第8章 电波传播的基础知识
电磁波传播基础
电磁波传播基础
1. 电磁波的性质
- 电磁波是一种横波,由电场和磁场组成,相互垂直
- 电磁波在真空中以光速传播,在介质中速度略小于光速 - 电磁波具有波长、频率、振幅等特征参数
2. 电磁波的传播模式
- 电磁波可以在导体、介质和真空中传播
- 在导体中,电磁波以沿导体表面的导体波形式传播
- 在介质中,电磁波以体波形式传播,并遵循折射和反射规律 - 在真空中,电磁波以自由空间波形式直线传播
3. 电磁波的反射和折射
- 当电磁波入射到介质边界时,会发生反射和折射现象
- 反射和折射角度遵循斯涅尔定律
- 介质的电磁特性决定了反射和折射的程度
4. 电磁波的衍射和干涉
- 电磁波遇到障碍物或狭缝时会发生衍射现象
- 多个电磁波在空间叠加会产生干涉效应
- 衍射和干涉现象在许多应用中都有重要作用
5. 电磁波的极化
- 电磁波的电场振动方向定义了极化状态
- 常见的极化状态包括线极化、圆极化和椭圆极化
- 极化特性在通信和遥感等领域有重要应用
6. 电磁波的衰减和增强
- 电磁波在传播过程中会受到多种因素的影响而衰减
- 大气、障碍物和介质损耗都会导致电磁波衰减
- 天线和放大器等设备可以增强电磁波的强度
以上是电磁波传播基础的一些主要内容,包括电磁波的性质、传播模式、反射和折射、衍射和干涉、极化以及衰减和增强等方面。
了解这些基础知识对于研究和应用电磁波技术至关重要。
电磁场与电磁波第8章 平面电磁波
Ex Hy
O
z
上图表示 t 0时刻，电场及磁场的空间变化特性。
电场强度与磁场强度之比称为电磁波的波阻抗，
以 Z 表示,
即
Z Ex Hy
实数
当平面波在真空中传播时，波阻抗以Z0表示，则
Z0
0 377 Ω 120π Ω 0
均匀平面波的磁场强度与电场强度之间的关系
又可用矢量形式表示为
Ex
Ex Ex 0 ，则只要
x y
以 kc 代替 k 即可求得其解为
Ex
E e jkcz x0
因常数 kc 为复数，令 kc k jk
求得
k
2
1
2
1
k
2
1
2
1
电场强度可表示为
Ex
E e jkcz x0
Ex0ekze jkz
上式表明电场强度的振幅随 z 增加不断衰减，相位 逐渐滞后。
由上求得 式中
vp
1
f f 00
0 f
1
00
r r
0 r r
0
0 为平面波在真空中传播时的波长。
0 的现象称为波长缩短效应，或简称为缩波 效应。
由
Hy
j可E得x
z
Hy
Ex0e jkz
H y0e jkz
H y0 Ex0
可见，在理想介质中，电场与磁场相位相同，
且两者空间相位均与变量z有关，但振幅不会改变。
1. 波动方程 在无限大的各向同性均匀线性介质中，时变
电磁场的方程为
2
E
(r
,
t
)
2 E (r , t ) t 2
J (r,t) t
电波传播理论复习资料（整理后）
第一章绪论1.掌握正常的和反常的两种类型传播模式的基本概念；正常的传播机制总是存在，如图1.1所示：反常的传播机制偶然存在，如图1.2所示：2.掌握超短波和微波的主要传播效应。
1、晴空条件下的视距传播——在晴朗天气的情况下，当传播路径两端点之间没有障碍阻挡或者障碍阻挡可以忽略时，超短波和微波按照视距传播。
【视距传播不仅仅是自由空间的传播（即空间扩散损耗）；还要计及大气气体对无线电波的吸收损耗（水汽和氧气对电波的吸收损耗）。
晴空大气中，还存在许多其他复杂的重要的视距传播现象（晴空大气中的层结以及湍流不均匀体对无线电波的反射、折射、多径传播、散射、散焦和聚焦效应等等）。
）】2、绕射传播——当传播路径两端点之间的传播余隙小于第一费涅尔半径时，即波传播的空间受到地面地物某种程度的阻挡时，就会产生绕射损耗。
【对于非视距和超视距传播的情况，绕射损耗可以是很严重的。
绕射损耗的大小与频率、余隙、障碍的位置和形状等因素有关。
为了计算因地面地物障碍阻挡引起的对无线电波的绕射损耗，首先必须制作准确的电路地形剖面图，定义和计算相关的几何参数。
在出现负折射的情况下，绕射损耗尤其严重；在超折射条件下绕射损耗则变小。
所以，当气象条件不稳定时，容易出现绕射衰落。
