《電波傳播基礎(chǔ)》課件

電波傳播基礎(chǔ)電波傳播是無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)。了解電波傳播特性是設(shè)計(jì)和優(yōu)化無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。課程目標(biāo)理解電波傳播原理掌握電波傳播的基本理論，包括電波的定義、特性、傳播模式等。分析電波傳播的影響因素了解各種因素對電波傳播的影響，如地球物理因素、天氣、地形等。應(yīng)用電波傳播知識將電波傳播知識應(yīng)用于無線通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域。電波概述電波是無線電通信的重要載體，在現(xiàn)代社會發(fā)揮著不可或缺的作用。從廣播電視到移動通信，從衛(wèi)星導(dǎo)航到雷達(dá)探測，電波在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。電波的定義和特性電波定義電波是一種以光速傳播的電磁波，由周期性變化的電場和磁場組成。電波可由振蕩的電荷產(chǎn)生，如無線電發(fā)射機(jī)。電波特性電波具有波粒二象性，即電波既具有波的特性，也具有粒子的特性。電波的傳播速度為光速，且具有反射、折射、干涉和衍射等特性。電磁波的種類1無線電波頻率較低，應(yīng)用于廣播、通信等領(lǐng)域。2微波頻率較高，應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。3紅外線頻率更高，應(yīng)用于熱成像、遙感等領(lǐng)域。4可見光人類肉眼可以感知的電磁波，應(yīng)用于照明、光學(xué)儀器等領(lǐng)域。5紫外線頻率更高，應(yīng)用于醫(yī)療、消毒等領(lǐng)域。6X射線頻率更高，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)探傷等領(lǐng)域。7γ射線頻率最高，應(yīng)用于醫(yī)療、核能等領(lǐng)域。電磁波頻譜3KHz極低頻用于海底通信和地質(zhì)勘探。30KHz甚低頻用于遠(yuǎn)距離無線電通信。300KHz低頻用于導(dǎo)航和無線電廣播。3MHz中頻用于無線電廣播和短波通信。電磁波的傳播機(jī)理1電磁場變化變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場。2電磁波產(chǎn)生電場和磁場相互耦合，以光速向外傳播。3空間傳播電磁波以橫波的形式在空間中傳播。4能量傳遞電磁波攜帶能量，可以傳遞信息。電磁波的傳播機(jī)理是基于電磁場理論。變化的電場和磁場互相耦合，形成電磁波并以光速在空間中傳播。電磁波是橫波，其電場和磁場垂直于傳播方向，并互相垂直。自由空間中的電波傳播自由空間電波傳播是指電磁波在沒有任何障礙物阻擋的情況下，以直線形式傳播的過程。由于沒有任何介質(zhì)阻擋，電波可以自由傳播，不會受到反射、折射等現(xiàn)象的影響。1電波傳播速度光速2衰減規(guī)律平方反比定律3傳播模式直線傳播自由空間電波傳播是許多無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，例如衛(wèi)星通信、深空探測等。電波傳播模式地面波傳播地面波沿著地球表面?zhèn)鞑?，主要用于中波廣播和短波通信。天波傳播天波利用電離層反射，可以傳播更遠(yuǎn)的距離，適用于遠(yuǎn)距離無線電通信。直射波傳播直射波直接從發(fā)射天線傳播到接收天線，主要用于微波通信和衛(wèi)星通信。電波衰減規(guī)律衰減類型描述路徑損耗信號在傳播過程中由于空間擴(kuò)展而導(dǎo)致的能量衰減。吸收損耗信號被介質(zhì)吸收而導(dǎo)致的能量損失。散射損耗信號遇到障礙物發(fā)生散射而導(dǎo)致的能量損失。折射與反射電波折射電波在不同介質(zhì)界面發(fā)生方向改變。折射角取決于介質(zhì)折射率和入射角。電波反射電波遇到介質(zhì)界面發(fā)生方向改變，反射角等于入射角。反射強(qiáng)度與介質(zhì)特性有關(guān)。干涉與衍射干涉現(xiàn)象兩列波源相遇會產(chǎn)生干涉，波峰重合處振幅增強(qiáng)，波谷重合處振幅減弱。衍射現(xiàn)象電磁波遇到障礙物或孔隙后會發(fā)生衍射，繞過障礙物或孔隙繼續(xù)傳播?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用衍射現(xiàn)象是無線通信中信號繞過障礙物的原因，影響無線通信信號強(qiáng)度。電離層對電波傳播的影響電離層反射電離層可以反射無線電波，這使得長波和短波能夠繞地球傳播。反射的程度取決于無線電波的頻率和電離層的密度，以及電離層高度變化等。電離層吸收電離層會吸收某些頻率的無線電波，導(dǎo)致信號強(qiáng)度減弱。這種吸收現(xiàn)象隨著無線電波頻率的增加而減弱。地球物理因素對電波傳播的影響地表類型不同的地表類型會對電波傳播造成不同的影響，例如，水體可以反射電波，而山脈會阻擋電波傳播。地形起伏地形起伏會影響電波傳播的路徑和距離，例如，山區(qū)信號覆蓋范圍可能較小。地質(zhì)結(jié)構(gòu)地質(zhì)結(jié)構(gòu)會影響電波的傳播速度和衰減，例如，土壤的電導(dǎo)率會影響電波的衰減。