电磁波划分

课题二电磁波频段的划分任务目标通过本课题的学习，了解电磁波频段的划分方法及传输特点。

课题导入生活中能见到很多无线设备，你知道它们的工作频率是多少吗？（a） (b) (c)(d) (e) (f)图1-11 常见无线接收（发射）设备图1-11（a）全波段收音机接收频率范围：中波波段525kHz-1605kHz，短波波段2.2MHz-26MHz,调频波段87.5MHz-108MHz；图（b）电视接收机接收频率范围48.5MHz-870MHz；图（c）对讲机工作频率范围: 150MHz-174 MHz(VHF)和400 MHz -470MHz(UHF)；图（d）GSM手机工作频率900MHz/1800MHz/1900MHz（三频手机）；图（e）教学扩音器工作频率范围:180MHz-260 MHz；图（f）无线路由器工作频率范围约2.4GHz-2.462GHz。

以上众多的无线产品各具有一定的工作频率（范围），不同频率的无线电波传输方式、性能特点各不相同，那么频率如何选择呢？相关知识一、无线电波波段的划分无线电信道实为电磁波在空间中传播的通道，无线电波在空间的传播速度与光波相同，约为3×108ｍ/s。

其波长、频率、和传播速度的关系为λ可见，频率与波长之间为倒数的关系，因此，无线电波可以按频率划分，也可以按波长划分。

表1-2列出不同频段无线电波的无线电波的主要用途，它是根据无线电波传输的特点而应用于不同的领域。

根据无线电波传播及使用的特点，国际上将其划分为12个频段，而通常的无线电通信只使用其中的第4到第11个频段。

无线电频段和波段的划分如表1-2所示。

表1-2 无线电频段和波段的划分二、无线电波的传播方式不同频段的电磁波的传播方式和特点各不相同，所以它们的用途也就不同。

无线电波的传播方式主要用三种：1．沿地面传播的地波：中、长波适合地面传播，地球表面的导电特性较为稳定，中、长波的传播也就较稳定，其中长波的波长较长，遇障碍物绕射能力强，传送距离较远，多用于导航。

图1-12(a) 2．靠电离层折射和反射传播的天波在1.5MHz-3OMHz范围的短波波长较短，地面绕射能力弱，且地面吸收损耗较大，主要依靠电离层的折射反射实现远距离的短波通信。

电离层与地球表面之间的多次反射可实现超远距离的无线电通信，短波广播和通信具有天线尺寸小，所需发射功率低，传输距离远，通信成本低的特点，因此，该频段广播、通信电台多，频段最为拥挤【3】。

