無(wú)線電波傳播第二講電波傳播基本理論

無(wú)線電波傳播第二講電波傳播基本理論第一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三PrincipleofEMwavesPropertiesofEMwavesMaxwell’sequationsWaveequationsTankcircuitAMandFM第二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三幾個(gè)重要的人物：麥克斯韋：1831年6月出生于英國(guó)愛丁堡。

麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)家。他依據(jù)庫(kù)侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)成果，1873年建立了第一個(gè)完整的電磁理論體系，不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合。這一理論自然科學(xué)的成果，奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無(wú)線電工業(yè)的基礎(chǔ)。PrincipleofEMwaves第三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三赫茲：德國(guó)物理學(xué)家，生于漢堡。赫茲對(duì)人類最偉大的貢獻(xiàn)是用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。1888年1月，赫茲將他的研究成果總結(jié)在《論動(dòng)電效應(yīng)的傳播速度》一文中。赫茲實(shí)驗(yàn)公布后，轟動(dòng)了全世界的科學(xué)界。由法拉第開創(chuàng)，麥克斯韋總結(jié)的電磁理論，至此才取得決定性的勝利。

1888年，成了近代科學(xué)史上的一座里程碑。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它不僅證實(shí)了麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的真理，更重要的是開創(chuàng)了無(wú)線電電子技術(shù)的新紀(jì)元。

赫茲對(duì)人類文明作出了很大貢獻(xiàn)，正當(dāng)人們對(duì)他寄以更大期望時(shí)，他卻于1894年元旦因血中毒逝世，年僅36歲。為了紀(jì)念他的功績(jī)，人們用他的名字“赫茲”來(lái)命名各種波動(dòng)頻率的單位。PrincipleofEMwaves第四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三馬可尼：人類無(wú)線電通信的創(chuàng)始人——意大利的馬可尼（Marconi,G.W.,1874～1937）與俄國(guó)的波波夫（Πoπoβ,A.C.1859～1906）成功地進(jìn)行了世界上最早的無(wú)線電通訊活動(dòng)，開創(chuàng)了人類通訊的新紀(jì)元。

意大利人馬可尼1901年向新來(lái)臨的20世紀(jì)奉獻(xiàn)上的珍貴禮品是一項(xiàng)科技創(chuàng)新與發(fā)明——成功地進(jìn)行了首次無(wú)線電通訊，無(wú)線電技術(shù)的大發(fā)展從而成為20世紀(jì)的熱門事情。1906年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)森登發(fā)明無(wú)線電廣播，使無(wú)線電波進(jìn)入千家萬(wàn)戶，預(yù)示著一個(gè)信息時(shí)代的肇始。PrincipleofEMwaves第五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三

無(wú)線電通訊是利用電磁波的輻射和傳播、經(jīng)過空間傳送信息的通信方式。1831年，英國(guó)法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)。1865年，英國(guó)麥克斯韋從理論上預(yù)言了電的任何波動(dòng)可以在遠(yuǎn)處產(chǎn)生感應(yīng)即電磁波的存在、并且電磁波能夠從產(chǎn)生的地方以光的速度輻射出去，但他本人未能親自作出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1887年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲（Hertz,H.R.,1857～1894）利用靜電的火花放電實(shí)驗(yàn)，證明了電磁波的存在，激起了人們利用電磁波的念頭，而赫茲卻英年早逝，未能在電磁波的應(yīng)用技術(shù)方面開展科研工作。敏感的發(fā)明家們已經(jīng)意識(shí)到電磁波可以用于無(wú)線電通訊。以意大利的馬可尼和俄國(guó)的波波夫?yàn)榇淼目茖W(xué)家、發(fā)明家，在前人已掌握的電磁學(xué)和電磁波知識(shí)的基礎(chǔ)上，大膽探索、奮勇實(shí)踐，開啟了電磁波應(yīng)用的大門并開創(chuàng)了無(wú)線電通信這門新技術(shù)。