】3、地形、地物的散射和反射4、雨、水凝体和沙尘对电波的散射和衰减5、多径传播和聚焦效应：【多径传播——大气层结的反射和折射以及地面地物的反射和散射使得在接收点所接收到的信号是多条射线合成的总效果。
这些多径射线具有各自不同的相位和幅度，所以多径射线的合成是向量的合成。
并且由于各条射线幅度和相位的随机变化，最终产生所谓的多径衰落现象，这是对无线电通信的质量水平具有非常重要的影响。
聚焦效应——当射线在对流层中传播时，由于大气折射指数的不均匀性会产生聚焦和散焦效应。
聚焦会使信号大大增强，相反散焦会使信号减弱。
聚焦、散焦何时出现和强度如何均与气象条件有关，而气象变化也是随机的。
第八章 导行电磁波典型例题
第八章 导行电磁波8.1 有一内充空气、截面尺寸为()a b b a ab ⨯<<的矩形波导，以主模工作在20%。
若要求工作频率至少高于主模截止频率的20%。
(1) 给出尺寸a 和b 的设计(2) 根据设计的尺寸，计算在工作频率时的波导波长和波阻抗。
解：(1)根据单模传输的条件，工作波长小于主模的截止波长而大于次高模的截止波长。
对于()a b b a ab ⨯<<的矩形波导，其主模为TE 11，相应的截止波长()102c a λ=。
当波导尺寸2a b <时，其次高模为TE 01，相应的截止波导()012c b λ=。
(TE 20的截止波长()20c a λ=)()()1001c c f f ==由题意，则有()()9101031020%c c f f ⨯-≥()()9010131020%c c f f -⨯≥解得 0.06,0.04a m b m ≥≤ 且2a b <(2)取7,4a cm b cm ==，此时()101 2.14c f G H z ==0.7= 相速度为883104.2910/0.7p v m s ⨯===⨯波导波长为 894.291014.29310p p v cm fλ⨯===⨯波阻抗为10377538.60.7TE Z ===Ω8.2 在尺寸为 222.8610.16a b mm ⨯=⨯得矩形波导中，传输TE 10模，工作频率30G H z 。
(1)求截止波长c λ，波导波长g λ，和波阻抗10T E Z 。
(2)若波导的宽边尺寸增大一倍，上述参数如何变化？还能传输什么模式？ (3)若波导的窄边尺寸增大一倍，上述参数如何变化？还能传输什么模式？ 解：截止波长c λ、波导波长g λ，和波阻抗可由相应的公式直接求解。
当波导尺寸发生变化，相应模式的截止波长(截止频率)将发生变化，从而导致参数10,,c g TE Z λλ 的变化。
由于模式的截止波长(截止频率)发生了变化，而工作频率不变，致使波导中原本不能传输的模式成为可以传输的模式(或波导中原本可以传输的模式变为不能传输的模式)。
电波主要传播方式
电波主要传播方式2008-06-05 11:25:45 作者：不详电波传输不依靠电线，也不象声波那样，必须依靠空气媒介帮它传播，有些电波能够在地球表面传播，有些波能够在空间直线传播，也能够从大气层上空反射传播，有些波甚至能穿透大气层，飞向遥远的宇宙空间。
任何一种无线电信号传输系统均由发信部分、收信部分和传输媒质三部分组成。
传输无线电信号的媒质主要有地表、对流层和电离层等，这些媒质的电特性对不同波段的无线电波的传播有着不同的影响。
根据媒质及不同媒质分界面对电波传播产生的主要影响，可将电波传播方式分成下列几种：地表传播对有些电波来说，地球本身就是一个障碍物。
当接收天线距离发射天线较远时，地面就象拱形大桥将两者隔开。
那些走直线的电波就过不去了。
只有某些电波能够沿着地球拱起的部分传播出去，这种沿着地球表面传播的电波就叫地波，也叫表面波。
地面波传播无线电波沿着地球表面的传播方式，称为地面波传播。
其特点是信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。
因此，这种传播方式主要适用于长波和中波波段。
天波传播声音碰到墙壁或高山就会反射回来形成回声，光线射到镜面上也会反射。
无线电波也能够反射。
在大气层中，从几十公里至几百公里的高空有几层“电离层”形成了一种天然的反射体，就象一只悬空的金属盖，电波射到“电离层’就会被反射回来，走这一途径的电波就称为天波或反射波。