图1-12(b)3．沿空间直线传播的空间波当频率超过3OMHz以上的电波主要沿空间直线传播。

鉴于地球表面是弯曲的，所以这种传播只限于视线范围，所以传播距离近，常将天线架设在高处山顶以提高覆盖面。

若采用卫星通信使空间传播的覆盖面积和距离大大增加。

图1-12(c)(a) (b) (c)图1-12 无线电波的传输方式三、频率的分配在无线电频率分配上有一点需要特别注意的，就是干扰问题。

如果两个电台在同一地区、同一时段用相同的频率或频率过于接近工作，就必然会产生相互干扰。

因此无线电频率不能无秩序地随意占用，而需要仔细地计划加以利用。

（1）频率的分配：即将频率根据不同的业务加以分配，以避免频率使用方面的混乱。

如我国将88MHz-108MHz分配为调频广播使用，525kHz-1605kHz分配为中波调幅广播使用等。

（2）频谱的节约：即从频谱利用的观点来看，无线电总的频谱范围是有限的，每个无线设备所占的频谱应力求减少，以便容纳更多的无线设备和减少干扰。

现代通信系统都力求压缩每个无线设备的带宽，减小信道间的间隔并减小杂散干扰发射，提高频谱利用率。

电磁波是在全球传播的，进行频率分配工作的世界组织是国际电信联盟【4】（ITU），其总部设在瑞士的日内瓦。

其下设有：国际无线电咨询委员会（CCIR），以研究有关的各种技术问题并提出建议；国际频率登记局（IFRB），负责国际上使用频率的登记管理工作。

中华人民共和国信息产业部无线电管理局为我国无线电管理方面的职能部门，负责全国无线电频率、台站管理等工作。

为避免各种信号频率重叠，相互干扰，要求不同的无线发射设备工作在不同的发射频率上，采用调制的方法把要传送的信号装载到这些不同频率的高频信号上，再经天线发射出去。

这样就避免了相互干扰。

四、天线天线是一个能量转换器，是无线电设备必不可少的组成部分。

发射天线能将发射机馈给的高频电能转换为向空间辐射的电磁波能，接收天线将在空间传播的电磁波能转化为高频电能。

一般发射、接收天线可互换使用，因此，描述天线的主要参数和特性，如输入阻抗、方向性系数、辐射电阻、有效高度、天线增益等对用于发射的天线和用于接收的天线都适用，具有可逆性。

例如，某根天线用作发射天线时，它向某一方向的辐射最强，而用作接收天线时，它对来自这个方向来的电磁波的接收能力也同样是最强的。

下面为了讨论方便，我们以发射天线为例进行分析。

1．天线辐射电磁波的基本原理（1）传输线的概念在模拟电路和数字电路中，电路的参数(R、L、C)大都集中在电路的某些元器件 (电阻器、线圈、电容器)上，即指的是集中参数电路。

而在高频发、收设备中，传输线 (或称馈线)的每一段都有电阻、电容和电感分布，即整个传输导线均有分布，可将这些传输导线称为分布参数电路。

把天线和发射机(或接收机)连接在一起的传输线，往往要比集中参数电路的连接线长得多。

有的比电波的波长还要长。

因此，人们将这种用来传送高频电能的(导)线称为长线。

这里的“长”的含义不是指导线的绝对长度，而是指它的长度与工作波长λ相比较而言的。

例如长度为lm 的传输导线，对于1OOkHz的频率(其波长λ=300Om)来说构不成长线；而对于15OMHz的频率(对应波长λ=2m)来说，却占了整个波长的1/2，就该叫长线了。

因此，在传输线和天线工程中，线长常用电波长来度量，如λ/4、λ/2、1λ、2λ等，而不常使用绝对长度(即普通的长度尺)度量。

（2）终端开路传输线的性质和等效电路图1-12传输线的性质与等效电路天线的辐射能力与导线的形状和长度有关。

下面介绍图1-12所示的终端开路线的长度与工作波长λ成不同比例时，开路线的输入阻抗Z的性质及其等效电路。

1）当线长时，连接信号源的两根短导线相当于一个电容器，输入阻抗呈容性，图1-12右部的等效电路所示。

线越短，容量越小，呈现的容性阻抗越大()。

2）当线长时，信号源正好处在波节处，输入端电压U最小，而电流I最大(波腹)，等效电路相当于一个串联谐振回路，如图1-12所示。

在谐振状态下的输入阻抗为纯阻性，且阻值最小 (导线中有损耗)。

3)当线长增加到时，由于线上的分布参数(L、C)在原串联谐振状态下继续增加，L的增大使增大，C的增大使减小，导致,使电感中储存的磁场能大于电容中储存的电场能，该线呈感性。

4) 当线长时,信号源在波节处，输入端电流最小，电压最大(波腹)，相当于回路的并联谐振状态，输入阻抗Z呈纯阻性。

若不考虑线的损耗(即理想情况下)，Z极大。

上面讨论四种线长情况时，传输线的两根线平行且间距很小，两根线上的电流方向相反，它们对外所产生的电磁场几乎相互抵消，因而不能向外辐射电磁能。

（3）天线振子图1-13传输线电流分布示意图将图1-12所示的平行开路线改为张开形式，如图1-13所示(a)画出了三种(，，)平行传输导线的情况。

将图1-13(a)中的导线张开，呈开放状态，如图1-13(b)所示，展开后的两根导线上的电流方向相同，因而两根导线产生的感应电动势的方向也相同，从而可向空间辐射较强的电磁波。

