电磁波传播基本理论
自然科学知识：电磁波和电磁场的理论和实践
自然科学知识：电磁波和电磁场的理论和实践电磁波和电磁场是现代科学中的两个基本概念，它们对我们生活中的通讯、娱乐和医疗等方面有着极为重要的作用。
本文章将从电磁波和电磁场的理论和实践两个方面，探讨它们的基本概念、性质和应用。
一、电磁波的理论电磁波是由一种特殊的物质——电场和磁场相互作用所产生的，可以在真空中传播的一种波动现象。
放置在电场中的电荷会在电场的作用下发生运动，从而形成一个变化的电流，而这个变化的电流就会产生一个变化的磁场。
随着电场和磁场的反复变化，产生的能量就会向外辐射，形成电磁波。
电磁波具有很多种类，其中最常见的就是无线电波，包括AM波和FM波。
无线电波的频率一般在几十千赫兹到几百兆赫兹之间，是一种非常重要的通讯工具。
电视信号、手机信号、卫星通讯等都是利用电磁波来传递的。
二、电磁场的理论电磁场是由电荷和电流所产生的一种场，它可以传递电磁波，影响物质的运动和形态。
电磁场是由电荷和电流围绕它们周围产生的电场和磁场的相互作用而形成的，它是一个有方向有大小的物理量，以矢量形式存在。
电场的单位是伏/米，磁场的单位是特斯拉。
电磁场不仅在自然界中广泛存在，还是工业、航空、通讯等领域中的重要应用。
在医学领域中，MRI技术就是基于电磁场的原理设计而成的，它可以通过电磁波的辐射来捕捉人体内部的图像，既无创又准确，是一种非常重要的医学检查手段。
三、电磁波和电磁场的实践在现实生活中，电磁波和电磁场的应用极为广泛，它们可以帮助人类解决众多问题，创造历史性的进展。
一些车辆和厂房需要进行金属探伤，以检测出金属内部的结构缺陷，这就需要应用到电磁波的原理。
在通讯领域中，无线电波的应用范围更为广泛，在缩短人与人之间的距离、传递信息等方面发挥着越来越重要的作用。
在现代医学科技领域中，电磁场起着至关重要的作用。
比如，静磁共振成像技术（MRI）就是一种基于电磁场的诊断技术，它能够有效地诊断出人类身体各个部分的情况，从而帮助医生精准诊断疾病的类型和程度。
电磁波在介质中传播的理论分析
电磁波在介质中传播的理论分析电磁波是指在电磁场中相互作用产生的一种能量传递方式，它在物理学和工程学中有着广泛的应用。
电磁波的传播与介质密切相关，介质的性质会对电磁波的传播产生明显的影响。
因此，对于电磁波在介质中的传播行为，进行理论分析具有重要的意义。
介质与电磁场的相互作用在介质中，电磁波与介质之间的相互作用是一种复杂的物理过程。
介质中的电子和原子会对入射的电磁波进行吸收、散射和反射等作用，从而影响电磁波的传播。
在这个过程中，涉及到电磁场、介质的物理性质以及相互作用的微观机制等方面的问题。
介质中的电磁场一般由两部分组成：自由场和束缚场。
自由场是指在介质外部没有受到任何限制的电场和磁场，它们在介质表面处会发生反射和折射等现象。
而束缚场是介质中电子和离子的运动所形成的静电场和磁场，它们与自由场相互作用，影响电磁波的传播。
介质中电磁波的传播方程电磁波在介质中的传播方程可以用麦克斯韦方程组来描述。
在介质中，麦克斯韦方程组可以写成：$$ \nabla \times E = -\frac{\partial B}{\partial t} $$$$ \nabla \times H = j \omega \epsilon E + \frac{\partial D}{\partial t} $$$$ \nabla \cdot D = \rho_e $$$$ \nabla \cdot B = 0 $$其中，$E$和$H$分别是电场和磁场的强度向量，$B$和$D$分别是磁感应强度和电位移矢量。
$\rho_e$是介质中的自由电荷密度，$\omega$是电磁波的角频率，$j=\sqrt{-1}$是虚数单位。
通过求解这个方程组，就可以得到在介质中电磁波传播的行为。
其中，$\epsilon$是介质的介电常数，在电磁波传播中起着重要作用。
介电常数越大，介质对电磁波的阻碍越大，电磁波的传播速度越慢。
电磁波的折射和反射当电磁波从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射和反射现象。
1.6 光频电磁波的基本理论和定律
UP
DOWN
BACK
若已知光波强度，可计算光波电矢量的振幅A。
一个100瓦的灯泡，在距离10米处的强度（设灯泡在 各个方向均匀发光）为
100 2 2 I 7 . 8 10 w / m 4 10 2
设
v c 0
2I 15.6 102 A 7.66V / m 3 2.6610 c 0
UP
DOWN
BACK
微分形式
D B 0 B t D H j t E
＝x0 y0 z0 x y z t
空间位置的变化 时域的变化
UP
揭示了电流、电场、磁场相互激励的性质
：封闭曲面内的电荷密 度；
复振幅：只关心光波在 空间的分布。
UP DOWN
y
x
P(x,y,z)
k
r s=r k
o
z
BACK
A E ＝ exp[i( kr t )] 2、球面波 r ~ A 发散的球面波： E ＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的球面波： E ＝ e xp(ikr ) r A i( kr t )] 3、柱面波 E＝ e xp[ r ~ A 发散的柱面波： E＝ e xp( ikr ), r ~ A 会聚的柱面波： E＝ e xp(ikr ) r
S
d B 法拉第定理： l E dl dt t ds 安培环路定律： H dl I D ds l t
