无线电波传播第二讲电波传播基本理论幻灯片.ppt

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1、无线电波传播第二讲电波传播基本理论第1页，共60页，编辑于2022年，星期六Principle of EM wavesProperties of EM wavesMaxwells equationsWave equationsTank circuitAM and FM第2页，共60页，编辑于2022年，星期六几个重要的人物：几个重要的人物：麦克斯韦麦克斯韦：18311831年年6 6月出生于英国爱丁堡。月出生于英国爱丁堡。麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培

2、、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，拉第等前人的一系列发现和实验成果，18731873年建立了第年建立了第一个完整的电磁理论体系，一个完整的电磁理论体系，不仅科学地不仅科学地预言了电磁波的预言了电磁波的存在，存在，而且而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，奠定了。这一理论自然科学的成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。Principle of EM waves第3页，共60页，编辑于2022年，星期六赫

3、兹赫兹：德国物理学家，生于汉堡。德国物理学家，生于汉堡。赫兹对人类最伟大的贡献是赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。用实验证实了电磁波的存在。1888 1888年年1 1月，赫兹将他的研究成果总结在论动电效应月，赫兹将他的研究成果总结在论动电效应的传播速度一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科的传播速度一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。得决定性的胜利。18881888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现

4、具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于大期望时，他却于18941894年元旦因血中毒逝世，年仅年元旦因血中毒逝世，年仅3636岁。为岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字了纪念他的功绩，人们用他的名字“赫兹赫兹”来命名各种波动来命名各种波动频率的单位。频率的单位。Principle of EM waves第4页，共60页，编辑于2022年，星期六

5、马可尼马可尼：人类无线电通信的创始人人类无线电通信的创始人意大利的马可意大利的马可尼（尼（Marconi,G.W.,1874Marconi,G.W.,187419371937）与俄国的波波夫）与俄国的波波夫（oo,A.C.1859oo,A.C.185919061906）成功地进行了世界上成功地进行了世界上最早的无线电通讯活动最早的无线电通讯活动，开创了人类通讯的新纪元。，开创了人类通讯的新纪元。意大利意大利人马可尼人马可尼19011901年向新来临的年向新来临的2020世纪奉献上的珍贵世纪奉献上的珍贵礼品是一项科技创新与发明礼品是一项科技创新与发明成功地进行了成功地进行了首次无线电首次无线电通

6、讯通讯，无线电技术的大发展从而成为，无线电技术的大发展从而成为2020世纪的热门事世纪的热门事情。情。19061906年，美国物理学家费森登发明无线电广播年，美国物理学家费森登发明无线电广播，使无线，使无线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。Principle of EM waves第5页，共60页，编辑于2022年，星期六 无线电通讯是利用电磁波的辐射和传播、经过空间传送信息的通信方式。无线电通讯是利用电磁波的辐射和传播、经过空间传送信息的通信方式。18311831年，年，英国法拉第发现电磁感应英国法拉第发现电磁感应。18651865年，英

7、国麦克斯韦从理论上预言了年，英国麦克斯韦从理论上预言了电的任何波动可以电的任何波动可以在远处产生感应即在远处产生感应即电磁波的存在电磁波的存在、并且电磁波能够从产生的地方以光的速度辐射出去，、并且电磁波能够从产生的地方以光的速度辐射出去，但他本人未能亲自作出实验验证。但他本人未能亲自作出实验验证。18871887年，德国物理学家赫兹（年，德国物理学家赫兹（Hertz,H.R.,1857Hertz,H.R.,185718941894）利用静电的火花放电实验，利用静电的火花放电实验，证明了电磁波的存在证明了电磁波的存在，激起了人们利用电磁波的念头，激起了人们利用电磁波的念头，而赫兹却英年早逝，未能

8、在电磁波的应用技术方面开展科研工作。敏感的发明家们而赫兹却英年早逝，未能在电磁波的应用技术方面开展科研工作。敏感的发明家们已经意识到电磁波可以用于无线电通讯。以意大利的马可尼和俄国的波波夫为代表已经意识到电磁波可以用于无线电通讯。以意大利的马可尼和俄国的波波夫为代表的科学家、发明家，在前人已掌握的电磁学和电磁波知识的基础上，大胆探索、奋的科学家、发明家，在前人已掌握的电磁学和电磁波知识的基础上，大胆探索、奋勇实践，开启了电磁波应用的大门并开创了无线电通信这门新技术。勇实践，开启了电磁波应用的大门并开创了无线电通信这门新技术。意大利人马可尼意大利人马可尼19011901年向新来临的年向新来临的2