当导线长度时，因导线上的电流很小，向外辐射很弱；当导线长度增大到可与波长入相比拟时()，导线上的电流大大增加，因而就能形成较强的电磁辐射。

通常，将上述能产生显著辐射的直导线称为基本振子。

两臂长度相等的叫做对称振子。

每臂长度为，全长为的振子称为半波对称振子；全长与波长相等的振子称为全波对称振子，若将振子折合过来，则称之为折合振子。

如图2-14(a)所示。

图2-14(b)所示为半波折合振子。

图2-14全波对称振子与半波折合振子2．天线的主要特性和参数（1）天线的方向性方向性是指天线向一定方向辐射或接收来自某一方向的电磁波的能力。

不同的天线向空间辐射电磁波时，向各方向辐射的场强是不同的，这说明天线发射电磁能时是有方向性的。

图2-15是一种抛物面天线的方向性图。

图2-16(a)是天线中最基本的对称振子天线的辐射情况，图2-16(b)是基本对称振子馈电图。

所谓基本振子是指一对间距很小、长度较短(与波长可比拟)的对称天线。

当给对称振子 (导体)的中点加上高频电流 (电压)时，导体振子上就会产生高频交变的电荷电流，电荷的高速移动产生交变的电力线和与之正交的磁力线。

于是伴随着高频率的电荷移动，电力线和磁力线便形成一圈套一圈的闭合曲线向周围空间推移，形成电磁波的发射，如图2-16(a)所示。

图2-17（a）为半波振子向周围自由空间发射(或接收)电磁波的方向图。

半波对称振子在通过振子中心与振子相垂直的方向上辐射最强；在与振子轴成锐角方向上辐射减弱，且角度越小，其辐射越弱；在振子轴向附近几乎没有辐射。

图2-17半波对称振子发射无线电波方向图半波对称振子的垂直面方向性图如图2-17（b）所示，它犹如一个“8”字，而水平面方向（垂直半波振子中心面上)的方向性图则没有方向性，即各向的辐射场强相等，是以振子为圆心的一个圆，如图2-17 (c)所示。

（2）天线的方向性系数（天线增益）为了精确地表征天线的方向性，尤其是对于定向天线 (引向天线)，常用方向性系数和天线增益来表示天线的性能。

向各方向均匀辐射的理想点源天线称为均匀辐射器并用作比较基准。

方向性系数是表示天线方向特性的量，用D表示。

任一定向天线的方向性系数是指在接收点产生相等电场强度的条件下，理想的非定向天线的总辐射功率与该定向天线的总辐射功率之比，即方向性系数D反映了天线向某一方向集中辐射电磁波的能力。

它以非定向天线作为比较的标准。

所谓理想的非定向天线是指各方向均匀辐射的理想点源天线，这种天线向各个方向的辐射是均匀的，其立体方向性图是以天线为中心的球面(即通过球心的任一平面均呈圆形)。

（3）天线的输入阻抗天线的馈电端，即天线和馈线的连接端馈人的信号电压与信号电流的比值，称为天线的输入阻抗。

包括输人电阻和输入电抗机两部分，输入阻抗中的电抗分量会减少从天线进入馈线的有效信号功率，所以，应尽量减小电抗分量。

天线的输入阻抗会随天线的长度和工作波长的变化而变化。

例如，基本半波振子的长度为半波长时，其输入阻抗=73.1+j42.5(Ω),若将振子长度缩短3%-5%，则可消除电抗分量，使输入阻抗呈纯阻性，即=73.1Ω，通常标称为75Ω。

可以证明，折合半波振子的输入阻抗为基本半波振子输入阻抗的4倍，约292.4Ω，通常标称为300Ω。