D：电感强度 E：电场强度 B：磁感强度 H：磁场强度 ：磁通量
后两个公式反映了磁场和电场之间的相互作用。
z t 波动公式： E＝A cos2( ) T E＝A cos(kz t )
电磁波传播基础
电磁波传播基础
1. 电磁波的本质
电磁波是由电场和磁场组成的能量传播形式,是一种横波,波的振动方向与传播方向垂直。
电磁波的产生源是加速运动的电荷。
2. 电磁波的性质
2.1 电磁波在真空中以光速传播,在介质中传播速率小于光速。
2.2 电磁波是横波,电场和磁场振动方向相互垂直,且与传播方向也相互垂直。
2.3 电磁波具有波长、频率、振幅等波的一般性质。
2.4 不同波长的电磁波具有不同的穿透能力。
3. 电磁波的传播方式
3.1 在真空中直线传播
3.2 在均匀介质中直线传播
3.3 在非均匀介质中会发生折射、反射等现象
3.4 在导体中会被快速衰减
4. 电磁波的应用
电磁波在通信、雷达、遥感、医疗、工业等领域有着广泛的应用。
不同波长的电磁波具有不同的应用,如无线电波用于广播和通信,微波用于雷达和卫星通信,可见光用于照明和显示等。
5. 电磁波的辐射
电磁波的产生源会向周围发射电磁辐射,过量的电磁辐射会对生物体和电子设备产生不利影响。
因此在使用无线电、雷达等设备时,需要注意控制电磁辐射强度在安全范围内。
电磁波传播基本知识及天线原理 (1)
交叉极化比 上旁瓣抑制
对网络性能有影响的辅助指标
下零点填充 方向图圆度
三、天线主要性能参数
天线增益
系指天线在某一规定方向上的辐射功率通量密度与参考天线（通常采用理 想点源）在相同输入功率时最大辐射功率通量密度的比值。
P1
P0 天线
P2
理想辐射单元
G = 10log(P1/P2)
三、天线主要性能参数
交叉极化比 上旁瓣抑制
对网络性能有影响的辅助指标
下零点填充 方向图圆度
三、天线主要性能参数
前后比
±30°? 25dB ？ +/-2dB ?
抑制同频干扰或导频污染的重要指标
通常仅需考察水平面方向图(?)的前后比,并特指后向±30°范围内(?)的最差值。
前后比指标越差，后向辐射就越大，对该天
线后面的覆盖小区造成干扰的可能性就越大。
特殊应用中才会考察垂直面方向图的前后比，
比如基站背向区域有超高层建筑物。
后向功率
前向功率
三、天线主要性能参数
根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：
对网络的不同影响程度
满足网络覆盖要求的基础指标
天线参数
水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性 垂直面波束宽度及电下倾角度 前后比 增益
能够提升网络通信质量的辅助指标
三、天线主要性能参数
根据天线辐射参数对网络性能影响程度，可分类如下：
对网络的不同影响程度
满足网络覆盖要求的基础指标
天线参数
水平面波束宽度、波束偏移及方向图一致性 垂直面波束宽度及电下倾角度 前后比 增益
能够提升网络通信质量的辅助指标
交叉极化比 上旁瓣抑制
对网络性能有影响的辅助指标
电磁场和电磁波理论
电磁波的传播方式
• 地波传播：是一种沿着地球表面传播的电磁波，称为地面 波或表面波传播，简称地表波。 • 天波传播：电波向天空辐射并经电离层反射回到地面的传 播方式称为天波传播，也称电离层传播。 • 直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方式， 称为直射波传播，有时也称视距传播或视线传播。 • 散射传播：这种传播主要是由于电磁波投射到大气层（如 对流层）中的不均匀气团时产生散射，其中一部分电磁波 到达接收地点。
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第二节 电磁波传播原理
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电磁波的传播方式
电磁波从发射机发出，传播到接收天线，可以有不同
的传播方式，主要的传播方式以下四种 ：
（a）地波
（b）天波
（c）直射波
（d）散射波
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移动环境中电波传播特点
电磁波信号的衰落
• 快衰落
• 慢衰落
下一节将详细讨论。
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移动环境中电波传播特点
电磁波信号的多径时延
移动台所收到的是多径信号，它是 同一信号通过不同路径而到达接收天线 的，因而它到达的时间先后和强度会有 所不同（电磁波走的路程长短不同，所 以到达时间有先后，遭到的衰减也不 同）。当发射台发送一个脉冲信号时， 传来的脉冲到达接收天线时，相对于路 径最短的那个脉冲（往往也是最强的） 有着不同的时间差，这个差值称为多径 时延，或叫差分时延。
电磁波的吸收和散射理论解释
电磁波的吸收和散射理论解释一、电磁波的基本概念电磁波是一种由电场和磁场相互作用而产生的能量传播形式。
它具有许多特殊的性质，如波长、频率和振幅等，可以分成不同的频段，例如可见光、微波和射频等。
电磁波广泛应用于通信、雷达、医疗和无线电等领域。
二、电磁波的传播与吸收当电磁波传播到物体表面时，它们会发生吸收和散射现象。
吸收是指电磁波能量被物体吸收并转化为其他形式的能量。
散射是指电磁波在物体表面或内部发生折射、反射或散射，并改变原有的传播方向。
