电磁波的传播特性ppt

一、电磁波和电磁波
如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、无线电 波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。
频段名称 极低频（ELF） 超低频（SLF） 特低频（ULF） 甚低频（VLF） 低频（LF） 中频（MF） 高频（HF） 甚高频（VHF） 频率范围 3 ~ 30Hz 30 ~ 300Hz 300 ~ 3000Hz 3 ~ 30KHz 30 ~ 300KHz 300 ~ 3000KHz 3 ~ 30MHz 30 ~ 300MHz 波段名称 极长波 超长波 特长波 甚长波 长波 中波 短波 超短波（米波） 波长范围 108 ~ 107 m（100 ~ 10Mm） 107 ~ 106 m（10 ~ 1Mm） 106 ~ 105 m（1000 ~ 100Km） 105 ~ 104 m（100 ~ 10Km） 104 ~ 103 m（10 ~ 1Km） 103 ~ 102 m（1000 ~ 100m） 102 ~ 10 m（100 ~ 10m） 10 ~ 1 m
第2部分、电磁波的传播特性
主要内容
一．电磁场与电磁波
二．电磁波的传输特性 三．传输损耗
四．衰落
五．多普勒频移 六．无线通信系统
七．噪声与干扰
一、电磁场和电磁波
电磁场理论 1864年：麦克斯韦（英）发表了电磁场理论，并预言电磁波的存在。 1887年：德国人赫兹设计出了世界上第一副无线电天线，并通过实验证实 了1864年麦克斯韦关于存在电磁波的预言。 这一理论的研究和应用使人类通信发生了革命性的突破，无线通信的应用 彻底改变了人类的通信方式，其中最重要的两点： 移动通信：摆脱了线路的束缚，真正实现了无处不在的通信。 太空通信：为人类实现太空探索提供了通信手段。 无线通信技术实际上就是研究电磁波传输的技术，而无线通信技术又是移 动通信技术的技术基石，作为一个从事移动通信专业的技术人员必须对电 磁场和电磁波技术的基本概念有所了解。电磁场和电磁波的研究是一项非 常复杂的技术，这里仅仅介绍一些非常简化的电磁波的最基本的概念。
一、电磁场和电磁波
电磁波 从科学的角度来说，电磁辐射是能量的一种，凡是能够释出能量的物体， 都会释出电磁辐射。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样， 人们也看不见无处不在的电磁波，电磁波就是这样一位人类素未谋面的 “朋友”。 电磁波在传播中携带有能量，可以作为信息的载体，这就为无线电通信、 广播、电视、遥感等技术开阔了道路。 电磁波不需要依靠介质传送（这一点非常重要！），各种电磁波在真空 中的传输速度是固定的，速度为光速。 光波本身就是电磁波，无线电波也具有和光波同样的特性，比如当它通 过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、散射和吸收等现象。 电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。
六、无线通信系统
无线通信是以电磁波为信息载体的通信技术，即利用电磁波的辐射和传播特
性经过空间进行信息传送的通信方式为无线通信（Radio Communication）。 利用无线通信技术组成的通信系统就是无线通信系统。其主要特点如下：
无线通信系统是一个开路系统，信息的载体是电磁波，电磁波传输不需要
二、电磁波的传播特性
反射 不是所有东西遇到电磁波后都要吸收射频能量。 有的东西遇到射频后会改变射频信号的方向，这种方向的改变叫做反射。 般，射频信号会以遇到物体时相反的角度反射回去，就像光在镜子表面的 反射一样。 反射与两个因素有关：射频频率和物体的材料。有些材料只是以一定程度 反射射频信号（还有一部分被吸收），如混凝土，而有些材料会发生完全 反射，如金属导体。
光波
3×10-3 ~ 3×10-5 mm
二、电磁波的传播特性
无线通信中经常会提到“射频”，射频就是射频电流，简称RF，它是一种 高频交流变化电磁波的简称。 在电磁波频率低于100KHz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输。 但电磁波频率高于100KHz时，电磁波可以在空气中传播，形成远距离传输 能力，无线通信就是采用射频传输方式的。 我们有时也把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频信号。
功率源
四、衰落
四、衰落
慢衰落 大量研究结果表明，移动台接收的信号场强中值随着地区位置改变出现较 慢的变化，这种变化称为慢衰落。它主要是由阴影效应引起的，所以也称 作阴影衰落。电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物 的阻挡就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电 磁场阴影时，接收场强中值就会变化，变化的大小取决于障碍物状况和工 作频率，变化速率不仅和障碍物有关，而且与移动台的速度有关。
电磁波的传播主要有以下特性，这些特性与无线通信密切相关。 趋肤效应 自由空间损耗 吸收 反射
二、电磁波的传播特性