意大利人馬可尼1901年向新來(lái)臨的20世紀(jì)奉獻(xiàn)上的珍貴禮品是一項(xiàng)科技創(chuàng)新與發(fā)明——成功地進(jìn)行了首次無(wú)線電通訊，無(wú)線電技術(shù)的大發(fā)展從而成為20世紀(jì)的熱門事情。1906年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)森登發(fā)明無(wú)線電廣播，使無(wú)線電波進(jìn)入千家萬(wàn)戶，預(yù)示著一個(gè)信息時(shí)代的肇始。PrincipleofEMwaves第六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三PropertiesofEMWavesTransversewavesPropagatesinvacuum&mediumWidefrequencyrangePropagatesatspeedoflightc=3x108m/s(invacuum)PrincipleofEMwaves第七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三TransverseEMWavePrincipleofEMwaves第八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三LongitudinalWaves?Longitudinalwaves–displacement

inthesamedirectionaswavemotion?Example:soundwavesPrincipleofEMwaves第九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三麥克斯韋方程組(Maxwell’sequations)以上四個(gè)方程式是普遍情況下電磁場(chǎng)所滿足的基本方程式，稱為麥克斯韋方程組。電磁感應(yīng)定理磁場(chǎng)的高斯定理電場(chǎng)的高斯定理安培環(huán)路定理PrincipleofEMwaves第十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三麥克斯韋方程組的微分形式電磁波的實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，麥克斯韋方程組不僅適用于恒定的和緩變的電磁場(chǎng)，也適用于快速變化的電磁場(chǎng)。PrincipleofEMwaves式中E、H、D和B分別是電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電位移矢量和磁感應(yīng)強(qiáng)度，ρ和J分別是傳導(dǎo)電流密度和自由電荷密度。第十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三連續(xù)性方程運(yùn)動(dòng)的電荷形成電流。連續(xù)性方程規(guī)定電荷密度和電流密度之間的關(guān)系PrincipleofEMwaves第十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三PrincipleofEMwaves第十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三ConstitutiveRelationsPrincipleofEMwaves第十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三PrincipleofEMwaves第十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三PrincipleofEMwaves第十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的理解恒定的電場(chǎng)不產(chǎn)生磁場(chǎng)恒定的磁場(chǎng)不產(chǎn)生電場(chǎng)均勻變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)均勻變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生恒定的電場(chǎng)振蕩電場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng)振蕩磁場(chǎng)產(chǎn)生同頻率的振蕩電場(chǎng)周期性變化的電場(chǎng)（磁場(chǎng)）叫振蕩電場(chǎng)（磁場(chǎng)）PrincipleofEMwaves第十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三非均勻變化磁場(chǎng)激發(fā)變化電場(chǎng)均勻變化激發(fā)穩(wěn)定磁場(chǎng)不再激發(fā)若非均勻變化激發(fā)變化磁場(chǎng)均勻變化激發(fā)穩(wěn)定電場(chǎng)非均勻變化電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化關(guān)系PrincipleofEMwaves第十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三電磁波電磁場(chǎng)：如果在空間某區(qū)域中有周期性變化的電場(chǎng),那么這個(gè)變化的電場(chǎng)就在它周圍空間產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng);這個(gè)變化的磁場(chǎng)又在它周圍空間產(chǎn)生新的周期性變化的電場(chǎng)……變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)相互聯(lián)系,形成不可分割的統(tǒng)一體,這就是電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處的傳播就是電磁波。第十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三電磁波在真空中的波動(dòng)方程PrincipleofEMwaves真空中先討論無(wú)源的情況第二十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三則電場(chǎng)的波動(dòng)方程可寫為：PrincipleofEMwaves類似地可以得到磁場(chǎng)的波動(dòng)方程：第二十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三亥姆霍茲方程有多種解：平面波解，球面波解，高斯波解等等。其中最簡(jiǎn)單、最基本的形式為平面波解。平面電磁波：傳播方向一定，波陣面與傳播方向垂直的一種波設(shè)電磁波沿z軸傳播，此時(shí)可用一維模型替代：它的一個(gè)解是：平面波解PrincipleofEMwaves第二十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三可見，電磁波中電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量沿傳播方向(縱向)的分量Ez和Bz是不隨時(shí)間和空間變化的常量，故可認(rèn)為Ez=0，Bz=0。這樣得到電磁波的第一條性質(zhì)：電磁波是橫波。假設(shè)平面電磁波沿z軸方向傳播，則E和B都只是z和t的函數(shù)，麥克斯韋方程組具體寫為PrincipleofEMwaves第二十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三