吸收和散射的程度取决于物体的特性以及电磁波的频率和功率。
不同物体对不同频率的电磁波有不同的吸收和散射特性。
一般来说，物体的吸收能力与电磁波的频率有关。
在可见光频段中，金属材料对光的吸收较小，而在微波频段中，金属材料对微波的吸收能力非常强。
三、电磁波的散射机制电磁波在物体表面发生散射时，遵循不同的散射机制。
其中，光的散射可按照粒子尺寸与波长的相对大小分为几何光学散射和雷利散射。
几何光学散射是指当物体尺寸远大于光的波长时，光在物体表面发生反射、折射和散射等现象。
而雷利散射是指当物体尺寸与光的波长相当时，光在物体表面或内部与物体的微观结构相互作用而发生散射现象。
根据散射的原因，电磁波散射可分为材料散射和微观结构散射。
材料散射是指由于介质中原子或分子实践代表性尺寸比光的波长小，故导致电磁波的散射。
而微观结构散射是指由于物体表面或内部的微观结构特征导致的电磁波散射，如微观颗粒、晶格等。
四、电磁波的吸收机制物体吸收电磁波的机制主要包括电导吸收和介质吸收。
电导吸收是指当电磁波通过导电材料时，由于材料导体中的自由电子与电磁波相互作用而将电磁波能量转化为热能。
这种吸收机制在可见光频段中较弱，但在射频和微波频段中较为显著。
介质吸收是指电磁波通过介质时，由于介质的原子或分子与电磁波发生相互作用而吸收电磁波能量。
这种吸收机制主要发生在可见光频段以及微波和射频频段中。
介质吸收与物质的性质有关，不同物质对不同频率的电磁波有不同的吸收特性。
电磁波传播原理
电磁波传播原理电磁波是一种能够在真空中传播的波动现象，它在无线通信、无线电广播、雷达系统等领域发挥着重要的作用。
本文将介绍电磁波的传播原理，包括电磁波的定义与特性、电磁波的传播方式及其影响因素。
1. 电磁波的定义与特性电磁波是由电场和磁场相互耦合而成的波动现象。
电场和磁场通过Maxwell方程组相互关联，形成电磁波的传播。
电磁波具有以下特性：1.1 频率与波长电磁波的频率表示波动的周期性，单位为赫兹（Hz），波长表示波动的空间周期，单位为米（m）。
两者之间的关系为 c = λf，其中，c表示光速。
1.2 能量与强度电磁波携带能量，其能量与强度与电磁场的振幅相关。
强度衡量了电磁波的能量传递速率，单位通常为瓦特/平方米（W/m²）。
1.3 极化与方向电磁波的振动方向决定了其极化状态。
如果电磁波的电场振动方向固定不变，则为线偏振；如果电场振动方向在垂直平面上变化，则为圆偏振或椭圆偏振。
2. 电磁波的传播方式电磁波在空间中以波动的方式传播，主要包括直线传播、绕射传播和反射传播三种方式。
2.1 直线传播当电磁波沿着一条直线传播时，会保持波动的形态不变。
这种传播方式主要适用于开放的空间环境，例如无线通信中的室外传播。
2.2 绕射传播当电磁波遇到一个障碍物时，会发生绕射现象，即波动从一个区域穿过障碍物后继续传播。
绕射传播常见于射频通信中的建筑物、山脉等障碍物环境中。
2.3 反射传播电磁波在遇到介质边界时会发生反射现象，即波动从边界反射回来。
反射传播常见于无线电广播中的地面反射和室内环境中的多次反射。
3. 影响电磁波传播的因素电磁波的传播受到多种因素的影响，包括频率、波长、功率、环境和障碍物等。
3.1 频率与波长频率和波长决定了电磁波在空间中的传播特性。
高频率的电磁波会更容易受到阻碍，传播距离相对较短；低频率的电磁波可以穿透障碍物，传播距离相对较远。
3.2 功率与衰减电磁波的功率越大，传输距离越远。
然而，电磁波在传播过程中会受到衰减，衰减程度取决于介质的特性。
电磁波的传播原理
电磁波的传播原理
电磁波的传播原理是基于麦克斯韦方程组和电磁场理论。
电磁波是由电场和磁场交替变化而形成的一种波动现象。
根据麦克斯韦方程组，电场和磁场相互作用，彼此产生变化。
当电场发生变化时，根据法拉第电磁感应定律，就会产生磁场的变化；当磁场发生变化时，根据安培环路定律，就会产生电场的变化。
这种电磁场的交替变化就形成了电磁波。
根据麦克斯韦方程组的推导，可以得知电磁波的传播速度为光速，即299,792,458米/秒。
这意味着电磁波能够在真空中传播，而不需要媒质进行传导。
此外，电磁波具有波粒二象性，既可以表现为波动的形式，又可以看作是由粒子构成的能量量子。
电磁波的传播方式是通过空间中的相互垂直的电场和磁场的振荡相互作用而实现的。
电磁波具有特定的频率和波长，频率和波长之间的关系遵循光速不变定律（即频率乘以波长等于光速）。
根据频率的不同，电磁波可以分为不同的类型，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。
当电磁波遇到不同介质时，会发生折射、反射和吸收等现象。
折射是指电磁波在从一种介质传播到另一种介质时，传播方向发生改变的现象。
反射是指电磁波遇到界面时，部分能量被界面反射回去的现象。
吸收是指电磁波的能量被介质吸收并转化为其它形式能量的过程。
电磁波的传播具有很广泛的应用，涵盖了通信、雷达、无线电、电视、卫星通信、医学影像等众多领域。
通过对电磁波传播原
理的研究，人们能够更好地理解光与电磁波的行为，从而实现电磁波的利用与控制。
电磁波理论
电磁波理论电磁波理论是一种关于电磁场的传播和相互作用的理论。
它由麦克斯韦方程组组成，描述了电磁场的基本性质和行为规律。
这一理论是现代物理学的重要基础，对电磁波的研究和应用有着重要的意义。
首先，电磁波是什么？电磁波是电磁场在空间中传播的波动现象，它由电场和磁场相互关联而产生。
