电磁波.docx

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电磁波

如何划分电磁波的频段？

　　在国际单位制中，波速的单位是m/s（米/秒），波长的单位是m（米），频率的单位是Hz（赫兹），通常把频率在300GHz（1GHz=109Hz）以下或波长在1mm以上的波称为无线电波。

主要用于广播、电视、卫星或其他通信。

　　在无线电波中，又根据波长的不同，分为不同波段，如甚高频段（VHF）频率为30～300MHz，特高频段（UHF）频率为300～3000MHz，超高频段（SHF）频率为3～30GHz。

　　为了划分得更细，将频率为1～2GHz称为L波段；频率为2～4GHz称为S波段；频率为4～8GHz称为C波段；频率为8～12GHz称为X波段；频率为12～18GHz称为Ku波段。

何谓电磁波？

电磁波是电场强度矢量E和磁场强度矢量H的振动产生交变电磁场在空间的传播。

在电磁波中，每一点的电场强度矢量E和磁场强度矢量H的方向总是互相垂直的，并且还与那里的电磁波的传播方向垂直。

这就是说，电磁波传播的方向跟电场和磁场构成的平面垂直，如图1-1所示。

人们常用频率f、波长λ和波速c来描述电磁波的性质。

电磁波在真空（或在空气）中的传播速度c0=3×108m/s，电磁波在一个振荡周期内传播的距离叫做波长，记作λ。

频率f就是单位时间内，电场强度矢量E（或磁场强度矢量H）进行完全振荡的次数，数值上等于周期的倒数，即f=1/T。

波长等于电磁波传播速度除以频率，或波速等于波长乘以频率，即c=fλ。

图1-1电场、磁场和传播方向电磁波的另一个重要性质是它具有能量。

电磁波向空间传播时，它的能量也一起向四面八方传送。

因此，振荡电路产生电磁波的过程，同时也是向外辐射能量的过程。

在传播的过程中，电磁波所具有的能量要逐渐衰减，不过它在绝缘介质（如空气）中衰减得很慢，因而能传播到很远的地方。

这就是卫星电视信号能传播35800km的原因。

有线电视系统的任务是接收、处理、传输、分配高频电视信号，而高频电视信号是电磁波的一种。

所以从事有线电视工作的人员有必要了解电磁波及其传输特性。

课题二 电磁波频段的划分

任务目标

通过本课题的学习，了解电磁波频段的划分方法及传输特点。

课题导入

生活中能见到很多无线设备，你知道它们的工作频率是多少吗？

图1-11常见无线接收（发射）设备

图1-11（a）全波段收音机接收频率范围：

中波波段525kHz-1605kHz，短波波段2.2MHz-26MHz,调频波段87.5MHz-108MHz；图（b）电视接收机接收频率范围48.5MHz-870MHz；图（c）对讲机工作频率范围:

150MHz-174MHz（VHF）和400MHz-470MHz（UHF）；图（d）GSM手机工作频率900MHz/1800MHz/1900MHz（三频手机）；图（e）教学扩音器工作频率范围:

