電磁波與頻譜管理

1、會計學1電磁波與頻譜管理電磁波與頻譜管理 麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組 電磁波電磁波重點：電磁頻譜管理難點：麥克斯韋方程組 電磁頻譜管理電磁頻譜管理 一、麥克斯韋方程組一、麥克斯韋方程組（Maxwell EquationsMaxwell Equations）1.1.實驗規(guī)律與假設實驗規(guī)律與假設1785年庫侖定律1820年畢奧薩伐爾定律1831年法拉第電磁感應定律18651865年麥克斯韋兩個假設年麥克斯韋兩個假設渦旋電場渦旋電場位移電流位移電流電場的高斯定理電場的高斯定理磁場的高斯定理磁場的高斯定理法拉第電磁感應法拉第電磁感應定律定律安培環(huán)路定理安培環(huán)路定理 18651865年麥克斯韋將電磁的

2、規(guī)律歸結為一組方程年麥克斯韋將電磁的規(guī)律歸結為一組方程2.2.麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組d1SDSq（）d0(2)SBS)3(ddSstBlElcSdd (4)lDHlIStD( 1)0 (2)B(3)BEt (4)cDHJt0rD=EE 0rB=HH l由四個方程所組成l體現(xiàn)出電場和磁場是一個不可分割的整體l系統(tǒng)而完整地概括了電磁場的基本規(guī)律 麥克斯韋方程組在電磁學中的作用，如同牛頓運動定律在力學中的作用一樣。 3.3.討論討論 二、電磁波二、電磁波（Electromagnetic WaveElectromagnetic Wave）1.1.概念的提出與證實概念的提出與證實自由空間：自由空間

3、：真空：真空：0,0cJ00,DEBH222222221010EEtBBtvv1v 麥克斯韋從理論上預言了電磁波的存在，并計麥克斯韋從理論上預言了電磁波的存在，并計算出電磁波傳播的速度。算出電磁波傳播的速度。麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組赫茲-德國物理學家 1887年，赫茲用振蕩偶極子證實了電磁波的存在。開創(chuàng)了無線電電子技術的新紀元。正當人們對他寄以更大期望時，他于1894年因血中毒逝世，年僅37歲。為了紀念他的功績，人們將頻率的單位以他的名字來命名，簡稱“赫（Hz）” (Hertz , 1857-1894)電源電源LCRLC振蕩器振蕩器傳輸線傳輸線偶極子天線偶極子天線電磁波電磁波無線電波發(fā)射示

4、意圖電偶極子的輻射過程電偶極子的輻射過程qqqqqqqq2.2.射頻波的產(chǎn)生射頻波的產(chǎn)生0Q+0QCL模型：振蕩偶極子l振蕩頻率要足夠高l電路必須開放輻射能量與頻率的四次方成正比;使電磁場最大限度地分散到電路以外的空間中;dSCVnL2EBEccccB電偶極子附近的電磁場線電偶極子附近的電磁場方向202sin( , )cos4prE r ttrvv20sin( , )cos4prH r ttrvv1 vxyz.aabbHEHEHESSp3.3.電磁波的特性電磁波的特性2) 和 振動同相位；EH 兩兩相互垂直EH、 、v3)波速 1v1)橫波，有偏振特性，vEB00EH真空中的速度127008-

5、1118.85 104102.00792458 10 m s v4.4.電磁場的物質(zhì)性電磁場的物質(zhì)性1)1)能量密度能量密度221Ewe 221Hwm 電場電場磁場磁場 2221HEwwwme 電磁場電磁場物質(zhì)性：具有質(zhì)量、能量、動量等物質(zhì)性：具有質(zhì)量、能量、動量等2)2)能流密度能流密度( (輻射強度輻射強度) ) 單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位面積的單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位面積的輻射能量。輻射能量。2212SwEHvv1vHE EHS HES EHSwv能流密度矢量坡印廷矢量3)3)電磁場的質(zhì)量電磁場的質(zhì)量221()2wD EB Hccm4)4)電磁場的動量電磁場的動量21(

6、)2wSD EB Hcccp場物質(zhì)與實物物質(zhì)的區(qū)別場物質(zhì)無靜止質(zhì)量，波動傳播，粒子形式作用場物質(zhì)無靜止質(zhì)量，波動傳播，粒子形式作用場物質(zhì)在真空中永遠以光速傳播場物質(zhì)在真空中永遠以光速傳播場物質(zhì)在空間具有疊加性場物質(zhì)在空間具有疊加性主演：孫道臨 王心剛 袁霞 1958 主演： 詹姆斯加納 愛娃瑪麗森特 羅德泰勒 1965 電磁頻譜：按電磁波頻率或波長排列所形成的譜系一、電磁頻譜實戰(zhàn)案例案例1：1904年2月8日日俄戰(zhàn)爭（地點：旅順 ） 1904年日俄戰(zhàn)爭，俄羅斯軍艦上的報務員利用發(fā)射機成功干擾了日軍通信線路，結果日本軍艦不戰(zhàn)而退世界上第一次使用電磁頻譜作戰(zhàn)就大顯神奇的魔力。日本與俄國在中國開始的