9、020世纪奉献上的珍贵礼品是一项科技创新与发明世纪奉献上的珍贵礼品是一项科技创新与发明成功地进行了首次无线电通讯，成功地进行了首次无线电通讯，无线电技术的大发展从而成为无线电技术的大发展从而成为2020世纪的热门事情。世纪的热门事情。19061906年，美国物理学家费森登发明无线电广播，使无线电波进入千家万户，预示着一个信息年，美国物理学家费森登发明无线电广播，使无线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。时代的肇始。Principle of EM waves第6页，共60页，编辑于2022年，星期六Properties of EM WavesTransverse wavesPropaga

10、tes in vacuum&mediumWide frequency rangePropagates at speed of lightc=3x108 m/s(in vacuum)Principle of EM waves第7页，共60页，编辑于2022年，星期六Transverse EM WavePrinciple of EM waves第8页，共60页，编辑于2022年，星期六Longitudinal Waves Longitudinal waves displacement in the same direction as wave motion Example:sound wavesP

11、rinciple of EM waves第9页，共60页，编辑于2022年，星期六麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组(Maxwell(Maxwells equations)s equations)以以上上四四个个方方程程式式是是普普遍遍情情况况下下电电磁磁场场所所满满足足的的基本方程式，称为麦克斯韦方程组。基本方程式，称为麦克斯韦方程组。电磁感应定理电磁感应定理磁场的高斯定理磁场的高斯定理电场的高斯定理电场的高斯定理安培环路定理安培环路定理 Principle of EM waves第10页，共60页，编辑于2022年，星期六麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式电磁波的实验事实表明，麦克

12、斯韦方程组不仅适用于恒定的和缓变电磁波的实验事实表明，麦克斯韦方程组不仅适用于恒定的和缓变的电磁场，也适用于快速变化的电磁场。的电磁场，也适用于快速变化的电磁场。Principle of EM waves式中式中E、H、D和和B分别是电场强度、磁场强度、电位移矢量和磁感应强度，分别是电场强度、磁场强度、电位移矢量和磁感应强度，和和J 分别是传导电流密度和自由电荷密度。分别是传导电流密度和自由电荷密度。第11页，共60页，编辑于2022年，星期六连续性方程连续性方程运动的电荷形成电流。连续性方程规定电荷密度运动的电荷形成电流。连续性方程规定电荷密度和电流密度之间的关系和电流密度之间的关系Prin

13、ciple of EM waves第12页，共60页，编辑于2022年，星期六Principle of EM waves第13页，共60页，编辑于2022年，星期六Constitutive RelationsPrinciple of EM waves第14页，共60页，编辑于2022年，星期六Principle of EM waves第15页，共60页，编辑于2022年，星期六Principle of EM waves第16页，共60页，编辑于2022年，星期六麦克斯韦电磁场理论的理解麦克斯韦电磁场理论的理解u恒定恒定的电场不产生磁场的电场不产生磁场u恒定恒定的磁场不产生电场的磁场不产生电场u

14、均匀变化均匀变化的电场在周围空间产生的电场在周围空间产生恒定恒定的磁场的磁场u均匀变化均匀变化的磁场在周围空间产生的磁场在周围空间产生恒定恒定的电场的电场u振荡电场振荡电场产生产生同频率同频率的的振荡磁场振荡磁场u振荡磁场振荡磁场产生产生同频率同频率的的振荡电场振荡电场周期性变化的电场（磁场）叫振荡电场（磁场）周期性变化的电场（磁场）叫振荡电场（磁场）Principle of EM waves第17页，共60页，编辑于2022年，星期六非均匀非均匀变化磁变化磁场场激发激发变变化化电电场场均均匀匀变变化化激发稳稳定定磁磁场场不不再再激激发发若非若非均匀均匀变化变化激发变变化化磁磁场场均匀变化均匀

15、变化激发稳稳定定电电场场非均匀变化非均匀变化电场和磁场的变化关系电场和磁场的变化关系Principle of EM waves第18页，共60页，编辑于2022年，星期六电磁波电磁波电磁场：如果在空间某区域中有周期性变化的电场电磁场：如果在空间某区域中有周期性变化的电场,那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场化的磁场;这个变化的磁场又在它周围空间产生新这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场的周期性变化的电场变化的电场和变化的磁场相互联系变化的电场和变化的磁场相互联系,形成不可分割的统一形成不可分割的统一体体,这就是电磁场。

