电磁波传播基本理论
自然科学知识：电磁波和电磁场的理论和实践
自然科学知识：电磁波和电磁场的理论和实践电磁波和电磁场是现代科学中的两个基本概念，它们对我们生活中的通讯、娱乐和医疗等方面有着极为重要的作用。
本文章将从电磁波和电磁场的理论和实践两个方面，探讨它们的基本概念、性质和应用。
一、电磁波的理论电磁波是由一种特殊的物质——电场和磁场相互作用所产生的，可以在真空中传播的一种波动现象。
放置在电场中的电荷会在电场的作用下发生运动，从而形成一个变化的电流，而这个变化的电流就会产生一个变化的磁场。
随着电场和磁场的反复变化，产生的能量就会向外辐射，形成电磁波。
电磁波具有很多种类，其中最常见的就是无线电波，包括AM波和FM波。
无线电波的频率一般在几十千赫兹到几百兆赫兹之间，是一种非常重要的通讯工具。
电视信号、手机信号、卫星通讯等都是利用电磁波来传递的。
二、电磁场的理论电磁场是由电荷和电流所产生的一种场，它可以传递电磁波，影响物质的运动和形态。
电磁场是由电荷和电流围绕它们周围产生的电场和磁场的相互作用而形成的，它是一个有方向有大小的物理量，以矢量形式存在。
电场的单位是伏/米，磁场的单位是特斯拉。
电磁场不仅在自然界中广泛存在，还是工业、航空、通讯等领域中的重要应用。
在医学领域中，MRI技术就是基于电磁场的原理设计而成的，它可以通过电磁波的辐射来捕捉人体内部的图像，既无创又准确，是一种非常重要的医学检查手段。
三、电磁波和电磁场的实践在现实生活中，电磁波和电磁场的应用极为广泛，它们可以帮助人类解决众多问题，创造历史性的进展。
一些车辆和厂房需要进行金属探伤，以检测出金属内部的结构缺陷，这就需要应用到电磁波的原理。
在通讯领域中，无线电波的应用范围更为广泛，在缩短人与人之间的距离、传递信息等方面发挥着越来越重要的作用。
在现代医学科技领域中，电磁场起着至关重要的作用。
比如，静磁共振成像技术（MRI）就是一种基于电磁场的诊断技术，它能够有效地诊断出人类身体各个部分的情况，从而帮助医生精准诊断疾病的类型和程度。
电磁波在介质中传播的理论分析
电磁波在介质中传播的理论分析电磁波是指在电磁场中相互作用产生的一种能量传递方式，它在物理学和工程学中有着广泛的应用。
电磁波的传播与介质密切相关，介质的性质会对电磁波的传播产生明显的影响。
因此，对于电磁波在介质中的传播行为，进行理论分析具有重要的意义。
介质与电磁场的相互作用在介质中，电磁波与介质之间的相互作用是一种复杂的物理过程。
介质中的电子和原子会对入射的电磁波进行吸收、散射和反射等作用，从而影响电磁波的传播。
在这个过程中，涉及到电磁场、介质的物理性质以及相互作用的微观机制等方面的问题。
介质中的电磁场一般由两部分组成：自由场和束缚场。
自由场是指在介质外部没有受到任何限制的电场和磁场，它们在介质表面处会发生反射和折射等现象。
而束缚场是介质中电子和离子的运动所形成的静电场和磁场，它们与自由场相互作用，影响电磁波的传播。
介质中电磁波的传播方程电磁波在介质中的传播方程可以用麦克斯韦方程组来描述。
在介质中，麦克斯韦方程组可以写成：$$ \nabla \times E = -\frac{\partial B}{\partial t} $$$$ \nabla \times H = j \omega \epsilon E + \frac{\partial D}{\partial t} $$$$ \nabla \cdot D = \rho_e $$$$ \nabla \cdot B = 0 $$其中，$E$和$H$分别是电场和磁场的强度向量，$B$和$D$分别是磁感应强度和电位移矢量。
$\rho_e$是介质中的自由电荷密度，$\omega$是电磁波的角频率，$j=\sqrt{-1}$是虚数单位。
通过求解这个方程组，就可以得到在介质中电磁波传播的行为。