在电波中，主要是短波具有这种特性。
电离层是怎样形成的呢？原来，有些气层受到阳光照射，就会产生电离。
太阳表面温度大约有6000℃，它辐射出来的电磁波包含很宽的频带。
其中紫外线部分会对大气层上空气体产生电离作用，这是形成电离层的主要原因。
电离层一方面反射电波，另一方面也要吸收电波。
电离层对电波的反射和吸收与频率(波长)有关。
频率越高，吸收越少，频率越低，吸收越多。
所以，短波的天波可以用作远距离通讯。
此外，反射和吸收与白天还是黑夜也有关。
白天，电离层可把中波几乎全部吸收掉，收音机只能收听当地的电台，而夜里却能收到远距离的电台。
电波传播原理
电波传播原理
电波传播原理是指电磁波在空间中传播的方式和规律。
电磁波包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等，它们在传播时具有相同的物理性质。
电磁波的传播需要介质的支持，可以是气体、液体、固体或真空。
在传播过程中，电磁波会通过周期性的变化产生电场和磁场，形成电磁场的波动。
电磁波的传播速度是一个重要的参数，通常用光速来表示。
在真空中，电磁波的传播速度为299,792,458米/秒。
在不同的介质中，电磁波的传播速度会发生变化，根据介质的不同，传播速度会减小或增大。
电磁波的传播具有直线传播和衍射传播两种方式。
直线传播指的是电磁波在空间中传播的直线路径，不会发生弯曲或偏折。
衍射传播是指电磁波在遇到边缘或障碍物时发生弯曲和扩散，改变传播方向。
电磁波的传播还受到频率和波长的影响。
不同频率和波长的电磁波具有不同的传播特性。
低频电磁波会更容易穿透建筑物和其他障碍物，但传播范围较短；高频电磁波传播范围更广，但对障碍物的穿透能力较差。
总而言之，电波传播原理是通过介质支持电磁波在空间中传播的方式和规律。
它涉及到电磁场的波动、传播速度、传播方式
以及频率和波长等因素的影响。
电波传播原理是无线通信和广播等电磁波应用的基础。
电磁场与电磁波第八章习题及参考答案
第八章 电磁辐射与天线8.1 由（8.1-3）式推导(8.1-4)及(8.1-5)式。
解)sin ˆcos ˆ(4θθθπμ-=-rrIdle A jkrρ (8.1-3) 代入A H ρρ⨯∇=μ1，在圆球坐标系ˆsin ˆˆsin 112θ∂ϕ∂∂θ∂∂∂ϕθθθμμrA A rr r rr A H r=⨯∇=ρρ)]cos ()sin ([4ˆ])([sin sin ˆ2r e e r r Idl A rA r r r jkr jkr r θθθπϕθθμθϕθ--∂∂--∂∂=∂∂-∂∂=可求出H ρ的3个分量为jkre kr kr j Idl k H -+=))(1(sin 422θπϕ (8.1-4) 0==θH H r将上式代入E j H ρρωε=⨯∇，可得到电场为H j E ρρ⨯∇=ωε1ϕθ∂ϕ∂∂θ∂∂∂ϕθθθωεH r rr r rr j sin 0ˆsin ˆˆsin 12=代入ϕH 得jkrr e kr kr j Idl k j E -+-=))(1)((cos 2323θπωε jkr e kr jkr kr j Idl k E --+=))()(1(sin 4323θπωεθ (8.1-5) 0=ϕE8.2 如果电流元yIl ˆ放在坐标原点，求远区辐射场。
解 解1 电流元yIl ˆ的矢量磁位为 jkr e rIl y A -=πμ4ˆρ 在圆球坐标系中jkry r e rIl A A -==πϕθμϕθ4sin sin sin sinjkry e rIl A A -==πϕθμϕθθ4sin cos sin cosjkry e rIl A A -==πϕμϕϕ4cos cos由A H ρρ⨯∇=μ1，对远区辐射场，结果仅取r1项，得jkre rIl jH -=λϕθ2cos jkre r Il j H --=λϕθϕ2sin cos根据辐射场的性质，E r ZH ρρ⨯=ˆ1得 jkre r Il jZ E --=λϕθθ2sin cosjkre r Il jZ E --=λϕϕ2cos解2 根据 jkR e RRl Id jH -⨯=λ2ˆρρ (8.1-13) RH Z