《電磁波的傳播》課件

電磁波的傳播電磁波是現(xiàn)代通信、醫(yī)療和科學(xué)研究的基礎(chǔ)課程概述電磁波基本概念理解電磁波的物理本質(zhì)產(chǎn)生原理探索電磁波的形成機制傳播特性分析不同介質(zhì)中的傳播行為應(yīng)用領(lǐng)域電磁波的定義電磁場的運動形態(tài)電磁波是電場和磁場相互耦合形成的波動能量和動量的傳遞方式通過波動傳遞能量，無需介質(zhì)即可傳播電磁波的發(fā)現(xiàn)歷史11865年詹姆斯·馬克士威通過數(shù)學(xué)方程預(yù)測電磁波存在21887-1888年海因里希·赫茲通過實驗首次證實電磁波存在電磁波的組成電場垂直于傳播方向的振蕩電場由電荷產(chǎn)生磁場垂直于電場和傳播方向的振蕩磁場由運動電荷產(chǎn)生電磁波的基本特性橫波振動方向垂直于傳播方向不需介質(zhì)傳播可在真空中傳播傳播速度為光速在真空中約3×10^8米/秒電磁波頻譜按頻率從低到高劃分從幾赫茲到數(shù)百艾赫茲按波長從長到短劃分從數(shù)千米到亞納米級不同頻段有不同特性和應(yīng)用透射、吸收、反射能力各異電磁波頻譜（續(xù)）無線電波3kHz-300GHz微波300MHz-300GHz紅外線300GHz-430THz電磁波頻譜（續(xù)）可見光430-750THz紫外線750THz-30PHzX射線30PHz-30EHz伽馬射線>30EHz電磁波的產(chǎn)生原理變化的電場時變電場產(chǎn)生變化的磁場變化的磁場時變磁場產(chǎn)生變化的電場電磁波形成電場磁場相互誘導(dǎo)形成傳播波電磁波的產(chǎn)生裝置振子（半波振子）利用電流振蕩產(chǎn)生電磁輻射天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化輻射效率的特殊幾何構(gòu)型波導(dǎo)裝置引導(dǎo)電磁波定向傳播電磁波的傳播方程麥克斯韋方程組描述電磁場如何產(chǎn)生和相互作用包含四個基本方程預(yù)測電磁波的存在和性質(zhì)波動方程描述電磁波在空間傳播行為確定波速與介質(zhì)參數(shù)關(guān)系預(yù)測波的反射和折射行為電磁波在真空中的傳播3×10^8傳播速度(m/s)等于光速常數(shù)c0衰減系數(shù)理想真空無衰減1介電常數(shù)真空的相對介電常數(shù)電磁波在介質(zhì)中的傳播傳播速度與介質(zhì)電磁參數(shù)相關(guān)總是小于真空中光速折射現(xiàn)象不同介質(zhì)界面處改變傳播方向折射率決定偏轉(zhuǎn)角度能量損耗介質(zhì)吸收部分電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式電磁波的傳播速度公式1v=1/√(εμ)電磁波在介質(zhì)中傳播速度公式2電容率ε介質(zhì)對電場響應(yīng)的度量3磁導(dǎo)率μ介質(zhì)對磁場響應(yīng)的度量電磁波的波長與頻率關(guān)系λ=c/f波長與頻率的反比關(guān)系c：光速在真空中約3×10^8米/秒f：頻率單位時間內(nèi)振動次數(shù)，單位Hz電磁波的能量電場能量磁場能量電磁波的偏振電磁波的偏振表示電場矢量振動方向的時間變化規(guī)律電磁波的反射反射定律入射角等于反射角反射系數(shù)表示反射波與入射波幅度比相位變化在某些界面反射可引起相位反轉(zhuǎn)電磁波的折射斯涅爾定律n?sinθ?=n?sinθ?