其中，$\epsilon$是介质的介电常数，在电磁波传播中起着重要作用。
介电常数越大，介质对电磁波的阻碍越大，电磁波的传播速度越慢。
电磁波的折射和反射当电磁波从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射和反射现象。
1.6 光频电磁波的基本理论和定律
UP
DOWN
BACK
若已知光波强度，可计算光波电矢量的振幅A。
一个100瓦的灯泡，在距离10米处的强度（设灯泡在 各个方向均匀发光）为
100 2 2 I 7 . 8 10 w / m 4 10 2
设
v c 0
2I 15.6 102 A 7.66V / m 3 2.6610 c 0
UP
DOWN
BACK
微分形式
D B 0 B t D H j t E
＝x0 y0 z0 x y z t
空间位置的变化 时域的变化
UP
揭示了电流、电场、磁场相互激励的性质
：封闭曲面内的电荷密 度；
复振幅：只关心光波在 空间的分布。
UP DOWN
y
x
P(x,y,z)
k
r s=r k
o
z
BACK
A E ＝ exp[i( kr t )] 2、球面波 r ~ A 发散的球面波： E ＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的球面波： E ＝ e xp(ikr ) r A i( kr t )] 3、柱面波 E＝ e xp[ r ~ A 发散的柱面波： E＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的柱面波： E＝ e xp(ikr ) r
S
d B 法拉第定理： l E dl dt t ds 安培环路定律： H dl I D ds l t
D：电感强度 E：电场强度 B：磁感强度 H：磁场强度 ：磁通量
后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。
z t 波动公式： E＝A cos2( ) T E＝A cos(kz t )
电磁波传播基础
电磁波传播基础
1. 电磁波的本质
电磁波是由电场和磁场组成的能量传播形式,是一种横波,波的振动方向与传播方向垂直。
电磁波的产生源是加速运动的电荷。
2. 电磁波的性质
2.1 电磁波在真空中以光速传播,在介质中传播速率小于光速。
2.2 电磁波是横波,电场和磁场振动方向相互垂直,且与传播方向也相互垂直。
2.3 电磁波具有波长、频率、振幅等波的一般性质。
2.4 不同波长的电磁波具有不同的穿透能力。
3. 电磁波的传播方式
3.1 在真空中直线传播
3.2 在均匀介质中直线传播
3.3 在非均匀介质中会发生折射、反射等现象
3.4 在导体中会被快速衰减
4. 电磁波的应用
电磁波在通信、雷达、遥感、医疗、工业等领域有着广泛的应用。
不同波长的电磁波具有不同的应用,如无线电波用于广播和通信,微波用于雷达和卫星通信,可见光用于照明和显示等。
5. 电磁波的辐射
电磁波的产生源会向周围发射电磁辐射,过量的电磁辐射会对生物体和电子设备产生不利影响。
因此在使用无线电、雷达等设备时,需要注意控制电磁辐射强度在安全范围内。
电磁波传播基本知识及天线原理 (1)
交叉极化比 上旁瓣抑制
对网络性能有影响的辅助指标
下零点填充 方向图圆度
三、天线主要性能参数
天线增益
系指天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与参考天线（通常采用理 想点源）在相同输入功率时最大辐射功率通量密度的比值。
P1
P0 天线
P2
理想辐射单元
G = 10log(P1/P2)
三、天线主要性能参数
交叉极化比 上旁瓣抑制
对网络性能有影响的辅助指标
下零点填充 方向图圆度
三、天线主要性能参数
前后比
±30°? 25dB ？ +/-2dB ?