E ˆ⨯=ρρ (8.1-14) ϕϕϕθθϕθcos ˆsin cos ˆsin sin ˆˆˆ++==r y lr Rˆˆ≈ ϕθϕθϕcos ˆsin cos ˆˆˆ+-=⨯rl ϕϕϕθθcos ˆsin cos ˆˆ)ˆˆ(--=⨯⨯r rl jkRer Idl j H -=λ2ρ)cos ˆsin cos ˆ(ϕθϕθϕ+- jkR erIdl jZ H -=λ2ρ)cos ˆsin cos ˆ(ϕϕϕθθ--8.3 三副天线分别工作在30MHz,100MHz,300MHz,其产生的电磁场在多远距离之外主要是辐射场。
第八部分导行电磁波Guidedwave
n 的每一种组合构成一种模式，以TMmn表示。 例如 TM11表示 m = 1, n = 1 的场结构，具有这种场结构的波称为TM11波。
5，数值大的 m 及 n 模式称为高次模，数值小的称为低次
模。
矩形波导中TM波的最低模式是TM11波。Dominant mode
E
E
H TEM波
es
es
H TM波
es
H TE波
几种常用导波系统的主要特性
名称 双导线 同轴线 带状线 微带 矩形波导 圆波导 光纤
波形 TEM波 TEM波 TEM波 准TEM波 TE或TM波 TE或TM波 TE或TM波
电磁屏蔽
使用波段
差
> 3m
好
> 10cm
差
厘米波
差
厘米波
好
厘米波、毫米波
好
厘米波、毫米波
表明横向电场与横向磁场相位相差 /2 ，因此，沿 Z 方 向没有能量单向流动，这就意味着电磁波的传播被截止。
矩形波导中存在的模式 矩形波导中可能存在的模式有TMmn(m>0，n>0）和
TEmn(m0,n 0)，每种波型对应有各自的截止波长。
若不同模式的波具有相同的截止波长，称这两种模式简并。
矩形波导中TMmn和TEmn，当m和n分别相等时，为简并波形。
没有电场或磁场分量，即电场和磁场垂直于电场传播方向；
(TM波或E波): Transverse magnetic wave:在波传播的方向上有
电场分量，但没有磁场分量，即磁场垂直于电场传播方向；
(TE波或M波): Transverse electronic wave:在波传播的方向上有
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落现象也比较严重。
第8章 电波传播基础知识
3、视距传播：
电波依靠发射天线与接收天线之间的直视的传播方式。 分为：地-地视距传播 和 地-空视距传播。 要求天线具有强方向性并且有足够高的架设高度。
(a)
(b)
(c)
第8章 电波传播基础知识
4、散射传播：
利用低空对流层、高空电离层下缘的不均匀的“介质团”
第8章 电波传播基础知识
L0 = 121.98 + 20lgr （km）- 20lgλ（cm）
= 121.98 + 20lg50 - 20lg7.5 = 121.98 + 33.98 - 17.5
= 138.46dB
电道的总传输损耗 L： L= L0 + LF – Gr – GL + 2×3.6 = 138.46 - 20lg0.7 - 2×45 + 2×3.6 = 58.8 dB
L0 32.45 20lg f ( MHz) 20lg r( km) 121.98 20lg r(km) 20lg ( cm)
第8章 电波传播基础知识
2、衰减因子 A
实际媒质中接收点的场强E 与自由空间传 播的场强 E0的比值为衰减因子A： 相应的衰减损耗：
E A E0
Pin=10W= 40dBm
收信电平： PL= Pin – L = 40 - 58.8 = -18.8 dBm = 0.013 mW
103
10-3 10-6 10-9 10-12
千
毫 微 纳 皮
K
m
u
n p
对电波的散射特性来达到传播目的的。 优点：距离远，抗毁性好，保密性强。
不均匀介质
第8章 电波传播基础知识
8.2
自由空间电波传播
1、自由空间传播损耗 L0
当发射天线与接收天线的方向系数都为1时，发射天线的辐射
功率 Pr 与接收天线的最佳接收功率 PL 的比值：
M Pr r
Pr L0 PL Pr L0 10lg dB PL
