无线电波和传播.PDFVIP

无线电波和传播 Ian Poole 还是让我们从基础说起吧。本章介绍了无线电波、电场和传播的基本概念，以及描述频 率和波长之间关系的基本公式。大部分内容都是关于无线电波在实际应用中如何传播的基本 介绍，包括反射和多路径，另外还用了较大的篇幅介绍大气效应。 ——Janine Sullivan Love 无线电波的特性和传播方式在无线电技术的研究中是至关重要的。在其他方法无法实现的 情况下，无线电波的长距离传播特性使得通信成为可能。利用无线电波可以在几米到数千英里 的距离之间建立通信。通过短波传播或卫星传播，我们可以同地球另一端的人打电话，或者进 行其他形式的通信。与之相比，无线电波的传播距离还要更远。例如，无线电望远镜可以检测 到由几光年以外的能量源发出的微弱信号。 无线电波是一种电磁波。因为电磁波包含电场成分和磁场成分，所以在学习电磁波之前有 必要先介绍一下电场和磁场。 1.1 电场 任何带电物体，不管是带静电还是有电流从中通过，都有一个电场与之相关联。众所周知， 同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引。这可以通过很多方式来证明。例如，梳理过的头发通 常容易立起来。这是因为，梳头时梳子和头发摩擦产生静电，结果每根头发都带有相同极性的 电荷，它们因相互排斥而立起来。由此可见，电荷之间存在着相互作用力。如果电压达到千伏 以上，那么这样的例子的效果就相当显著了。然而，即使是电子电路中相对较低的电压，也会 表现出相同的效果，尽管程度要小得多。 任何带电物体都会辐射出电场，如图 1-1 所示。电势随着与带电物体距离的增加而下降。 下面举一个 10V 的带电球体的例子。在球的表面，电势为 10V。然而，随着与球心距离的增加， 电势开始下降。由此可见，可以在球体周围画出如图 1-1 所示的等电势线。 电势随着与球心距离的增大而减弱。这表明，电势的大小与距球心的距离成反比，即增加 一倍的距离，电势减半。电势与距球心的距离的变化关系如图 1-2 所示。 电场决定了其中带电物体的受力大小和方向。电场强度是图 1-2 中的曲线斜率的负值。曲 线的斜率往往表示变量的变化率。在这里，它代表着某一点上的电势对距离的变化率，也就是 所谓的电势梯度。可以看出，电势梯度与距离的平方成反比。换言之，若距离增加一倍，则电 势的梯度将减少到 1/4。 第 1 章 2 第 1 章 无线电波和传播 图 1-1 电场线和带电球体周围的电势线 图 1-2 电势大小与距带电球体距离的关系 1.2 磁场 磁场也很重要。同电荷一样，磁体也可以相互吸引和相互排斥。类似于正电荷和负电荷， 磁体有两种磁极，即北极和南极。同极相斥，异极相吸。在磁场中，同样可以发现，磁场强度 与距离的平方成反比。 1.3 无线电波 3 虽然最先为人们所用的磁体是永磁体，但很久以后，人们发现电流在导线中流动也可以产 生磁场（见图 1-3）。这是很容易验证的，把磁针放在通电导体附近，磁针会发生偏转。图中导 线四周特定方向的线就是磁力线。确定磁力线走向的最简单的方法就是在导体周围使用右手螺 旋法则。想象一下，右手成螺旋状，拇指指向电流方向。其他手指成螺旋状旋转的方向就是磁 力线的走向。 图 1-3 通电导线周围的磁力线 1.3 无线电波 正如之前提到的，无线电信号是一种电磁波。无线电信号有着与光波、紫外线和红外线相 同的辐射类型，其不同之处在于波长和频率。电磁波在组成上是相当复杂的，它包含不可分离 的电场分量和磁场分量。电场平面和磁场平面相互垂直，同时又都与电磁波的运动方向垂直。 电磁波可以由图 1-4 形象地表示。 图 1-4 电磁波 4 第 1 章 无线电波和传播 发射信号的天线上的电压变化产生电场，而电流的流动引起磁场的变化。我们还可以发现， 电场线沿着与天线相同的轴线传播，并随着远离轴线而向外扩散。电场的测量以给定距离上电 势的变化量为单位（如 V/m），这就是电场强度。 电磁波有很多属性。第一个属性是波长。这是指电磁波上的一个点到下一个完全相同点的 距离，如图 1-5 所示。最明显的一个选取点是峰值点，因为这个点很容易识别，不过选择任何 点都是可以的。 图 1-5 电磁波的波长 电磁波的第二个属性是频率。这是指电磁波上某一点在一定时间内（通常是 1 秒）往复运动 的次数。频率的单位是 Hz，它等于周期/秒。该单位是以发现无线电波的德国科学家的名字命名 的。无线电使用的频率通常很高。因此，我们经常要给赫兹加上前缀千、兆和千兆，例如，1 kHz 是 1000 赫兹，1 MHz 是 1 兆赫兹，1 GHz 是 1 千兆赫兹（即 1000 MHz）。最初，频率的单位 是没有特定名字的，只是使用周期/秒（c/s）。一些较早期的书籍