抑制同频干扰或导频污染的重要指标
通常仅需考察水平面方向图(?)的前后比,并特指后向±30°范围内(?)的最差值。
前后比指标越差，后向辐射就越大，对该天
线后面的覆盖小区造成干扰的可能性就越大。
特殊应用中才会考察垂直面方向图的前后比，
比如基站背向区域有超高层建筑物。
后向功率
前向功率
三、天线主要性能参数
根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：
对网络的不同影响程度
满足网络覆盖要求的基础指标
天线参数
水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性 垂直面波束宽度及电下倾角度 前后比 增益
能够提升网络通信质量的辅助指标
三、天线主要性能参数
根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：
对网络的不同影响程度
满足网络覆盖要求的基础指标
天线参数
水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性 垂直面波束宽度及电下倾角度 前后比 增益
能够提升网络通信质量的辅助指标
交叉极化比 上旁瓣抑制
对网络性能有影响的辅助指标
电磁场和电磁波理论
电磁波的传播方式
• 地波传播：是一种沿着地球表面传播的电磁波，称为地面 波或表面波传播，简称地表波。 • 天波传播：电波向天空辐射并经电离层反射回到地面的传 播方式称为天波传播，也称电离层传播。 • 直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方式， 称为直射波传播，有时也称视距传播或视线传播。 • 散射传播：这种传播主要是由于电磁波投射到大气层（如 对流层）中的不均匀气团时产生散射，其中一部分电磁波 到达接收地点。
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第二节 电磁波传播原理
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电磁波的传播方式
电磁波从发射机发出，传播到接收天线，可以有不同
的传播方式，主要的传播方式以下四种 ：
（a）地波
（b）天波
（c）直射波
（d）散射波
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移动环境中电波传播特点
电磁波信号的衰落
• 快衰落
• 慢衰落
下一节将详细讨论。
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移动环境中电波传播特点
电磁波信号的多径时延
移动台所收到的是多径信号，它是 同一信号通过不同路径而到达接收天线 的，因而它到达的时间先后和强度会有 所不同（电磁波走的路程长短不同，所 以到达时间有先后，遭到的衰减也不 同）。当发射台发送一个脉冲信号时， 传来的脉冲到达接收天线时，相对于路 径最短的那个脉冲（往往也是最强的） 有着不同的时间差，这个差值称为多径 时延，或叫差分时延。
电磁波的吸收和散射理论解释
电磁波的吸收和散射理论解释一、电磁波的基本概念电磁波是一种由电场和磁场相互作用而产生的能量传播形式。
它具有许多特殊的性质，如波长、频率和振幅等，可以分成不同的频段，例如可见光、微波和射频等。
电磁波广泛应用于通信、雷达、医疗和无线电等领域。
二、电磁波的传播与吸收当电磁波传播到物体表面时，它们会发生吸收和散射现象。
吸收是指电磁波能量被物体吸收并转化为其他形式的能量。
散射是指电磁波在物体表面或内部发生折射、反射或散射，并改变原有的传播方向。
吸收和散射的程度取决于物体的特性以及电磁波的频率和功率。
不同物体对不同频率的电磁波有不同的吸收和散射特性。
一般来说，物体的吸收能力与电磁波的频率有关。
在可见光频段中，金属材料对光的吸收较小，而在微波频段中，金属材料对微波的吸收能力非常强。
三、电磁波的散射机制电磁波在物体表面发生散射时，遵循不同的散射机制。
其中，光的散射可按照粒子尺寸与波长的相对大小分为几何光学散射和雷利散射。
几何光学散射是指当物体尺寸远大于光的波长时，光在物体表面发生反射、折射和散射等现象。
而雷利散射是指当物体尺寸与光的波长相当时，光在物体表面或内部与物体的微观结构相互作用而发生散射现象。
根据散射的原因，电磁波散射可分为材料散射和微观结构散射。
材料散射是指由于介质中原子或分子实践代表性尺寸比光的波长小，故导致电磁波的散射。
而微观结构散射是指由于物体表面或内部的微观结构特征导致的电磁波散射，如微观颗粒、晶格等。
四、电磁波的吸收机制物体吸收电磁波的机制主要包括电导吸收和介质吸收。
电导吸收是指当电磁波通过导电材料时，由于材料导体中的自由电子与电磁波相互作用而将电磁波能量转化为热能。
这种吸收机制在可见光频段中较弱，但在射频和微波频段中较为显著。
介质吸收是指电磁波通过介质时，由于介质的原子或分子与电磁波发生相互作用而吸收电磁波能量。
这种吸收机制主要发生在可见光频段以及微波和射频频段中。