16、电磁场由发生区域向远处的传播就是这就是电磁场。电磁场由发生区域向远处的传播就是电磁波电磁波。第19页，共60页，编辑于2022年，星期六电磁波在真空中的波动方程电磁波在真空中的波动方程Principle of EM waves真空中真空中先讨论无源的情况先讨论无源的情况 第20页，共60页，编辑于2022年，星期六则电场的波动方程可写为：则电场的波动方程可写为：Principle of EM waves类似地可以得到磁场的波动方程：类似地可以得到磁场的波动方程：第21页，共60页，编辑于2022年，星期六亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程有有多多种种解解：平平面面波波解解，球球面面波波解解，高高斯斯波波

17、解解等等等等。其其中最简单、最基本的形式为平面波解。中最简单、最基本的形式为平面波解。平面电磁波：传播方向一定，波阵面与传播方向垂直的平面电磁波：传播方向一定，波阵面与传播方向垂直的一种波一种波 设电磁波沿设电磁波沿z轴传播，此时可用一维模型替代：轴传播，此时可用一维模型替代：它的一个解是：它的一个解是：平面波解平面波解Principle of EM waves第22页，共60页，编辑于2022年，星期六可见，电磁波中电场和磁场矢量沿传播方向可见，电磁波中电场和磁场矢量沿传播方向(纵向纵向)的分量的分量 E Ez z 和和B Bz z 是不随时间和空间变化的常量，故可认为是不随时间和空间变化的

18、常量，故可认为E Ez z=0=0，B Bz z=0=0。这样得到电磁波的第一条性质：电磁波是横波。这样得到电磁波的第一条性质：电磁波是横波。假假设设平平面面电电磁磁波波沿沿z轴轴方方向向传传播播，则则E和和B都都只只是是z和和t的的函函数数，麦麦克克斯韦方程组具体写为斯韦方程组具体写为Principle of EM waves第23页，共60页，编辑于2022年，星期六 电磁波的横波性质说明：电磁波沿电磁波的横波性质说明：电磁波沿z方向传播，则电场矢量和方向传播，则电场矢量和磁场矢量只能处于磁场矢量只能处于xy平面内。平面内。若选择电场矢量沿若选择电场矢量沿x方向，所以方向，所以Ey=0。可

19、以得到。可以得到 如如果果电电场场矢矢量量沿沿x方方向向，则则磁磁场场矢矢量量的的x分分量量必必定定等等于于零零，也也就就是是磁场矢量只能沿磁场矢量只能沿y方向。方向。于于是是得得到到电电磁磁波波的的第第二二条条性性质质：电电磁磁波波的的电电场场矢矢量量E与与磁磁场场矢矢量量B是互相垂直的，并与传播方向是互相垂直的，并与传播方向k满足右螺旋关系。满足右螺旋关系。Principle of EM waves第24页，共60页，编辑于2022年，星期六平面电磁波平面电磁波在无限大均匀介质中的传播示意图在无限大均匀介质中的传播示意图：Principle of EM waves第25页，共60页，编辑于

20、2022年，星期六一般坐标系下平面电磁波的表示式一般坐标系下平面电磁波的表示式Principle of EM waves第26页，共60页，编辑于2022年，星期六波长波长周期周期同一时刻相位差同一时刻相位差 的两个的两个等相面间的距离等相面间的距离是波长是波长波长与周期波长与周期空间的一点相位改变空间的一点相位改变 所需要的时间定义为周期所需要的时间定义为周期Principle of EM waves第27页，共60页，编辑于2022年，星期六Tank CircuitInductor&Capacitor share energyCharge flows back and forth thro

21、ugh inductorEnergy shifts back and forth between the two devicesPrinciple of EM waves第28页，共60页，编辑于2022年，星期六Tank Circuits in RadioTanks are resonant devicesTanks build up energy at a specific frequencyTanks help radios emit radio wavesTanks help radios detect radio wavesPrinciple of EM waves第29页，共60页

22、，编辑于2022年，星期六Emitting Radio WavesA transmitter uses a tank circuit to“slosh”charge up and down its antennaA receiver uses a tank circuit to detect charge“sloshing”on its antennaTransmitter antenna charge affects receiver antenna chargePrinciple of EM waves第30页，共60页，编辑于2022年，星期六用电磁波传递声音和图像信号的原理用电磁波传递