在麦克斯韦方程组中，电场和磁场的演化由四个基本方程描述：高斯定律、法拉第电磁感应定律、安培环路定律和麦克斯韦方程。
这些方程揭示了电磁波的本质和传播规律。
根据麦克斯韦方程组，电磁波沿着空间中的传播方向传递能量和动量。
这意味着电磁波可以在真空中传播，不需要依赖于任何介质。
当电磁波从一个介质传播到另一个介质时，它会发生折射和反射现象，这是因为介质的电磁性质不同导致的。
电磁波的传播速度在真空中是一个恒定值，约为光速，即30万公里每秒。
这也是为什么我们常常将电磁波称为光波，因为可见光是一种特定频率和波长的电磁波。
电磁波包括很多种类，根据频率和波长的不同可以分为不同的区域。
其中，射频波（RF）是指频率范围在3千赫兹（kHz）至300吉赫兹（GHz）之间的电磁波。
射频波被广泛应用于通信、无线电、雷达等领域。
微波是一种高频的电磁波，它的频率范围在300兆赫兹（MHz）至300吉赫兹（GHz）之间，被广泛用于微波炉、通信、雷达和卫星通信等领域。
太赫兹波（THz）是一种频率范围在100吉赫兹（GHz）至10太赫兹（THz）之间的电磁波，具有特殊的性质，被广泛用于成像、无损检测和生物医学等领域。
电磁波的应用非常广泛。
从通信领域来看，无线通信技术就是基于电磁波传播的。
从传输媒介来看，无线通信分为无线电、微波和红外线通信等不同频段。
无线电通信涵盖了广播、电视、手机通信等诸多领域，微波通信应用于卫星通信、雷达和航空导航等，红外线通信则应用于遥控、传感器和红外线成像等领域。
此外，电磁波的应用还包括医学成像、材料检测和天文观测等。
在医学成像领域，X射线和核磁共振成像（MRI）都是利用电磁波与人体组织的相互作用来获取影像信息的技术。
电磁波的传播特性和波动理论
电磁波的传播特性和波动理论电磁波作为一种特殊的波动现象，其传播特性和波动理论一直是物理学研究的重要课题。
本文旨在探讨电磁波的传播特性以及基于波动理论的解释。
首先，我们来了解电磁波的传播特性。
电磁波是一种横波，通过电场和磁场的相互作用而传播。
其传播速度为光速，即299792458 m/s。
电磁波可以分为不同的频段，包括射频、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。
每个频段在自然界中都扮演着不同的角色，广泛应用于通信、医疗、科学研究等领域。
其次，我们来看看电磁波的波动理论。
波动理论认为，电磁波的传播是通过介质中的振动传递能量。
这个理论得到了许多实验证据的支持，例如双缝干涉实验和杨氏干涉实验。
这些实验证明了电磁波与光波的性质，从而推动了现代物理学的发展。
基于波动理论的研究表明，电磁波在传播过程中也存在着一些有趣的现象和规律。
例如，电磁波的传播路径会受到比如反射、折射和衍射等效应的影响。
这些效应使得电磁波能够绕过障碍物、通过天线传输等，为我们的通信和传输提供了基础技术。
此外，电磁波的传播还具有极高的穿透能力。
射频和微波能够穿透建筑物和障碍物，使得无线通信成为可能。
而X射线和γ射线则能够穿透人体组织，被广泛应用于医学成像和癌症治疗等领域。
除了传播特性，波动理论还帮助我们理解电磁波的量子性质。
根据量子力学理论，电磁波可以被看作是由一系列离散的能量量子组成的。
这些能量量子被称为光子，是构成光和电磁波的基本单位。
光子被光吸收物质（如光敏物质）吸收时，会引起电子的跃迁，从而产生电荷变化，进而触发相关的物理过程。
最后，我们还需要注意到电磁波的一些应用。
在无线通信领域，电磁波的传播特性决定了信号的强度和传输距离。
因此，我们需要理解电磁波在不同频段的衰减特性，以提高通信质量和覆盖范围。
此外，电磁波在医学成像中也扮演着重要的角色。
通过利用电磁波的吸收和反射特性，我们可以获取人体组织的结构信息，实现无创的检测和诊断。
电磁波理论
电磁波理论
电磁波理论是电磁学研究中重要的理论，该理论早在1850-1865年间由布热津斯基首先提出，在那时已经把它与物理学接上了衣钵。
在电磁学的研究中，电磁波理论可以说是一种基本的研究理论。
电磁波是一种由电场和磁场在空间交互作用产生的非障碍性波，广泛存在于电磁场中，它拥有独特的电磁传播特性和波动性质。
电磁波理论可以用于解释物质微观结构在空间传播的规律，指导物理实验的设计，分析实验结果采取措施，以及推动研究新的物理和工程技术。
在本质上，电磁波理论属于波动力学，它主要研究的是以本质的介质为媒介的新科学，它是以电场和磁场的时空运动为基础，以电中性粒子圍繞磁力线的动力为出发点，通过磁力线来发送电和磁场，形成具有电磁力学性质的波。
电磁波传播有多种形式，例如反射和干涉等，其中最经典的是电磁波原理，它提供了电磁学研究的解决方案，证明了电场和磁场之间的行为可以用同一原理进行解释，从而使电磁学开展了重大进步。
电磁波理论的研究正在大大提高我们对电磁学的认识，并扩展出更多的应用领域。
在当今的领域，电磁波研究的成果已经广泛应用，为各行各业提供服务，包括通信技术、电子设备和航空技术等，正在紧密的关联电磁波理论和实验，进一步推动在电磁学领域的发展及其应用。
电磁波理论是当今科学技术发展于一体的珍贵财富，它为我们提供了关于电磁学的知识和方法，在日新月异的科技发展史上，它起着举足轻重的作用。
电磁学的基本理论和应用
电磁学的基本理论和应用电磁学是研究电荷与电磁场相互作用的学科，涉及电场、磁场、电磁波等内容。
电磁学理论的发展促进了现代科学技术的进步，广泛应用于工程、通信、医学等领域。
本文将介绍电磁学的基本理论和一些常见应用。
一、电磁学的基本理论1. 库仑定律库仑定律是电磁学的基础之一。
