无线电波传播第二讲电波传播基本理论课件.ppt

1、Principle of EM waves Properties of EM waves Maxwells equations Wave equations Tank circuit AM and FM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、伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，验成果，18731873年建

2、立了第一个完整的电磁理论体年建立了第一个完整的电磁理论体系，系，不仅科学地不仅科学地预言了电磁波的存在，预言了电磁波的存在，而且而且揭示揭示了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理了光、电、磁现象的本质的统一性，完成了物理学的又一次大综合学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果，。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奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。的基础。Principle of EM waves赫兹赫兹：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用实验证实了电磁波的存

3、在。存在。 18881888年年1 1月，赫兹将他的研究成果总结在月，赫兹将他的研究成果总结在论动电效论动电效应的传播速度应的传播速度一文中。赫兹实验公布后，轰动了全世一文中。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，界的科学界。由法拉第开创，麦克斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。至此才取得决定性的胜利。18881888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的发现具有划时代的意义，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。真理，更重要

4、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，他却于以更大期望时，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。为了纪念他的功绩，人们用他的名字岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字“赫兹赫兹”来来命名各种波动频率的单位。命名各种波动频率的单位。 Principle of EM waves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意大利的马可尼（马可尼（Marconi,G.W., 1874Marconi,G.W., 187419371937）与俄国

5、的）与俄国的波波夫（波波夫（oo,A.C. 1859oo,A.C. 185919061906）成功地进成功地进行了世界上最早的无线电通讯活动行了世界上最早的无线电通讯活动，开创了人类，开创了人类通讯的新纪元。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世纪奉献世纪奉献上的珍贵礼品是一项科技创新与发明上的珍贵礼品是一项科技创新与发明成功地成功地进行了进行了首次无线电通讯首次无线电通讯，无线电技术的大发展从，无线电技术的大发展从而成为而成为2020世纪的热门事情。世纪的热门事情。19061906年，美国物理学年，美国物理学家费森登发明无线电广播家费森

6、登发明无线电广播，使无线电波进入千家，使无线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。万户，预示着一个信息时代的肇始。Principle of EM waves 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，英国法拉第发现电磁感应年，英国法拉第发现电磁感应。18651865年，英国麦克斯韦从理论上预言年，英国麦克斯韦从理论上预言了了电的任何波动可以在远处产生感应即电的任何波动可以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、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

7、人未能亲自作出实验验证。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。18871887年，年，德国物理学家赫兹（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，而赫兹却英年早逝，激起了人们利用电磁波的念头，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的科学

8、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2020世纪奉献上的珍贵礼品是一项科世纪奉献上的珍贵礼品是一项科技创新与发明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无线电技术的大发展从而成为成为2020世纪的热

9、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。无线电波进入千家万户，预示着一个信息时代的肇始。Principle of EM wavesProperties of EM Waves Transverse waves Propagates in vacuum & medium Wide frequency range Propagates at speed of light c = 3x108 m/s (in vacuum)Principle of EM wavesTrans

10、verse EM WavePrinciple of EM wavesLongitudinal Waves Longitudinal waves displacement in the same direction as wave motion Example: sound wavesPrinciple of EM waves麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组(Maxwells (Maxwells equations)equations)以上四个方程式是普遍情况下电磁场所满足以上四个方程式是普遍情况下电磁场所满足的基本方程式，称为麦克斯韦方程组。的基本方程式，称为麦克斯韦方程组。电磁感应定理电磁感应定

11、理StBlESLdd磁场的高斯定理磁场的高斯定理SSB0d=VSSDdd0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 SLStDjlHd)(d0=Principle of EM waves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，麦克斯韦方程组不仅适用于恒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。定的和缓变的电磁场，也适用于快速变化的电磁场。DHjt0 BDtBEPrinciple of EM waves式中式中E、H、D和和B分别是电场强度、磁场强度、电位移矢量和分别是电场强度、磁场强度、电位移矢量和磁

12、感应强度，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。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密度和电流密度之间的关系0tJPrinciple of EM wavesPrinciple of EM wavesConstitutive RelationsPrinciple of EM wavesPrinciple of EM wavesPrinciple of EM waves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

13、恒定的磁场不产生电场的磁场不产生电场u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非均匀非均匀变化磁变化磁场场激发激发变化电场变化电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化磁场变化磁场均匀变化均匀变化激