介质吸收与物质的性质有关，不同物质对不同频率的电磁波有不同的吸收特性。
电磁波传播原理
电磁波传播原理电磁波是一种能够在真空中传播的波动现象，它在无线通信、无线电广播、雷达系统等领域发挥着重要的作用。
本文将介绍电磁波的传播原理，包括电磁波的定义与特性、电磁波的传播方式及其影响因素。
1. 电磁波的定义与特性电磁波是由电场和磁场相互耦合而成的波动现象。
电场和磁场通过Maxwell方程组相互关联，形成电磁波的传播。
电磁波具有以下特性：1.1 频率与波长电磁波的频率表示波动的周期性，单位为赫兹（Hz），波长表示波动的空间周期，单位为米（m）。
两者之间的关系为 c = λf，其中，c表示光速。
1.2 能量与强度电磁波携带能量，其能量与强度与电磁场的振幅相关。
强度衡量了电磁波的能量传递速率，单位通常为瓦特/平方米（W/m²）。
1.3 极化与方向电磁波的振动方向决定了其极化状态。
如果电磁波的电场振动方向固定不变，则为线偏振；如果电场振动方向在垂直平面上变化，则为圆偏振或椭圆偏振。
2. 电磁波的传播方式电磁波在空间中以波动的方式传播，主要包括直线传播、绕射传播和反射传播三种方式。
2.1 直线传播当电磁波沿着一条直线传播时，会保持波动的形态不变。
这种传播方式主要适用于开放的空间环境，例如无线通信中的室外传播。
2.2 绕射传播当电磁波遇到一个障碍物时，会发生绕射现象，即波动从一个区域穿过障碍物后继续传播。
绕射传播常见于射频通信中的建筑物、山脉等障碍物环境中。
2.3 反射传播电磁波在遇到介质边界时会发生反射现象，即波动从边界反射回来。
反射传播常见于无线电广播中的地面反射和室内环境中的多次反射。
3. 影响电磁波传播的因素电磁波的传播受到多种因素的影响，包括频率、波长、功率、环境和障碍物等。
3.1 频率与波长频率和波长决定了电磁波在空间中的传播特性。
高频率的电磁波会更容易受到阻碍，传播距离相对较短；低频率的电磁波可以穿透障碍物，传播距离相对较远。
3.2 功率与衰减电磁波的功率越大，传输距离越远。
然而，电磁波在传播过程中会受到衰减，衰减程度取决于介质的特性。
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大气折射（2）
负折射（K<1） 无折射（K=1） 标准折射k=4/3
Re
由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波；发射天线发出的 指向地面的电波，被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。 T 显然，接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。电波的合成 不会象 1 + 1 = 2 那样简单地代数相加，合成结果会随着直射波 和反射波间的波程差的不同而不同。
直线波
极限直视距离
超短波特别是微波，主要是由空间波来传播的。简单地说，空间波是 在空间范围内沿直线方向传播的波。显然，由于地球的曲率使空间波 传播存在一个极限直视距离Rmax 。在最远直视距离之内的区域，习 惯上称为照明区；极限直视距离Rmax以外的区域，则称为阴影区。 不言而语，利用超短波、微波进行通信时，接收点应落在发射天线极 限直视距离Rmax内。
受地球曲率半径的影响，极限直视距离Rmax 和发射天线与接收天线的高度HT 与 HR间的关系 为 ： Rmax ＝ 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km) 地球赤道半径 6378Km
考虑大气折射时： 4.12( h1 d h1, h 2( m) d ( km) h2 )
( m) ( m)
电磁波的绕射
在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕 过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的 绕射。 波的绕射主要是对遮挡物后面的“阴影区” 研究。 波长越短（即频率越高）绕射能力越差， 反之则较强。
波的绕射在覆盖中的影响
超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱， 在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴 影区”。信号质量受到影响的程度，不仅和建筑 物的高度有关，和接收天线与建筑物之间的距离 有关，还和频率有关。 频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近， 信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频 率越低，建筑物越矮、接收天线与建筑物越远， 影响越小。
pt 2 pr SAr Gt Gr ( ) 2 4d 4
公式推导