根据库仑定律，两个点电荷之间的电力大小与它们之间的距离平方成反比，与电荷的大小成正比。
这一定律表明了电荷的相互作用与距离和电荷之间的属性有关。
2. 高斯定律高斯定律是研究电场的基本定律之一。
根据高斯定律，电场通过封闭曲面的电通量与该曲面内的电荷量成正比。
这一定律可以帮助我们计算电场分布并解释电场的性质。
3. 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律描述了磁场变化引起的感应电流。
根据法拉第电磁感应定律，当闭合线圈或导体中的磁通量发生变化时，会产生感应电动势或感应电流。
该定律为发电机、变压器等电磁设备的工作原理提供了理论基础。
4. 安培定律安培定律是研究磁场的基本定律之一。
根据安培定律，通过闭合电路的磁场强度与该电路上所包围的电流成正比。
这一定律揭示了电流产生的磁场特性，为设计电磁铁、磁共振成像等设备提供了依据。
5. 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组是电磁学研究的核心方程，由麦克斯韦整理和总结了电磁学的基本理论。
麦克斯韦方程组包括了电场、磁场与它们的相互关系，形成了统一的电磁理论。
这一理论奠定了电磁学的基础，指导了电磁波的研究与应用。
二、电磁学的应用1. 电力工程电磁学在电力工程中的应用广泛。
例如，利用电场的力作用和磁场的感应效应，发明了电动机、发电机、变压器等电力设备，实现了能量的转换和传输。
电磁学的理论指导了电力系统的设计、运行和维护，保障了电力供应的稳定性和可靠性。
2. 通信技术电磁学在通信技术中起着关键作用。
无线通信依赖于电磁波的传播和接收。
通过电磁场的调制和解调，信息可以在远距离传输。
电磁学的原理为无线电、雷达、卫星通信、光纤通信等技术的发展提供了基础。
电磁波基本理论
电磁波目录·电磁波是什么·电磁波的发现·电磁波谱·电磁辐射·电磁辐射对人体有的伤害·一个直观动态演示电磁波是什么Electromagnetic定义：从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。
正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波。
电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。
产生电磁波是电磁场的一种运动形态。
电与磁可说是一体两面，变动的电会产生磁，变动的磁则会产生电。
变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。
性质电磁波频率低时，主要藉由有形的导电体才能传递。
原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部反回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。
在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部反回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。
举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和勋阳光的光与热，这就好比是「电磁辐射藉由辐射现象传递能量」的原理一样。
电磁波为横波。
电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。
振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。
其速度等于光速c（每秒3×10的8次方米）。
在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长λ，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。
三者之间的关系可通过公式c=λf。
电磁场的基本理论
电磁场的基本理论电磁场是指存在于空间中的电场和磁场相互作用的物理现象。
其基本理论由麦克斯韦方程组所描述，这是一组描述电磁现象的偏微分方程。
本文将介绍电磁场的基本概念、电磁波的传播以及麦克斯韦方程组的基本原理。
一、电磁场的基本概念电磁场是由电荷和电流引起的物理现象，其中电荷产生电场，电流产生磁场。
电场和磁场在空间中具有能量、动量和角动量，它们的相互作用可以相互转化。
电磁场的基本特性包括场强、场线和场矢量。
1. 场强：电场和磁场在空间中具有场强，用于描述场的强弱。
电场的场强由电荷数和距离决定，磁场的场强由电流和距离决定。
2. 场线：电磁场可以用场线表示，场线是指在空间中描绘场强分布的曲线。
电场的场线是由正电荷指向负电荷，磁场的场线则是环绕电流的闭合曲线。
3. 场矢量：电场和磁场都可以用矢量表示，电场矢量用E表示，磁场矢量用B表示。
场矢量的方向与场强方向相同。
二、电磁波的传播电磁波是由电场和磁场相互耦合形成的波动现象。
根据麦克斯韦方程组的解析解，电磁波以光速$c$传播，且在真空中传播时的速度为$c$。
电磁波在介质中的传播速度取决于介质的折射率。
1. 电磁波的性质：电磁波具有双重性质，既表现出波动性，也表现出粒子性。
根据波粒二象性的原理，电磁波可以用粒子模型的光子来描述。
2. 频率和波长：电磁波由频率和波长来描述，频率用$\nu$表示，波长用$\lambda$表示。