180MHz-260MHz；图（f）无线路由器工作频率范围约2.4GHz-2.462GHz。

以上众多的无线产品各具有一定的工作频率（范围），不同频率的无线电波传输方式、性能特点各不相同，那么频率如何选择呢？

相关知识

一、无线电波波段的划分

无线电信道实为电磁波在空间中传播的通道，无线电波在空间的传播速度与光波相同，约为3×108ｍ/s。

其波长、频率、和传播速度的关系为

λ

可见，频率与波长之间为倒数的关系，因此，无线电波可以按频率划分，也可以按波长划分。

表1-2列出不同频段无线电波的无线电波的主要用途，它是根据无线电波传输的特点而应用于不同的领域。

根据无线电波传播及使用的特点，国际上将其划分为12个频段，而通常的无线电通信只使用其中的第4到第11个频段。

无线电频段和波段的划分如表1-2所示。

表1-2无线电频段和波段的划分

序号

频段名称

频段范围（含上限）

波段名称

波长范围（含上限）

主要用途

1

极低频（ELF）

3～30Hz

极长波

100～10兆米

2

超低频（SLF）

30～300Hz

超长波

10～1兆米

3

特低频（ULF）

300～3000Hz

特长波

100～10万米

4

甚低频（VLF）

3～30kHz

甚长波

10～1万米

音频电话、长距离导航、时标

5

低频（LF）

30～300kHz

长波

10～1千米

船舶通信、信标、导航

6

中频（MF）

300～3000kHz

中波

1000～100米

广播、船舶通信、飞行通信、船港电话

7

高频（HF）

3～30MHz

短波

100～10米

短波广播、军事通信

8

甚高频（VHF）

30～300MHz

米波

10～1米

电视、调频广播、雷达、导航

9

特高频（UHF）

300～3000MHz

分米波

微波

10～1分米

电视、雷达、移动通信

10

超高频（SHF）

3～30GHz

厘料波

10～1厘米

雷达、中继、卫星通信

11

极高频（EHF）

30～300GHz

毫米波

10～1毫米

射电天文、卫星通信、雷达

12

至高频

300～3000GHz

丝米波

10～1丝米

二、无线电波的传播方式

不同频段的电磁波的传播方式和特点各不相同，所以它们的用途也就不同。

无线电波的传播方式主要用三种：

1．沿地面传播的地波：

中、长波适合地面传播，地球表面的导电特性较为稳定，中、长波的传播也就较稳定，其中长波的波长较长，遇障碍物绕射能力强，传送距离较远，多用于导航。

图1-12（a）

2．靠电离层折射和反射传播的天波

在1.5MHz-3OMHz范围的短波波长较短，地面绕射能力弱，且地面吸收损耗较大，主要依靠电离层的折射反射实现远距离的短波通信。

电离层与地球表面之间的多次反射可实现超远距离的无线电通信，短波广播和通信具有天线尺寸小，所需发射功率低，传输距离远，通信成本低的特点，因此，该频段广播、通信电台多，频段最为拥挤【3】。

图1-12（b）

3．沿空间直线传播的空间波

当频率超过3OMHz以上的电波主要沿空间直线传播。

鉴于地球表面是弯曲的，所以这种传播只限于视线范围，所以传播距离近，常将天线架设在高处山顶以提高覆盖面。

若采用卫星通信使空间传播的覆盖面积和距离大大增加。

图1-12无线电波的传输方式

三、频率的分配

在无线电频率分配上有一点需要特别注意的，就是干扰问题。

如果两个电台在同一地区、同一时段用相同的频率或频率过于接近工作，就必然会产生相互干扰。

因此无线电频率不能无秩序地随意占用，而需要仔细地计划加以利用。

（1）频率的分配：

即将频率根据不同的业务加以分配，以避免频率使用方面的混乱。

如我国将88MHz-108MHz分配为调频广播使用，525kHz-1605kHz分配为中波调幅广播使用等。

（2）频谱的节约：

即从频谱利用的观点来看，无线电总的频谱范围是有限的，每个无线设备所占的频谱应力求减少，以便容纳更多的无线设备和减少干扰。

现代通信系统都力求压缩每个无线设备的带宽，减小信道间的间隔并减小杂散干扰发射，提高频谱利用率。

电磁波是在全球传播的，进行频率分配工作的世界组织是国际电信联盟【4】（ITU），其总部设在瑞士的日内瓦。

其下设有：

国际无线电咨询委员会（CCIR），以研究有关的各种技术问题并提出建议；国际频率登记局（IFRB），负责国际上使用频率的登记管理工作。

中华人民共和国信息产业部无线电管理局为我国无线电管理方面的职能部门，负责全国无线电频率、台站管理等工作。

为避免各种信号频率重叠，相互干扰，要求不同的无线发射设备工作在不同的发射频率上，采用调制的方法把要传送的信号装载到这些不同频率的高频信号上，再经天线发射出去。

这样就避免了相互干扰。

四、天线

天线是一个能量转换器，是无线电设备必不可少的组成部分。

发射天线能将发射机馈给的高频电能转换为向空间辐射的电磁波能，接收天线将在空间传播的电磁波能转化为高频电能。

一般发射、接收天线可互换使用，因此，描述天线的主要参数和特性，如输入阻抗、方向性系数、辐射电阻、有效高度、天线增益等对用于发射的天线和用于接收的天线都适用，具有可逆性。