7、一場戰(zhàn)爭沙皇尼古拉二世為俄軍送行攻占旅順后，舉行宴會的日軍將領日、俄雙方在樸茨茅斯簽訂和約 日軍對電磁頻譜管理控制不力，作戰(zhàn)計劃以及“AF” 密電被美軍截獲破譯，并發(fā)出信息，日軍中套，喪失作戰(zhàn)主動權慘敗，4艘航空母艦被擊沉，海軍航空兵部隊主力全部被殲。案例2：1942年日美中途島之戰(zhàn) 案例3：1982年英阿馬島海戰(zhàn) 馬島戰(zhàn)爭是1982年4月到6月間，英國和阿根廷為爭奪馬島（馬爾維納斯群島）主權而爆發(fā)的一場局部戰(zhàn)爭。 距南大西洋與南太平洋之間的要沖航道麥哲倫海峽250 海里，距阿根廷本土276 海里；寒帶，多沼澤，物資貧乏。戰(zhàn)略地位極其重要，是溝通南半球兩大洋交通的必經(jīng)之路，是英國在南大西洋最重

8、要的基地。在兩次世界大戰(zhàn)中，英國海軍都利用這一基地控制南大西洋的制海權，開發(fā)南極的前進基地，海底石油之爭。馬島首府阿根廷港馬島首府阿根廷港馬島首府阿根廷港 1982年5月4日號稱英國海軍最先進的“謝菲爾德號”導彈驅逐艦，由于沒有解決好衛(wèi)星通信系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)的頻率使用問題，以至于兩個系統(tǒng)不能同時工作，戰(zhàn)斗中，該艦與指揮所進行衛(wèi)星通信，雷達系統(tǒng)關機，沒能及時發(fā)現(xiàn)來襲的阿根廷戰(zhàn)機，最終被飛魚導彈擊中，艦毀人亡。 發(fā)現(xiàn)“謝菲爾德號”阿軍海王星偵察機攻擊英軍的“超級軍旗”攻擊機（2枚AM39“飛魚”導彈） 阿根廷海軍航空母艦裝備的天鷹阿軍海軍3中隊飛行員合影（5.24）謝菲爾德級驅逐艦3架 “超級軍旗”

9、攻擊機，在46 公里處，攻擊機組突然躍升至150米，啟動機載雷達，鎖定目標后，發(fā)射2枚“飛魚”式反艦導彈，導彈離水面僅2米高，速率為1000km/h。被擊中的“謝菲爾德”號被擊中的“謝菲爾德”號被擊中的“謝菲爾德”號被擊沉的英軍42型“考文垂”號驅逐艦被擊沉的英軍21型“熱心”號護衛(wèi)艦正在下沉的阿軍“貝爾格拉諾將軍號阿根廷“超軍旗”攻擊機 二戰(zhàn)后丘吉爾總結說 ：“沒有這種戰(zhàn)場魔法，我們就會失敗 、失敗、直至死亡。” 案例4：美越戰(zhàn)爭（1961年1975年） 美國空軍在越南戰(zhàn)爭期間損失慘重，被擊落飛機2500架，飛行員死亡5000多名。AQM-34Q型147火蜂無人偵查機攜帶“百舌鳥”反輻射導彈

10、的F-105G戰(zhàn)斗轟炸機 在某次戰(zhàn)役中，美軍共發(fā)射了137枚“百舌鳥”導彈，導致越軍50%的防空導彈系統(tǒng)暫時失去了戰(zhàn)斗力，發(fā)射和技術保障陣地上約200枚防空導彈被美軍摧毀。F-105G戰(zhàn)斗轟炸機在越南上空加油 案例5：1990年海灣戰(zhàn)爭（1991年1月17日2月28日） 海灣戰(zhàn)爭準備階段，美軍國防部電磁兼容分析中心向美軍中央司令部提供了多國部隊的頻率數(shù)據(jù)庫、海灣地區(qū)電磁環(huán)境資料，還抽調(diào)專家與多國部隊頻譜管理組織組成聯(lián)合機構，對電磁頻譜實施有效管理，為多國部隊作戰(zhàn)提供了可靠保證。 美國動用了12類50多顆各種軍用和商用衛(wèi)星構成戰(zhàn)略偵察網(wǎng)，為多國部隊提供了70的戰(zhàn)略情報。 伊拉克軍隊在多國部隊的電