23、声音和图像信号的原理先将信号载在电磁波上，再把载有信先将信号载在电磁波上，再把载有信号的电磁波发射出去，到达接收处设号的电磁波发射出去，到达接收处设法从电磁波上把信号检出来。法从电磁波上把信号检出来。电磁波传递声音和图像信号打个比方就象鸽电磁波传递声音和图像信号打个比方就象鸽子送信一样。子送信一样。Principle of EM waves第31页，共60页，编辑于2022年，星期六电磁波的发射过程电磁波的发射过程 由高频振荡器产生高频振荡电流（由高频振荡器产生高频振荡电流（养鸽子养鸽子）把要传递的声音和图像信号变成电流信号把要传递的声音和图像信号变成电流信号(写信写信)将振荡器产生的高频振荡

24、电流和声音、图像的信号电将振荡器产生的高频振荡电流和声音、图像的信号电流一同输入到调制器中，使高频振荡电流随着传递的流一同输入到调制器中，使高频振荡电流随着传递的声音图像信号发生相应的变化（声音图像信号发生相应的变化（绑信绑信）把随着声音图像信号而变化的高频振荡电流送到发射天线，发把随着声音图像信号而变化的高频振荡电流送到发射天线，发射出电磁波（射出电磁波（放飞信鸽放飞信鸽）Principle of EM waves第32页，共60页，编辑于2022年，星期六电磁波的发射过程电磁波的发射过程Principle of EM waves第33页，共60页，编辑于2022年，星期六电磁波的接收过程电

25、磁波的接收过程用天线接收电磁波（用天线接收电磁波（抓信鸽抓信鸽）用调谐器即收音机或电视机中选台的电路选出所用调谐器即收音机或电视机中选台的电路选出所 需要需要的电信号（的电信号（选出信鸽选出信鸽）让高频振荡电流经过检波器，就能将要传递的声音信号和让高频振荡电流经过检波器，就能将要传递的声音信号和图像信号从高频振荡电流中图像信号从高频振荡电流中“检检”出（出（取信取信）把声音信号和图象信号分别送到扬声器和电视机，就能把声音信号和图象信号分别送到扬声器和电视机，就能听到声音、看到图像（听到声音、看到图像（读信读信）Principle of EM waves第34页，共60页，编辑于2022年，星期

26、六电磁波的接收过程电磁波的接收过程Principle of EM waves第35页，共60页，编辑于2022年，星期六AM ModulationInformation is encoded in the fluctuating amplitude of the wavePressure variations cause changes in the amount of charge moving on the antennaPrinciple of EM waves第36页，共60页，编辑于2022年，星期六FM ModulationInformation is encoded in the

27、 exact frequency of the charge motionPressure variations cause slight shifts in the frequency of charge motion on the antennaPrinciple of EM waves第37页，共60页，编辑于2022年，星期六LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第38页，共60页，编辑于2022年，星期六LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第39页，共60页，编辑于2022年，星期六基本关系基本关系LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第40页，共60页，编辑于2022年，星

28、期六LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第41页，共60页，编辑于2022年，星期六电压满足的波动方程电压满足的波动方程LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第42页，共60页，编辑于2022年，星期六电流满足的波动方程电流满足的波动方程电流满足的波动方程电流满足的波动方程LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第43页，共60页，编辑于2022年，星期六LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第44页，共60页，编辑于2022年，星期六LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第45页，共60页，编辑于2022年，星期六LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第46页，共60页，编辑于2

29、022年，星期六电抗电抗LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第47页，共60页，编辑于2022年，星期六LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第48页，共60页，编辑于2022年，星期六阻抗匹配阻抗匹配LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第49页，共60页，编辑于2022年，星期六传播速度传播速度LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第50页，共60页，编辑于2022年，星期六平行双线平行双线第51页，共60页，编辑于2022年，星期六平行双线平行双线第52页，共60页，编辑于2022年，星期六平行双线平行双线第53页，共60页，编辑于2022年，星期六平行双线平行双线第54页，共60页，编辑于2022年，星期六平行双线平行双线第55页，共60页，编辑于2022年，星期六平行双线平行双线第56页，共60页，编辑于2022年，星期六平行双线平行双线第57页，共60页，编辑于2022年，星期六能量能量LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程第58页，共60页，编辑于2022年，星期六