例如，某根天线用作发射天线时，它向某一方向的辐射最强，而用作接收天线时，它对来自这个方向来的电磁波的接收能力也同样是最强的。

下面为了讨论方便，我们以发射天线为例进行分析。

1．天线辐射电磁波的基本原理

（1）传输线的概念

在模拟电路和数字电路中，电路的参数（R、L、C）大都集中在电路的某些元器件（电阻器、线圈、电容器）上，即指的是集中参数电路。

而在高频发、收设备中，传输线（或称馈线）的每一段都有电阻、电容和电感分布，即整个传输导线均有分布，可将这些传输导线称为分布参数电路。

把天线和发射机（或接收机）连接在一起的传输线，往往要比集中参数电路的连接线长得多。

有的比电波的波长还要长。

因此，人们将这种用来传送高频电能的（导）线称为长线。

这里的“长”的含义不是指导线的绝对长度，而是指它的长度与工作波长λ相比较而言的。

例如长度为lm的传输导线，对于1OOkHz的频率（其波长λ=300Om）来说构不成长线；而对于15OMHz的频率（对应波长λ=2m）来说，却占了整个波长的1/2，就该叫长线了。

因此，在传输线和天线工程中，线长常用电波长来度量，如λ/4、λ/2、1λ、2λ等，而不常使用绝对长度（即普通的长度尺）度量。

（2）终端开路传输线的性质和等效电路

图1-12传输线的性质与等效电路

天线的辐射能力与导线的形状和长度有关。

下面介绍图1-12所示的终端开路线的长度与工作波长λ成不同比例时，开路线的输入阻抗Z的性质及其等效电路。

1）当线长时，连接信号源的两根短导线相当于一个电容器，输入阻抗呈容性，图1-12右部的等效电路所示。

线越短，容量越小，呈现的容性阻抗越大（）。

2）当线长时，信号源正好处在波节处，输入端电压U最小，而电流I最大（波腹），等效电路相当于一个串联谐振回路，如图1-12所示。

在谐振状态下的输入阻抗为纯阻性，且阻值最小（导线中有损耗）。

3）当线长增加到时，由于线上的分布参数（L、C）在原串联谐振状态下继续增加，L的增大使增大，C的增大使减小，导致,使电感中储存的磁场能大于电容中储存的电场能，该线呈感性。

4）当线长时,信号源在波节处，输入端电流最小，电压最大（波腹），相当于回路的并联谐振状态，输入阻抗Z呈纯阻性。

若不考虑线的损耗（即理想情况下），Z极大。

上面讨论四种线长情况时，传输线的两根线平行且间距很小，两根线上的电流方向相反，它们对外所产生的电磁场几乎相互抵消，因而不能向外辐射电磁能。

（3）天线振子

图1-13传输线电流分布示意图

将图1-12所示的平行开路线改为张开形式，如图1-13所示（a）画出了三种（，，）平行传输导线的情况。

将图1-13（a）中的导线张开，呈开放状态，如图1-13（b）所示，展开后的两根导线上的电流方向相同，因而两根导线产生的感应电动势的方向也相同，从而可向空间辐射较强的电磁波。

当导线长度时，因导线上的电流很小，向外辐射很弱；当导线长度增大到可与波长入相比拟时（），导线上的电流大大增加，因而就能形成较强的电磁辐射。

通常，将上述能产生显著辐射的直导线称为基本振子。

两臂长度相等的叫做对称振子。

每臂长度为，全长为的振子称为半波对称振子；全长与波长相等的振子称为全波对称振子，若将振子折合过来，则称之为折合振子。

如图2-14（a）所示。

图2-14（b）所示为半波折合振子。

图2-14全波对称振子与半波折合振子

2．天线的主要特性和参数

（1）天线的方向性

方向性是指天线向一定方向辐射或接收来自某一方向的电磁波的能力。

不同