对以上公式两边取分贝得： 10log(Pr)=10log(PtGtGr)-10log(4πd/ λ)2 其中10log(4πd/ λ)2前面为负号即为传输损耗。 自由空间中电磁波传播损耗 L0＝ 10log(4πd/ λ)2 =32.44dB+20log(d)+20log(f) d 两点间通信距离单位Km f 工作频率单位MHz
不同地型的传输损耗
L(市区）＝69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)-s(a) L(郊区)=64.15+26.16lgf-2[lg(f/28)]2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2) L(乡村公路)=46.38+35.33lgf-[lg(f/28)]2-2.39(lgf)2-13.82lgh1+(44.96.55lgh1)lgd-a(h2) L(开阔区)=28.61+44.49lgf-4.87(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgda(h2) L(林区)=69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
地波
沿地球表面空 间传播的无线 电波称为地波 。 依靠大气电离 层的发射传播 的无线电波称 为天波 沿直线传播的 无线电波称为 空间波或视波
波段； 中、长波 (＜ 1605kHz) 波段；
主要用途： 长波适用超远程无 线电通讯和导航； 中波、中短波适用 广播与电报。 主要用途：
天波
短波（3.9－ 无线电广播和电报 22MHz) 波段： 微波 主要用途： 移动通信等较多领 域
自由空间中的路径损耗
Ls＝32.45+20lgf+20lgd 自由空间基本传输损耗Ls仅与频率f和距离d 有关。当f 和d扩大一倍时，Ls均增加6dB， 由此我们可知GSM1800基站传播损耗在自 由空间就比GSM900基站大6个dB
电磁波的多径
电磁波的多径
电磁波在大气中会产生折射。 电磁波遇到障碍物时会产生反射和绕射象。 电磁波在空气中的微粒会产生散射现象。
基本模型
陆地移动信道的主要特征是多径传播，实 际多径传播环境是十分复杂的，在研究传 播问题时往往将其简化，并且是从最简单 的情况入手。仅考虑从基站至移动台的直 射波以及地面反射波的两径模型是最简单 的传播模型。 传输损耗：Lp≈20lg(d/(h1*h2)) （GSM）
Okumura模型
1.市区的路径损耗 Lp◆ Okumura电波传播衰减计算模式 GSM900MHz主要采用国际推荐的Okumura 电波传播衰减计算模式。该模式是以准平坦 地形大城市区的平均场强或路径损耗作为参 考，对其他传播环境和地形条件等因素分别 以校正因子的形式进行修正。不同地形上的 基本传输损耗按下列公式分别预测。
电磁波传播基本理论
电磁波在自由空间中的传输损耗
Pt
d
Pr
pt pr Gt Gr ( ) 2 4d 4
2
接收功率推导公式
发射天线单位面积电功密度 S=PtGt/(4πd2） 接收天线有效接收面积 Ar=Grλ2/π 4πd2球面积 λ2/π 接收天线有效积 Gt 发射天线增益 Gr接收天线增益 λ工作波长 由上可得出公式
R
d1
d2
d
菲涅尔半径
菲涅尔半径求法
T
0 F1
R
d1
d2
菲涅尔区和菲涅尔半径
(m)d1 (m)d 2 (m) F1 d ( m) (m)d1 (km)d 2 (km) F1 31.6 d (km)
Fn n F1
在第一菲涅尔区内可近似采用自由空间计算传播损耗。 在一些情况下可改变天线高度以调整夹生覆盖情况。
其中：f----工作频率，MHz h1---基站天线高度，m h2---移动台天线高度m d---到基站的距离，km a(h2)---移动台天线高度增益因子，dB a(h2)=(1.1lgf-0.7)h2-1.56lgf+0.8(中，小城 市) =3.2[lg(11.75h2)]2-4.97(大城市) s(a)---市区建筑物密度修正因子，dB; s(a)=30-25lga (5%<a≤50%) =20+0.19lga-15.6(lga)2 (1%<a≤5%) =20 (a≤1%)=69.55+26.16Log(f)-13.82Log(hb)+(44.9- 65.5Loghb)Logd-Ahm 其中对中等或大城市Ahm=(1.1Log(f)-0.7)hm-(1.56Log(f)-0.8)
例题
GSM900网络中，平滑地面上发射功率为 40W，手机离基站相距2Km，发射天线的 增益32dBi,手机天线增益0dBi,求基站至手 机的自由空间损耗，及手机可接收的功率 为多少dBm? 解： Ls=32.44+20log(d)+20log(f) Pr=Pt+Gt+Gr-Ls-Lp
Okumura模型
2.郊区Lps=Lp(市区）－2[Log(f/28)]2-5.4 3.在农村或开阔地带 Lp0=Lp市区－4.78(Log(f))2-118.33Log(f)44.94
参考覆盖标准 大城市繁华市区室内覆盖电平：-70dBm 一般市区室内覆盖电平：-80 dBm 市区室外覆盖电平：-90 dBm 乡村：-94 dBm