频率和波长之间的关系由$c=\lambda\nu$给出。
3. 光的谱线：电磁波在不同频率范围内对应着不同的光谱线。
可见光波长范围在400纳米到700纳米之间，红光、橙光、黄光、绿光、蓝光和紫光分别对应着不同的频率。
三、麦克斯韦方程组的基本原理麦克斯韦方程组是描述电磁场的基本方程，包括两条电场方程和两条磁场方程。
1. 麦克斯韦第一和第二方程：这两条方程描述了电场和磁场的生成和变化。
麦克斯韦第一方程，也称为高斯定律，表示电场线可以从正电荷发出或进入负电荷。
电磁场与电磁波的基本理论和工程应用
电磁场与电磁波的基本理论和工程应用电磁场和电磁波是电磁学的基础概念，其理论和应用在现代科技社会中起着重要作用。
本文将详细介绍电磁场和电磁波的基本理论以及其在工程应用中的具体情况。
一、电磁场的基本理论1.1 电磁场的概念电磁场是一种存在于空间中的物理现象，描绘了电荷和电流的相互作用过程。
它由电场和磁场两部分组成，具有方向强度和传播速度等特性。
1.2 电磁场的数学表达电磁场的数学表达主要是通过麦克斯韦方程组来描述。
麦克斯韦方程组包括四个方程，分别是高斯定律、法拉第电磁感应定律、安培环路定律和法拉第电磁感应第二定律。
1.3 电磁场的特性电磁场有许多特性，其中包括：- 有源性：电磁场的产生需要带电粒子或电流作为能量源。
- 传播性：电磁场可以在空间中传播，并以光速的速度传递信息。
- 叠加性：多个电磁场可以叠加形成新的电磁场。
- 势能性：电磁场可以与电荷相互转化，从而进行能量的传递。
二、电磁波的基本理论2.1 电磁波的概念电磁波是由电磁场在空间中传播形成的一种波动现象。
它由电场和磁场的相互作用引起，具有电磁场的传播速度和特性。
2.2 电磁波的产生和传播电磁波的产生主要是通过加速带电粒子或振荡电流来实现的。
一旦电磁波产生后，它会以电磁场的形式在空间中传播，直到被吸收或衰减。
2.3 电磁波的分类根据波长和频率的不同，电磁波可以分为不同的分类，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。
三、电磁场和电磁波的工程应用3.1 通信技术电磁场和电磁波在通信技术中起着关键作用。
无线电波和微波被广泛应用于无线通信和卫星通讯领域，可实现远距离的信息传输。
3.2 雷达技术雷达技术利用电磁波进行探测和测距，广泛应用于航空、军事等领域。
雷达可实现对目标的探测、定位和跟踪，具有重要意义。
3.3 高频加热技术高频加热技术是利用电磁场的能量将物体加热到所需温度。
它在工业生产中广泛应用于熔融金属、加热塑料等领域。
3.4 医学诊断技术电磁波在医学诊断技术中也有重要应用。
电磁波传播特性理论与模拟研究
电磁波传播特性理论与模拟研究第一章电磁波传播基础电磁波是指在空间中传播的电场和磁场的振荡，常见的电磁波有微波、射频波、无线电波等。
电磁波具有一系列的特性，其中最重要的特性是传播特性。
电磁波的传播是指愈变愈弱地向周围传播，传播距离和功率的关系是指数函数关系，即功率随距离的平方增长。
电磁波的传播特性与频率、传播介质等因素密切相关。
第二章电磁波传输模型为了更好地研究电磁波的传播特性，科学家们建立了一系列的电磁波传输模型。
这些模型主要包括自由空间传输模型、满空间传输模型、地面传输模型、衰减模型等。
其中自由空间传输模型是最基本的模型，指的是在没有遇到任何障碍物的情况下，电磁波在空气中传播的模型。
满空间传输模型则是在介质中传播的模型，主要应用于射频和微波领域，其计算方法和自由空间传输模型相似。
地面传输模型主要应用于电台通信和雷达等领域，其计算方法不同于自由空间传输模型，需要考虑大地效应和建筑物等障碍物的影响。
衰减模型则是文献中颇为常见的一种模型，其主要用于计算信号的损耗，同时也是研究电磁波传播特性的一个重要模型。
第三章电磁波传输模拟随着在通信、雷达、无线电等领域的广泛应用，人们需要了解和模拟电磁波在特定环境下的传播特性。
为此，科学家们开发了一系列的电磁波传输模拟软件，涵盖多种模型和算法。
其中比较常见的电磁波传输模拟软件包括HFSS、CST、ADS等。
这些软件各自有其独特的特点和优势，可用于解决不同领域中的电磁波传输问题，如高频电路设计、天线设计、微波和毫米波电路等。
第四章电磁波传播仿真应用实例一些实际的应用案例可以帮助我们更好地理解电磁波传播特性的研究。
例如，在通信领域，考虑到城市建筑的影响，需要进行电磁波传播仿真，以研究无线电网络的性能。
在雷达领域，电磁波传播仿真可用于优化雷达天线方向图，提高雷达的探测距离和分辨率。
在高频电路设计中，模拟电磁波传输可以帮助设计师优化电路结构，提高电路的工作效率和稳定性。
第五章总结电磁波传播特性是电磁学中的核心问题之一，对研发新型电子元器件和无线通信技术具有重要的意义。
近场通信技术中的电磁波传播理论
近场通信技术中的电磁波传播理论近年来，随着科技的不断发展，近场通信技术逐渐引起了人们的关注。
作为一种能够在物体表面或近距离范围内进行数据传输的技术，近场通信技术在智能手机、无线支付等领域得到了广泛应用。
而在近场通信技术中，电磁波传播理论起着至关重要的作用。
电磁波传播理论是指描述电磁波在传播过程中的行为和特性的理论体系。
在近场通信技术中，电磁波传播理论主要包括电磁波的传播方式、传播距离、传播速度等方面的研究。
了解电磁波传播理论对于近场通信技术的研究和应用具有重要意义。
首先，电磁波在近场通信技术中的传播方式有着多种形式。
