接收点场强相同），以上两个定义得出的增益系数是一致的。

但对同一个天线，如果被比较的基准天线不一样，得出的增益系数是不一样的。

我们把以无方向性的理想点源天线为基准天线得到的增益系数记做Gi；把以半波振子天线为基准天线得到的增益系数记做Gd。

增益系数Gi（或Gd）也可以用分贝表示。

G（dBi）＝10lgGiG（dBd）＝10lgGd

由于半波振子天线对无方向性的理想点源天线的Gi＝1.64，所以半波振子的

G（dBi）＝10lg1.64＝2.15（dBi）所以任一天线的G（dBi）＝G（dBd）+2.15，通常厂家给出的天线增益，除特意标出是dBd的之外，没标单位的都是dBi。

实践中都是以半波振子为标准天线，测出实用天线的Gd（或GdBd），然后乘以1.64（或加上2.15）得出Gi（或GdBi）,再用Gi（或GdBi）去进行理论计算，而不能用Gd（或GdBd）去计算。

第十五节发射端天线发出的功率PAT（EIRP）

设发射机功率为PT（W），馈线损耗为LT，天线增益为GT，如下图：

则天线发出的全向辐射功率PAT（EIRP）＝PT·GT／LT

用dBw表示，PAT（dBw）＝PT（dBw）＋GT（dB）－LT（dB）

用dBm表示，PAT（dBm）＝PT（dBw）＋GT（dB）-LT（dB）+30

第十六节空中直线波传到某点的功率密度S

功率密度S的单位为w／m2、mw／m2或μw／cm2，也可用分贝表示为

dBw／m2、dBm／m2、dBμw／cm2.。

S＝PAT／4πd2（w／m2），其中4πd2是以距离d为半径的球面积，该试用分贝表示为：

S（dBw／m2）＝PAT（dBw）-20lgd（m）-10lg4π

S（dBw／m2）＝PAT（dBw）-20lgd（m）-10.99

实际工作中，常用公里km为距离单位，则

S（dBw／m2）＝PAT（dBw）-20lgd（km）-70.99

若以毫瓦／平方米为单位，则

S（dBm／m2）＝S（dBw／m2）+30

＝PAT（dBw）-20lgd（km）-40.99

若以微瓦／平方厘米为单位则

S（dBμw／cm2）＝S（dBw／m2）+60-40

＝S（dBw／m2）+20

＝PAT（dBw）-20lgd（km）-50.99

第十七节空中某点功率密度S（dBw／m2）与该点场强E（dBμv／m）的关系

∵S＝E2／Z0，∴E＝｛S·Z0　｝＝｛120π·S｝其中Z0＝120π＝377Ω，为空中波阻抗，上面式中S的单位为w／m2，E的单位为v／m，

若S用dBm／m2为单位，E用dBμv／m为单位，则：

S（mw／m2）×10-3＝［E（μv／m）×10-6］2／120π

用分贝表示得：

S（dBm／m2）＝E（dBμv／m）-90-25.76

＝E（dBμv／m）-115.76

∴E（dBμv／m）＝S（dBm／m2）+115.76

若S用dBμw／cm2为单位，E用dBμv／m为单位，则：

S（dBμw／cm2）＝E（dBμv／m）-125.76

E（dBμv／m）＝S（dBμw／cm2）+125.76

第十八节电波在空中的路径损耗

设：

发射功率为PT，发射天线增益为GT，发射天线电缆损耗LT，则天线发出的功率为：

PAT＝PT·GT／LT到达接收天线点的功率密度

为：

SR＝PAT／（4πd2），d为发收间的距离，进入接收机的功率

为：

PR＝SR·AO，AO＝GR·λ2／4π为天线有效接收面积。

∴PR＝PAT·GR·λ2／（4πd）2d为和λ的单位为米，

空中损耗：

L空＝PAT·GR／PR＝（4πd）2／λ2

用分贝表示得：

L空（dB）＝10lg［（4πd）2／λ2］＝20lg（4πd／λ）

＝21.98+20lgd-20lgλ（此式常用于实验室中）

若距离d以公里为单位，频率f以MHz为单位，则

L空＝21.98+20lgd（km）×103-20lg［300／f（MHz）］

＝81.98-49.54+20lgd（km）+20lgf（MHz）

＝32.44+20lgd（km）+20lgf（MHz）（此式常用于米波计算）

若频率f以GHz为单位，则

L空＝32.44+20lgd（km）+20lg［f（GHz）×103］

＝92.44+20lgd（km）+20lgf（GHz）（此式常用于微波计算）

第十