描述了介質(zhì)界面上的折射行為折射率n=c/v電磁波在介質(zhì)中速度與真空速度比值的倒數(shù)電磁波的衍射惠更斯-菲涅耳原理波前上每點是次波源狹縫衍射波通過窄縫后發(fā)生彎曲現(xiàn)象衍射應(yīng)用光柵、全息成像和X射線晶體學(xué)電磁波的散射瑞利散射物體尺寸遠(yuǎn)小于波長散射強度與波長四次方成反比解釋天空為什么是藍(lán)色米氏散射物體尺寸與波長相近散射方向性更強云和霧的散射屬于此類電磁波的吸收吸收系數(shù)描述介質(zhì)吸收能力的參數(shù)不同物質(zhì)對不同頻率吸收率差異大衰減因子電磁波沿傳播方向強度減弱的比率與介質(zhì)導(dǎo)電性和介電性質(zhì)相關(guān)熱效應(yīng)電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能是微波加熱和射頻消融的基礎(chǔ)電磁波的干涉相干條件波源頻率相同且相位差恒定同相干涉波峰遇波峰，振幅增強反相干涉波峰遇波谷，振幅減弱或抵消干涉圖樣形成明暗相間或強弱交替的條紋電磁波在大氣中的傳播電離層傳播高頻波反射回地面對流層傳播大氣折射和散射地面?zhèn)鞑ベN近地表傳播地波傳播定義沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姶挪l率范圍主要適用于低頻和中頻應(yīng)用AM廣播和遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)影響因素地形、地質(zhì)和土壤導(dǎo)電率天波傳播電離層反射電磁波被電離層反射回地面遠(yuǎn)距離傳輸可實現(xiàn)超視距通信頻率選擇根據(jù)時間和電離層狀態(tài)選擇最佳頻率空間波傳播直線傳播在發(fā)射點和接收點之間呈直線傳播頻率范圍主要用于VHF、UHF和微波頻段應(yīng)用范圍電視廣播、雷達和微波通信傳播限制受地球曲率和視距限制多徑傳播信號發(fā)射從發(fā)射源發(fā)出電磁波多路徑形成信號經(jīng)建筑物、地形等反射接收端接收到時間略有差異的多個信號4信號合成多個信號疊加產(chǎn)生干涉多徑效應(yīng)信號衰落多路徑信號相互干涉導(dǎo)致信號強度波動可能導(dǎo)致通信質(zhì)量下降時延擴展不同路徑信號到達時間不同導(dǎo)致符號間干擾相位失真多徑信號相位差異影響解調(diào)準(zhǔn)確性電磁波的衰減自由空間損耗隨距離平方增加的能量損失大氣吸收氣體分子、云雨對電磁波的吸收地形阻擋山脈、建筑物等造成的信號阻斷植被損耗樹木和植被對信號的衰減作用電磁波的色散色散現(xiàn)象不同頻率波在介質(zhì)中傳播速度不同群速度能量傳遞速度相速度相位傳播速度通信影響導(dǎo)致信號展寬和符號間干擾電磁波的極化電磁波極化描述電場矢量的空間方向天線的作用發(fā)射功能將導(dǎo)向電流轉(zhuǎn)換為電磁波接收功能將電磁波轉(zhuǎn)換為電流定向功能控制電磁波輻射方向增益功能特定方向增強電磁波能量天線的類型偶極天線最基本的線性天線八木天線高增益定向天線拋物面天線高增益微波和衛(wèi)星通信天線天線增益1定義特定方向輻射功率與參考天線比值2單位分貝（dBi或dBd）3計算方法G=4πAe/λ24應(yīng)用場景通信鏈路預(yù)算和系統(tǒng)設(shè)計天線方向圖主瓣最大輻射方向通常是天線預(yù)期工作方向旁瓣次要輻射方向通常需要抑制以減少干擾后瓣與主瓣相反方向的輻射反映天線前后比性能半功率波束寬度主瓣功率降至最大值一半的角度范圍衡量天線方向性的重要參數(shù)電磁波的接收電磁波捕獲天線截獲空間電磁波電流感應(yīng)電磁波在天線導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流信號放大微弱信號經(jīng)低噪聲放大器增強信號處理解調(diào)、濾波和數(shù)字處理電磁諧振定義特定頻率電磁波在物體或空間中能量積累現(xiàn)象振幅顯著增大的共振狀態(tài)諧振腔特定形狀空腔產(chǎn)生電磁諧振用于微波發(fā)生和處理應(yīng)用微波爐核磁共振雷達系統(tǒng)電磁波在導(dǎo)波管中的傳播TE/TM傳播模式橫電/橫磁波