近场通信技术主要依靠电磁波在近距离范围内传播来实现数据传输。
而在近场通信中，电磁波的传播方式可以分为短波传播和长波传播两种。
短波传播是指电磁波在近距离范围内以直线传播的方式进行数据传输，其传播距离较短，但传输速度较快。
而长波传播则是指电磁波在近距离范围内以曲线传播的方式进行数据传输，其传播距离较远，但传输速度较慢。
了解电磁波的传播方式有助于我们选择适合的传输方式，提高数据传输的效率。
其次，电磁波在近场通信技术中的传播距离也是我们需要关注的问题。
近场通信技术主要适用于近距离范围内的数据传输，因此电磁波的传播距离是一个需要考虑的因素。
根据电磁波的传播特性，我们可以通过调整电磁波的频率和功率来控制其传播距离。
一般来说，电磁波的频率越高，传播距离越短，而功率越大，传播距离越远。
因此，在近场通信技术中，我们可以根据具体需求来选择适当的频率和功率，以实现理想的传输距离。
最后，电磁波在近场通信技术中的传播速度也是一个需要研究的问题。
传输速度是衡量近场通信技术性能的重要指标之一。
在近场通信技术中，电磁波的传播速度与其频率和介质特性有关。
一般来说，电磁波在真空中的传播速度是一个恒定值，即光速。
但在不同介质中，电磁波的传播速度会发生变化。
因此，在近场通信技术中，我们需要根据具体的传输介质来计算电磁波的传播速度，以实现高效的数据传输。
通信电子中的电磁波理论介绍
通信电子中的电磁波理论介绍电磁波理论是通信电子技术的重要基石，应用广泛于无线通信、电视、雷达、卫星导航等领域。
本文将从电磁波的产生、传播和检测三个方面介绍电磁波理论的相关知识。
一、电磁波的产生电磁波是由交变电场和交变磁场相互作用而产生的无线电波。
当电流通过导体时会产生磁场，这个磁场又会引起导体周围的电场变化，从而产生电磁波的传播。
电磁波的频率决定了它的特性，频率越高，波长越短，能够传输的信息也就越多。
因此，电磁波的频率与波长是密切相关的，它们之间的关系可以用下面的公式来表示：速度等于频率乘以波长，即V=fλ二、电磁波的传播电磁波的传播需要介质的支持，当电磁波遇到介质时，会发生反射、折射和透射等现象。
在真空中，电磁波的传播速度等于光速，而在介质中，电磁波传播速度会发生改变，这取决于介质中的电磁波折射率。
电磁波的功率衰减也是一种重要的传播特性。
随着电磁波距离源点的增加，其传播功率会不断减少，这种现象叫做功率衰减，其原因是电磁波在传播过程中与周围环境相互作用的结果。
功率衰减与电磁波的频率、传输距离以及传输介质等因素都有关系。
三、电磁波的检测电磁波的检测是将电磁波转化为可见的形式，从而进行电磁波的监测和分析。
电磁波的检测器分为两种类型，分别是有源型和无源型。
有源型电磁波具有一定的辐射发射功率，如雷达和卫星导航系统；而无源型电磁波则是无功率发射的，如电视和无线电话。
电磁波的检测要考虑到电磁波信号的特性，包括电磁波的频率、功率、极化等特征。
检测器通常采用天线或探测器将电磁波转化为电信号，然后使用适当的信号处理器对信号进行分析和处理。
四、结语电磁波理论是通信电子技术的基础，其应用范围十分广泛。
了解电磁波的产生、传播和检测原理，有助于我们更好地理解现代通信电子技术的发展趋势，并拓宽我们的科技视野。
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大气折射（2）
负折射（K<1） 无折射（K=1） 标准折射k=4/3
Re
由发射天线直接射到接收点的电波称为直射波；发射天线发出的 指向地面的电波，被地面反射而到达接收点的电波称为反射波。 T 显然，接收点的信号应该是直射波和反射波的合成。电波的合成 不会象 1 + 1 = 2 那样简单地代数相加，合成结果会随着直射波 和反射波间的波程差的不同而不同。
直线波
极限直视距离
超短波特别是微波，主要是由空间波来传播的。简单地说，空间波是 在空间范围内沿直线方向传播的波。显然，由于地球的曲率使空间波 传播存在一个极限直视距离Rmax 。在最远直视距离之内的区域，习 惯上称为照明区；极限直视距离Rmax以外的区域，则称为阴影区。 不言而语，利用超短波、微波进行通信时，接收点应落在发射天线极 限直视距离Rmax内。
受地球曲率半径的影响，极限直视距离Rmax 和发射天线与接收天线的高度HT 与 HR间的关系 为 ： Rmax ＝ 3.57{ √HT (m) +√HR (m) } (km) 地球赤道半径 6378Km
考虑大气折射时： 4.12( h1 d h1, h 2( m) d ( km) h2 )
( m) ( m)
电磁波的绕射
在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕 过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的 绕射。 波的绕射主要是对遮挡物后面的“阴影区” 研究。 波长越短（即频率越高）绕射能力越差， 反之则较强。
波的绕射在覆盖中的影响
超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱， 在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴 影区”。信号质量受到影响的程度，不仅和建筑 物的高度有关，和接收天线与建筑物之间的距离 有关，还和频率有关。 频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近， 信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频 率越低，建筑物越矮、接收天线与建筑物越远， 影响越小。