11、磁干擾和精確制導武器打擊下，無線電通信中斷、雷達迷盲、武器裝備性能難以正常發(fā)揮，使軍隊失去有效指揮，處處被動挨打。 特點：信息化、空間化、遠程化、精確化 案例6：福萊斯特級航空母艦事件（美國：CVA59，6萬T級） 1967年7月25日，上午11時，受該艦雷達波干擾，一枚“阻尼”空地火箭意外地從停在艦艉飛行甲板末端的F-4飛機機翼下點火，擊中了一架A-4攻擊機的副油箱，導致一系列爆炸。F-4F-4F-4A-4A-4A-4死亡134人，64 人重傷，27架飛機被毀，43架嚴重受損。 耗資1.5億美金“謝菲爾德號導彈驅逐艦” 在研制之初，忽視了艦載雷達警戒系統(tǒng)與艦載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的電磁兼容性，致使兩

12、個系統(tǒng)同時工作時相互干擾，無法發(fā)現(xiàn)目標（來襲導彈）而喪失作戰(zhàn)時機沉沒。滅頂之災的教訓： 電磁頻譜既是傳遞信息的一種載體，又是偵察敵情的重要手段，已成為交戰(zhàn)雙方爭奪的制高點之一。 電磁頻譜是一個充滿神奇的無形世界。隨著軍隊信息化建設的高速發(fā)展，它已成為未來戰(zhàn)場上影響戰(zhàn)爭勝負的一個重要砝碼。 當今世界，是信息大爆炸的時代，電磁頻譜管理則是信息高速公路上的“交通警察” 。二、電磁頻譜1.電磁頻譜劃分 無線電波與頻率劃分（頻率無線電波與頻率劃分（頻率3000GHz3000GHz電磁波）電磁波）序號序號頻帶名稱頻帶名稱頻率范圍頻率范圍波段名稱波段名稱波長范圍波長范圍-1至低頻（至低頻（TLF）0.030

13、.3Hz至長波或千兆米波至長波或千兆米波100001000Mm0至低頻（至低頻（TLF）0.33Hz至長波或百兆米波至長波或百兆米波1000100Mm1極低頻（極低頻（ELF）330Hz極長波極長波10010Mm2超低頻（超低頻（SLF）30300Hz超長波超長波101Mm3特低頻（特低頻（ULF）3003000Hz特長波特長波1000100km4甚低頻（甚低頻（VLF）330kHz甚長波甚長波10010km5低頻（低頻（LF）30300kHz長波長波101km6中頻（中頻（MF）3003000kHz中波中波1000100m7高頻（高頻（HF）330MHz短波短波10010m8甚高頻（甚高頻（

14、VHF）30300MHz米波（超短波）米波（超短波）101m9特高頻（特高頻（UHF）3003000MHz微微波波分米波分米波101dm10超高頻（超高頻（SHF）330GHz厘米波厘米波101cm11極高頻（極高頻（EHF）30300GHz毫米波毫米波101mm12至高頻（至高頻（THF）3003000GHz微米波微米波10.1mm2.電磁頻譜特性電磁頻譜特性l電磁頻譜的有限性；電磁頻譜的有限性；（少數(shù)劃給軍方）（少數(shù)劃給軍方）l頻譜資源的非消耗性；（不可再生）頻譜資源的非消耗性；（不可再生）l頻譜資源的三維性；頻譜資源的三維性；l頻譜資源的易受污染性；頻譜資源的易受污染性；l頻譜資源的共享

15、性；頻譜資源的共享性；l具有不可替代性。3.電磁頻譜的重要性 電磁頻譜對于一個國家是一種非常重要的戰(zhàn)略性資源；在現(xiàn)代經(jīng)濟和國防建設中越來越顯示出不可替代的重要性；電磁頻譜資源是現(xiàn)代人類社會和經(jīng)濟發(fā)展的物質(zhì)基礎，已經(jīng)構成了信息化時代人類生存條件的基本要素。1）國家l制高點是占領更多依靠先進的電子裝備。電磁環(huán)境 形成與空間、地面和海洋并存的“第四維戰(zhàn)場” 2）軍事領域現(xiàn)代戰(zhàn)爭特點：l裝備數(shù)量多、種類全、電臺密度大、程式復雜、電 磁環(huán)境變化節(jié)奏快?！叭l域、全時域、全空域”7500多個高頻網(wǎng)1200多個甚高頻網(wǎng)7000個特高頻網(wǎng)海灣戰(zhàn)爭：有序使用頻譜 戰(zhàn)斗力的倍增器4.無線電頻譜資源屬于國家 中華人