趋肤效应 射频信号不是存在于导体中就是以波的形式存在于自由空间中。当射频信 号存在于导体中时，它只是存在于导体的表面。如果将射频信号放在一个 球形的实心导体上，那么它只出现在该导体的表面，不会进入里面，如果 可以将一个检测器放在球里面，它将检测不到射频信号的存在。射频信号 所呈现的这种行为称为“趋肤效应”。
四、衰落
快衰落 在一个典型的无线移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路 径很可能被建筑物或其它物体所阻碍，所以在无线基站与移动台之间的通 信不都是通过直达路径而是还通过许多其它路径完成的。在微波频段，从 发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射。 到达接收机的所有信号分量合成产生一个合成波，它的信号的强度根 据各分量的相对变化而增加或减小。合成场强在移动几个车身长的距离中 可能会有20 ~ 30dB（100~1000倍）的衰落，其最大值和最小值发生的位 置大约相差1/4波长。大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，合成 波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称 为多径衰落或快衰落，多径衰落在性质上属于一种快速变化。
从圆圈中通过。但当这个圆圈离开手电筒一定距离之后，部分光线就不会从圆圈中 通过了，实质上，所有的光仍然在那里，只不过发散的范围更大了。把这个圆圈想 像成一个接收机，离得越远，所接收的光（信号）就越少。所以对于接收机来说， 类似于要接收从手电筒（发射机）发射出的光。距离远的接收机接收的信号功率仅 仅是发射机辐射功率的一小部分，大部分能量都向其它方向扩散了，这就是自由空 间损耗的概念。
特高频（UHF）
超高频（SHF） 极高频（EHF） 至高频（THF）
300 ~ 3000MHz
3 ~ 30GHz 30 ~ 300GHz 300 ~ 3000GHz 微 波
分米波
厘米波 毫米波 亚毫米波
1 ~ 0.1 m
10 ~ 1 cm 10 ~ 1 mm 1 ~ 0.1 mm
100 ~ 10000THz
介质，可在自由空间传播，这是无线通信与有线通信的最大区别。 电磁波的频率资源非常有限，并且由ITU（国际电信联盟）按照业务和应用 进行了严格的频段划分。 无线通信初创时期使用的频率较低，频率范围较窄，波段主要限于长波和 中波。随着通信技术的不断进步，使用的频率范围逐步扩大。目前无线通 信使用的频率从超长波波段到亚毫米波段，包括亚毫米波以下以至光波。 移动通信主要使用微波频段，目前使用300 ~ 3000MHz的分米波，比如 GSM使用900MHz和1800MHz频段。
二、电磁波的传播特性
吸收 除了自由空间损耗以外，射频信号在空间传播所遇到的任何东西都会使射 频信号发生一定形式的变化。这些变化归为两种：变得更小（吸收）或者 改变传播方向（反射）。 射频所遇到的很多物体都会使射频信号变得更小，包括空气、雨雪、玻璃、 墙、木头甚植物。我们可以把这些物体看成具有一定插入损耗的某种类型 的无源器件，这些物体所表现出来的插入损耗称为吸收，因为它们吸收了 射频信号。 射频信号穿过物体损失的能量到哪里去了？它们被物体吸收并变成热量了！ 物体会变暖，当然它的温度变化很小，我们很难测量得到。 我们日常生活使用的微波炉恰恰是利用了射频信号的吸收来工作的。
一、电磁场和电磁波
电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。在麦克斯 韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而 完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。 第一个方程表示静电场是有源的。 第二个方程表示磁场是无源的。 第三个方程表示变化的磁场可以产生感应电场。 第四个方程表示变化的电场可以产生磁场。
三、传输损耗
移动通信系统的无线传播主要是利用了电磁波的直达波和反射波。 在设计移动通信系统或对移动通信系统的覆盖进行分析时，研究电磁波的 传播是非常重要的，这主要有以下两个原因： 第一，用于计算不同覆盖小区的信号强度。在大多数情况下，每个覆盖区 域从几百米到几公里，覆盖信号包括直达波和反射波。 第二，用于计算相同和相邻信道之间的干扰。移动通信系统由于采用频率 复用技术，同频和邻频干扰是必须解决的问题。
LP 32.4 20 lg(fMHz ) 20 lg(d Km )
上式表明，自由空间损耗与距离d的平方成正比，当d增加1倍时，自由空间 路径损耗增加6dB（4倍）。同时，与频率f的平方成正比。
三、传输损耗
Lp(dB) 22 20log λm 20logd m 147.5 20logf Hz 20logd m
四、衰落
五、多普勒频移
快速运动的移动台还会发生多普勒频移现象，这是因为如果移动台在高速 运动时接收和发送信号，将导致信号频率发生偏移而影响通信，多普勒频 移符合下面的公式：
f I f O f D cos I f 0 v / cos I
fI为合成后的频率，fO为工作频率，fD为最大多普勒频移，θI为多径信号合成 的传播方向与移动台行进方向的夹角，v为移动台的运动速度，λ为波长。 当移动台快速远离基站时，fI = fO - fD；当移动台快速靠近基站时，fI = fO + fD。当运动速度很快时，多普勒频移的影响必须考虑，而且工作频率越高多 普勒频移越大。