pt 2 pr SAr Gt Gr ( ) 2 4d 4
公式推导
对以上公式两边取分贝得： 10log(Pr)=10log(PtGtGr)-10log(4πd/ λ)2 其中10log(4πd/ λ)2前面为负号即为传输损耗。 自由空间中电磁波传播损耗 L0＝ 10log(4πd/ λ)2 =32.44dB+20log(d)+20log(f) d 两点间通信距离单位Km f 工作频率单位MHz
不同地型的传输损耗
L(市区）＝69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)-s(a) L(郊区)=64.15+26.16lgf-2[lg(f/28)]2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2) L(乡村公路)=46.38+35.33lgf-[lg(f/28)]2-2.39(lgf)2-13.82lgh1+(44.96.55lgh1)lgd-a(h2) L(开阔区)=28.61+44.49lgf-4.87(lgf)2-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgda(h2) L(林区)=69.55+26.16lgf-13.82lgh1+(44.9-6.55lgh1)lgd-a(h2)
地波
沿地球表面空 间传播的无线 电波称为地波 。 依靠大气电离 层的发射传播 的无线电波称 为天波 沿直线传播的 无线电波称为 空间波或视波
波段； 中、长波 (＜ 1605kHz) 波段；
主要用途： 长波适用超远程无 线电通讯和导航； 中波、中短波适用 广播与电报。 主要用途：
天波
短波（3.9－ 无线电广播和电报 22MHz) 波段： 微波 主要用途： 移动通信等较多领 域
自由空间中的路径损耗
Ls＝32.45+20lgf+20lgd 自由空间基本传输损耗Ls仅与频率f和距离d 有关。当f 和d扩大一倍时，Ls均增加6dB， 由此我们可知GSM1800基站传播损耗在自 由空间就比GSM900基站大6个dB
电磁波的多径
电磁波的多径
电磁波在大气中会产生折射。 电磁波遇到障碍物时会产生反射和绕射象。 电磁波在空气中的微粒会产生散射现象。
基本模型
陆地移动信道的主要特征是多径传播，实 际多径传播环境是十分复杂的，在研究传 播问题时往往将其简化，并且是从最简单 的情况入手。仅考虑从基站至移动台的直 射波以及地面反射波的两径模型是最简单 的传播模型。 传输损耗：Lp≈20lg(d/(h1*h2)) （GSM）
Okumura模型
1.市区的路径损耗 Lp◆ Okumura电波传播衰减计算模式 GSM900MHz主要采用国际推荐的Okumura 电波传播衰减计算模式。该模式是以准平坦 地形大城市区的平均场强或路径损耗作为参 考，对其他传播环境和地形条件等因素分别 以校正因子的形式进行修正。不同地形上的 基本传输损耗按下列公式分别预测。
电磁波传播基本理论
电磁波在自由空间中的传输损耗
Pt
d
Pr
pt pr Gt Gr ( ) 2 4d 4
2
接收功率推导公式
发射天线单位面积电功密度 S=PtGt/(4πd2） 接收天线有效接收面积 Ar=Grλ2/π 4πd2球面积 λ2/π 接收天线有效积 Gt 发射天线增益 Gr接收天线增益 λ工作波长 由上可得出公式
R
d1
d2
d
菲涅尔半径
菲涅尔半径求法
T
0 F1
R
d1
d2
菲涅尔区和菲涅尔半径
(m)d1 (m)d 2 (m) F1 d ( m) (m)d1 (km)d 2 (km) F1 31.6 d (km)
Fn n F1
在第一菲涅尔区内可近似采用自由空间计算传播损耗。 在一些情况下可改变天线高度以调整夹生覆盖情况。
其中：f----工作频率，MHz h1---基站天线高度，m h2---移动台天线高度m d---到基站的距离，km a(h2)---移动台天线高度增益因子，dB a(h2)=(1.1lgf-0.7)h2-1.56lgf+0.8(中，小城 市) =3.2[lg(11.75h2)]2-4.97(大城市) s(a)---市区建筑物密度修正因子，dB; s(a)=30-25lga (5%<a≤50%) =20+0.19lga-15.6(lga)2 (1%<a≤5%) =20 (a≤1%)=69.55+26.16Log(f)-13.82Log(hb)+(44.9- 65.5Loghb)Logd-Ahm 其中对中等或大城市Ahm=(1.1Log(f)-0.7)hm-(1.56Log(f)-0.8)
例题
GSM900网络中，平滑地面上发射功率为 40W，手机离基站相距2Km，发射天线的 增益32dBi,手机天线增益0dBi,求基站至手 机的自由空间损耗，及手机可接收的功率 为多少dBm? 解： Ls=32.44+20log(d)+20log(f) Pr=Pt+Gt+Gr-Ls-Lp
Okumura模型
2.郊区Lps=Lp(市区）－2[Log(f/28)]2-5.4 3.在农村或开阔地带 Lp0=Lp市区－4.78(Log(f))2-118.33Log(f)44.94
参考覆盖标准 大城市繁华市区室内覆盖电平：-70dBm 一般市区室内覆盖电平：-80 dBm 市区室外覆盖电平：-90 dBm 乡村：-94 dBm