電磁波的橫波性質(zhì)說明：電磁波沿z方向傳播，則電場(chǎng)矢量和磁場(chǎng)矢量只能處于xy平面內(nèi)。若選擇電場(chǎng)矢量沿x方向，所以Ey=0。可以得到如果電場(chǎng)矢量沿x方向，則磁場(chǎng)矢量的x分量必定等于零，也就是磁場(chǎng)矢量只能沿y方向。于是得到電磁波的第二條性質(zhì)：電磁波的電場(chǎng)矢量E與磁場(chǎng)矢量B是互相垂直的，并與傳播方向k滿足右螺旋關(guān)系。PrincipleofEMwaves第二十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三平面電磁波在無(wú)限大均勻介質(zhì)中的傳播示意圖：PrincipleofEMwaves第二十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三一般坐標(biāo)系下平面電磁波的表示式PrincipleofEMwaves第二十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三波長(zhǎng)周期同一時(shí)刻相位差的兩個(gè)等相面間的距離λ是波長(zhǎng)波長(zhǎng)與周期空間的一點(diǎn)相位改變所需要的時(shí)間定義為周期PrincipleofEMwaves第二十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三TankCircuitInductor&CapacitorshareenergyChargeflowsbackandforththroughinductorEnergyshiftsbackandforthbetweenthetwodevicesPrincipleofEMwaves第二十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三TankCircuitsinRadioTanksareresonantdevicesTanksbuildupenergyataspecificfrequencyTankshelpradiosemitradiowavesTankshelpradiosdetectradiowavesPrincipleofEMwaves第二十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三EmittingRadioWavesAtransmitterusesatankcircuitto“slosh”chargeupanddownitsantennaAreceiverusesatankcircuittodetectcharge“sloshing”onitsantennaTransmitterantennachargeaffectsreceiverantennachargePrincipleofEMwaves第三十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三用電磁波傳遞聲音和圖像信號(hào)的原理先將信號(hào)載在電磁波上，再把載有信號(hào)的電磁波發(fā)射出去，到達(dá)接收處設(shè)法從電磁波上把信號(hào)檢出來(lái)。電磁波傳遞聲音和圖像信號(hào)打個(gè)比方就象鴿子送信一樣。PrincipleofEMwaves第三十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三電磁波的發(fā)射過程由高頻振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流（養(yǎng)鴿子）把要傳遞的聲音和圖像信號(hào)變成電流信號(hào)(寫信)將振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩電流和聲音、圖像的信號(hào)電流一同輸入到調(diào)制器中，使高頻振蕩電流隨著傳遞的聲音圖像信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的變化（綁信）把隨著聲音圖像信號(hào)而變化的高頻振蕩電流送到發(fā)射天線，發(fā)射出電磁波（放飛信鴿）PrincipleofEMwaves第三十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三電磁波的發(fā)射過程PrincipleofEMwaves第三十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三電磁波的接收過程用天線接收電磁波（抓信鴿）用調(diào)諧器即收音機(jī)或電視機(jī)中選臺(tái)的電路選出所需要的電信號(hào)（選出信鴿）讓高頻振蕩電流經(jīng)過檢波器，就能將要傳遞的聲音信號(hào)和圖像信號(hào)從高頻振蕩電流中“檢”出（取信）把聲音信號(hào)和圖象信號(hào)分別送到揚(yáng)聲器和電視機(jī)，就能聽到聲音、看到圖像（讀信）PrincipleofEMwaves第三十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三電磁波的接收過程PrincipleofEMwaves第三十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三AMModulationInformationisencodedinthefluctuatingamplitudeofthewavePressurevariationscausechangesintheamountofchargemovingontheantennaPrincipleofEMwaves第三十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三FMModulationInformationisencodedintheexactfrequencyofthechargemotionPressurevariationscauseslightshiftsinthefrequencyofchargemotionontheantennaPrincipleofEMwaves第三十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三LC傳輸線上的波動(dòng)方程第三十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三LC傳輸線上的波動(dòng)方程第三十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三基本關(guān)系LC傳輸線上的波動(dòng)方程第四十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三LC傳輸線上的波動(dòng)方程第四十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期三電壓滿足的波動(dòng)方程LC傳輸線上的