16、民共和國物權法和中華人民共和國無線電 管理條例明確規(guī)定：“無線電頻譜資源屬于國家所有”。l任何侵犯無線電頻譜資源的行為，都是侵犯國家利益的 行為。l無線電頻譜在國防建設中地位突出，只有實行壟斷，才能 保證軍事用頻的需要和安全。l以國家的權力規(guī)范無線電頻譜的配置，解決需求與稀缺 之間的矛盾。l維護良好的空中電波秩序，必然需要國家的統(tǒng)一控制和 管理。三、電磁頻譜管理三、電磁頻譜管理定義定義: : 電磁頻譜是國家通過專門機關，運用法律、行政、技術和經(jīng)濟等手段，以實現(xiàn)公平合理、經(jīng)濟有效利用電磁頻譜和衛(wèi)星軌道資源的行為和活動。主要內(nèi)容主要內(nèi)容: : 頻率管理；設備管理；無線電臺站）管理；無線電監(jiān)測；無線

17、電檢測；非無線電設備的電磁頻譜輻射管理；電磁頻譜管理法規(guī)和技術標準；無線電涉外管理。1.1.電磁頻譜管理的意義電磁頻譜管理的意義 電磁頻譜管理是無線電通信的基礎，是電子系統(tǒng)發(fā)揮最大效能的關鍵，是信息暢通的重要保證。 電磁頻譜是唯一能支持機動作戰(zhàn)、分散作戰(zhàn)和高強度作戰(zhàn)的重要媒體。 頻譜是一種無形的戰(zhàn)斗力，并且是可與火力機械動力相提并論的新型戰(zhàn)斗力； 戰(zhàn)時頻率資源如同彈藥、油料一樣重要，是作戰(zhàn)的必需物資基礎。2.管理機構 國際電信聯(lián)盟（成立于1865年） 聯(lián)合國設立專門機構，總部日內(nèi)瓦，有192個成員國。(International Telecommunication Union ，ITU)主要職

18、能：登記各國電臺無線頻率的分配；協(xié)調(diào)各國電臺頻率以消除相互干擾；盡可能低的電信費率；促進發(fā)展中國家建設和改進電信事業(yè)；通過業(yè)務合作促進采取保障生命安全的各種措施；為成員國從事電信業(yè)方面的研究，提出建議等。世界無線電頻率劃分表世界無線電頻率劃分表劃分原則l3條基準線A線、B線、C線中國第三區(qū)*第一區(qū)第二區(qū)第三區(qū)第三區(qū)*ABCl頻率劃分一區(qū)：467個頻段二區(qū)：471個頻段三區(qū)：463個頻段 國家無線電管理局（國家無線電辦公室） 中國人民解放軍電磁頻譜管理委員會（全軍頻管委） 地方無線電管理局 中國人民解放軍電磁頻譜管理委員會辦公室（全軍頻 管辦）（工業(yè)與信息化部） 國務院各部委無線電管理機構無線電

19、管理局（國家無線電辦公室） 中華人民共和國工業(yè)和信息化部 編制無線電頻譜規(guī)劃；負責無線電頻率的劃分、分配與指配；依法監(jiān)督管理無線電臺（站）；負責衛(wèi)星軌道位置協(xié)調(diào)和管理；協(xié)調(diào)處理軍地間無線電管理相關事宜；負責無線電監(jiān)測、檢測、干擾查處，協(xié)調(diào)處理電磁干擾事宜，維護空中電波秩序；依法組織實施無線電管制；負責涉外無線電管理工作。 中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定(2006. 10.16) 采用技術手段和設備對無線電發(fā)射的基本參數(shù)和頻譜特性進行測量，對模擬信號進行監(jiān)聽，對數(shù)字信號進行頻譜特性分析，對頻段利用率和頻帶占有度進行測試分析，對非法電臺和干擾源進行定位并查處。 目的：確保無線電臺站設備不引起有害

20、干擾，能進 行有效工作和服務。四、無線電監(jiān)測四、無線電監(jiān)測1）用頻譜設備參數(shù)檢測；）用頻譜設備參數(shù)檢測；2）用頻臺站設備檢測；）用頻臺站設備檢測；3）干擾檢測；）干擾檢測；4）電磁兼容性分析）電磁兼容性分析無線電檢測的分類 在確保無線電通訊設備或系統(tǒng)在公共電磁環(huán)境中完成本身功能的同時，對同一環(huán)境中的其它設備既不產(chǎn)生也不會遭受到有害干擾而進行的技術分析。3)3)電磁場的質(zhì)量電磁場的質(zhì)量221()2wD EB Hccm4)4)電磁場的動量電磁場的動量21()2wSD EB Hcccp場物質(zhì)與實物物質(zhì)的區(qū)別場物質(zhì)無靜止質(zhì)量，波動傳播，粒子形式作用場物質(zhì)無靜止質(zhì)量，波動傳播，粒子形式作用場物質(zhì)在真空中永遠以光速傳播場物質(zhì)