毫瓦分贝 dBm：以 1mW 作参照的分贝数。 表示绝对功率的量。计算公式： x = 10 lg(P/1mW) 可以方便的表示很大和很小的功率，例如：
第8章 电波传播基础知识
0.1 pW＝ -100 dBm
1 MW ＝ 90 dBm 发射天线输入功率：
倍数和分数 109 106
词头 吉 兆
符号 G M
1 E0 LF 20lg 20lg A E
Pin 4 r 2 1 路径传输损耗（基本传输损耗）： L L L L ( b )0 2F dB PL A Gr G L
电道的传输损耗L：
L L0 LF Gr GL
发射天线 增益系数
dB
接收天线 增益系数
【 例 】 设 微 波 中 继 通 信 的 段 距 为 r=50km ， 工 作 波 长 为 7.5cm，收发天线的增益系数都为45dB，馈线及分路系统 一端损耗为3.6dB，该路径的衰减因子A=0.7。若发射天线 的输入功率为10W，求其收信电平。 解： 自由空间传播损耗：
第8章 电波传播基础知识
第ห้องสมุดไป่ตู้章
电波传播基础知识
8.1 概述 8.2 自由空间电波传播
第8章 电波传播基础知识
8.1
一、电磁波谱
概述
人类正在观测研究和利用的电磁波，其频率低至千分之几赫 （地磁脉动），高达1030 Hz量级（宇宙射线）。
第8章 电波传播基础知识
频段的典型应用（考虑电波传播特性、系统技术等问题） （1）超低频：典型应用为地质结构探测，电离层与磁层研究， 对潜通信，地震电磁辐射前兆检测。 （2）极低频：典型应用为对潜通信，地下通信，极稳定的全 球通信，地下遥感，电离层与磁层研究。 （3）甚低频：典型应用为Omega(美)、 α （俄）超远程及水 下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间 频率标准传递，地质探测。 （4）低频：典型应用为LoranC（美）及我国长河二号远程 脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。 （5）中频：用于广播、通信、导航（机场着陆系统）。采用 多元天线可实现较好的方向性，但是天线结构庞大。 （6）高频：用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷达， 超视距地-空通信。
A
自由空间传播损耗是一种扩 散式的能量自然损耗。
第8章 电波传播基础知识
D=1 的无方向性发射天线产生的功率密度：
Pr Sav 4 r 2
D=1 的无方向性接收天线的有效接收面积：
Ae 4
2
2 ) Pr 该接收天线的接收功率： PL Sav Ae ( 4 r Pr 4 r 当 λ=100m，r=50km， L0 10lg 20lg dB PL L0=76dB。
第8章 电波传播基础知识
（7）米波：用于语音广播，移动（包括卫星移动）通信，接 力（~50km跳距）通信，航空导航信标，以及容易实现具有较 高增益系数的天线系统。 （8）分米波：用于电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达， 卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通信。 （9） 厘米波：用于多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感， 固定及移动卫星信道。 （10）毫米波：用于短路径通信，雷达，卫星遥感。此波段 及以上波段的系统设备和技术有待进一步发展。 （11）亚毫米波：用于短路径通信。
第8章 电波传播基础知识
二、 几种主要的电波传播方式
1、地面波传播：电波沿着地球表面传播的方式
优点：传播的信号质量好 缺点：频率高时，地面对电波的吸收严重。
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2、 天波传播：
发射天线向高空辐射的电波在电离层内经过连续折射而
返回地面到达接收点的传播方式称为天波传播。
优点：能以较小的功率进行可达数千千米的远距离传播。 缺点：由于电离层具有随机变化的特点，因此天波信号的衰