模式λc截止波長低于此頻率波無法傳播10GHz常用頻率微波和毫米波應(yīng)用電磁波在光纖中的傳播入射光波進入光纖芯部全反射光在芯/包層界面發(fā)生全反射傳輸光沿光纖軸向前進出射光從光纖末端射出電磁波在同軸電纜中的傳播屏蔽傳播外導(dǎo)體提供電磁屏蔽TEM模式橫電磁波傳播模式介質(zhì)填充影響傳播速度和阻抗電磁波的調(diào)制帶寬效率抗干擾能力功率效率電磁波的解調(diào)包絡(luò)檢波用于AM信號恢復(fù)2相位鎖定環(huán)用于FM和PM信號解調(diào)3相干解調(diào)需要參考載波的高效解調(diào)技術(shù)電磁波的應(yīng)用：無線通信移動通信5G網(wǎng)絡(luò)、手機通信衛(wèi)星通信全球定位系統(tǒng)、遠(yuǎn)程通信無線局域網(wǎng)WiFi、藍(lán)牙技術(shù)廣播系統(tǒng)無線電、電視廣播電磁波的應(yīng)用：雷達技術(shù)發(fā)射電磁波雷達天線發(fā)射微波或無線電波目標(biāo)反射電磁波遇物體反射接收反射波天線接收反射回的波3信號分析確定物體距離、速度和方向4電磁波的應(yīng)用：醫(yī)療診斷X射線成像骨骼和組織結(jié)構(gòu)成像核磁共振成像利用射頻電磁波觀察軟組織超聲成像利用高頻聲波實時觀察器官正電子發(fā)射斷層掃描利用伽馬射線觀察代謝活動電磁波的應(yīng)用：加熱技術(shù)微波爐原理微波激發(fā)水分子高速振動產(chǎn)生熱量工業(yè)微波加熱用于材料干燥、食品加工電磁感應(yīng)加熱變化磁場在導(dǎo)體中產(chǎn)生渦流加熱電磁波的應(yīng)用：遙感技術(shù)衛(wèi)星遙感利用衛(wèi)星監(jiān)測地球表面收集大氣、海洋、陸地數(shù)據(jù)多光譜成像不同頻段電磁波采集圖像揭示肉眼不可見信息地球資源探測檢測礦產(chǎn)、水資源監(jiān)測環(huán)境變化和自然災(zāi)害電磁波的應(yīng)用：無線能量傳輸能量轉(zhuǎn)換電能轉(zhuǎn)換為電磁波能量發(fā)射通過天線發(fā)射電磁波3能量接收接收天線捕獲電磁波4整流轉(zhuǎn)換將電磁波轉(zhuǎn)回電能電磁波的安全性0.08工作場所限值(W/kg)全身平均SAR限值2.0局部限值(W/kg)頭部和軀干SAR限值4.0肢體限值(W/kg)四肢SAR限值電磁兼容性（EMC）定義設(shè)備在電磁環(huán)境中正常工作能力不對其他設(shè)備造成電磁干擾重要性保證系統(tǒng)可靠性防止相互干擾滿足法規(guī)要求測試標(biāo)準(zhǔn)輻射發(fā)射測試傳導(dǎo)發(fā)射測試抗擾度測試電磁屏蔽入射波電磁波到達屏蔽材料反射部分波能被屏蔽表面反射吸收部分波能在屏蔽材料中衰減透射極少部分能量穿透屏蔽電磁波測量技術(shù)電磁波測量需要專業(yè)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)程序電磁波模擬仿真建立模型構(gòu)建幾何和材料模型設(shè)置參數(shù)定義邊界條件和源激勵求解計算使用FDTD、FEM等數(shù)值方法結(jié)果分析可視化場分布和參數(shù)計算電磁波前沿研究：太赫茲技術(shù)特征頻率0.1-10太赫茲成像應(yīng)用安檢和醫(yī)學(xué)成像分子檢測物質(zhì)分子指紋識別通信潛力超高速短距離通信電磁波前沿研究：光子學(xué)光子集成電路硅光子和光量子器件集成光發(fā)射、傳導(dǎo)和檢測功能量子通信量子密鑰分發(fā)技術(shù)基于光子糾纏的安全通信光學(xué)計算光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超高速光學(xué)信號處理電磁波與5G/6G技術(shù)毫米波通信利用