14、发稳定电场稳定电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电磁波电磁波电磁场：如果在空间某区域中有周期性变化电磁场：如果在空间某区域中有周期性变化的电场的电场, ,那么这个变化的电场就在它周围空间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产生周期性变化的磁场; ;这个变化的磁场又在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它周围空间产生新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, ,形成不可分形成不可分割的统一体割的统一体, ,这就是电磁场。电磁场由发生区域这就是电磁场。电磁

15、场由发生区域向远处的传播就是电磁波向远处的传播就是电磁波。00DBEtBDHt BtE2()EE Hut0E2Et2200HBED00 , 电磁波在真空中的波动方程电磁波在真空中的波动方程022002tEEPrinciple 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 则电场的波动方程可写为：则电场的波动方程可写为：222210EEvtPrinciple 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：222210HHvt亥姆霍兹方程有多种解：平面波解，球面波解，高斯波亥姆霍兹方程有多种解：平面波解，球面波解，高斯波解等等。其中最简单、

16、最基本的形式为平面波解。解等等。其中最简单、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：222221( , )( , )0dE z tE z tdzct()0( , )i kztE z tE e它的一个解是：它的一个解是：平面波解平面波解Principle of EM waves2200k 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

17、 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。Ezz 0EzBtyxEzBtxy Bzz 0BzEtyx BzEtxyBtz 0Etz 0假设平面电磁波沿假设平面电磁波沿z轴方向传播，则轴方向传播，则E和和B都只是都只是z和和t的函的函数，麦克斯韦方程组具体写为数，麦克斯韦方程组具体写为Principle of EM waves 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，则电场方向传播，则电场矢量和磁场矢量

18、只能处于矢量和磁场矢量只能处于xy平面内。平面内。, 0 tBxEzz 0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。可以得到。可以得到 如果电场矢量沿如果电场矢量沿x方向，则磁场矢量的方向，则磁场矢量的x分量必定等于零，分量必定等于零，也就是磁场矢量只能沿也就是磁场矢量只能沿y方向。方向。于是得到电磁波的第二条性质：电磁波的电场矢量于是得到电磁波的第二条性质：电磁波的电场矢量E与磁场与磁场矢量矢量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平面电磁波平面电磁波在无限大均匀介质中的传播示意

19、图在无限大均匀介质中的传播示意图： HEEHPrinciple of EM waves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0,i k rtE r tE e 0,i k rtB r tB e Principle of EM waves波长波长k2周期周期21fT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2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2Principle of EM wavesTank Circuit Inductor & Capacitor share ene

20、rgy Charge flows back and forth through inductor Energy shifts back and forth between the two devicesPrinciple of EM wavesTank Circuits in Radio Tanks are resonant devices Tanks build up energy at a specific frequency Tanks help radios emit radio waves Tanks help radios detect radio wavesPrinciple o

21、f EM wavesEmitting Radio Waves A transmitter uses a tank circuit to “slosh” charge up and down its antenna A receiver uses a tank circuit to detect charge “sloshing” on its antenna Transmitter antenna charge affects receiver antenna chargePrinciple of EM waves用电磁波传递声音和图像信号的原理用电磁波传递声音和图像信号的原理 先将信号载在电

22、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电磁波传递声音和图像信号打个比方就象鸽子送信一样。就象鸽子送信一样。 Principle of EM waves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电流和声音、图像的信号将振荡器产生的高频振荡电流和声音、图像的

23、信号电流一同输入到调制器中，使高频振荡电流随着传电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（递的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（射天线，发射出电磁波（放飞信鸽放飞信鸽）Principle of EM wavesPrinciple of EM waves电磁波的接收过程电磁波的接收过程 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 需要的电信号（需要的电信号

24、（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信号和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，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（就能听到声音、看到图像（读信读信）Principle of EM waves电磁波的接收过程电磁波的接收过程Principle of EM wavesAM Modulation Information is encoded in the fluctuating amplitude of t

25、he wave Pressure variations cause changes in the amount of charge moving on the antennaPrinciple of EM wavesFM Modulation Information is encoded in the exact frequency of the charge motion Pressure variations cause slight shifts in the frequency of charge motion on the antennaPrinciple of EM wavesLC

26、传输线上的波动方程传输线上的波动方程LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程基本关系基本关系LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程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LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程电抗电抗LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程阻抗匹配阻抗匹配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平行双线平行双线平行双线平行双线平行双线平行双线平行双线平行双线平行双线平行双线平行双线平行双线平行双线平行双线能量能量LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程功率功率LC传输线上的波动方程传输线上的波动方程