大氣層大氣層會吸收和散射電波，例如，電離層會反射短波。天氣對電波傳播的影響降雨降雨會吸收和散射電波，導(dǎo)致信號衰減，尤其對短波信號影響較大。降雪降雪會反射和吸收電波，對微波信號影響較大，導(dǎo)致信號衰減和干擾。霧霧會吸收和散射電波，對微波信號影響較大，導(dǎo)致信號衰減和干擾。陽光陽光會造成電離層電離，影響電波傳播路徑，對短波通信影響較大。地形對電波傳播的影響11.阻擋效應(yīng)山脈、建筑物等障礙物會阻擋電波傳播，導(dǎo)致信號衰減。22.反射效應(yīng)電波遇到地形起伏時(shí)會發(fā)生反射，造成多徑傳播，影響信號質(zhì)量。33.繞射效應(yīng)電波遇到障礙物時(shí)會發(fā)生繞射，使信號能夠繞過障礙物傳播，但會造成信號衰減。44.衍射效應(yīng)電波遇到地形起伏時(shí)會發(fā)生衍射，影響信號傳播路徑和強(qiáng)度。線路損耗線路損耗是指電磁波在傳輸過程中由于各種因素造成的能量衰減。主要包括導(dǎo)線電阻損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗。導(dǎo)線電阻損耗是由于導(dǎo)線本身的電阻引起的，電流在導(dǎo)線中流動會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致能量損失。介質(zhì)損耗是由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)的極化和導(dǎo)電特性引起的能量損失。輻射損耗是由于電磁波從傳輸線中輻射出去，導(dǎo)致能量損失。線路損耗會影響信號的質(zhì)量，降低傳輸距離，因此在設(shè)計(jì)傳輸線時(shí)需要盡量降低線路損耗。天線及其輻射特性天線是無線電發(fā)射和接收系統(tǒng)的重要組成部分。它將電信號轉(zhuǎn)換為電磁波，或者將電磁波轉(zhuǎn)換為電信號。天線的輻射特性是描述天線發(fā)射或接收電磁波能力的重要指標(biāo)，包括方向性、增益、帶寬、極化等。天線的設(shè)計(jì)和選型對無線通信系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和需求選擇合適的類型和參數(shù)。天線分類與選型11.按頻率分類低頻、中頻、高頻、超高頻、微波天線。22.按工作原理分類偶極天線、單極天線、環(huán)形天線、螺旋天線、微帶天線。33.按輻射方向分類全向天線、定向天線、半定向天線、反射天線。44.按應(yīng)用場景分類移動通信天線、衛(wèi)星通信天線、廣播電視天線、雷達(dá)天線、導(dǎo)航天線。饋電線與匹配饋電線饋電線連接天線和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)。它用于傳輸電磁能量，并將能量傳遞到天線以進(jìn)行輻射。常見的饋電線類型包括同軸電纜和波導(dǎo)管。匹配匹配是調(diào)整饋電線和天線的阻抗，以最大程度地傳輸功率。匹配通過使饋電線的阻抗與天線的阻抗相匹配來實(shí)現(xiàn)。雷達(dá)基本原理1發(fā)射電磁波雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射特定頻率的電磁波，通常被稱為“雷達(dá)波”。2目標(biāo)反射當(dāng)雷達(dá)波遇到目標(biāo)時(shí)，會發(fā)生反射，一部分能量會返回雷達(dá)接收器。3接收并分析雷達(dá)接收器接收反射的雷達(dá)波，分析其時(shí)間延遲、強(qiáng)度和頻率變化，從而獲取目標(biāo)的信息。雷達(dá)方程1功率發(fā)射功率1增益天線增益1面積目標(biāo)截面積1損耗傳播損耗雷達(dá)方程是描述雷達(dá)系統(tǒng)接收信號強(qiáng)度與發(fā)射功率、天線增益、目標(biāo)截面積、傳播損耗等因素之間關(guān)系的數(shù)學(xué)公式。通過雷達(dá)方程，我們可以分析目標(biāo)探測距離、信噪比等指標(biāo)，并優(yōu)化雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。多普勒效應(yīng)頻率變化當(dāng)波源和觀察者之間存在相對運(yùn)動時(shí)，觀察者接收到的波的頻率會發(fā)生變化。應(yīng)用場景多普勒效應(yīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、超聲波診斷等領(lǐng)域，例如雷達(dá)通過多普勒頻移檢測目標(biāo)速度。公式多普勒頻移的大小與波源和觀察者之間的相對速度以及波的傳播速度有關(guān)。雷達(dá)回波分析信號強(qiáng)度回波信號的強(qiáng)度反映了目標(biāo)的大小、反射率和距離。多普勒頻移目標(biāo)的運(yùn)動速度會引起回波信號頻率的改變，即多普勒頻移。回波時(shí)間回波信號到達(dá)時(shí)間可以用來確定目標(biāo)的距離。信號處理通過信號處理技術(shù)可以提取目標(biāo)的特征，例如形狀、速度、位置等信息。雷達(dá)信號處理噪聲抑制雷達(dá)信號中通常包含大量噪聲，需要進(jìn)行濾波和降噪處理，提高信號的信噪比。目標(biāo)檢測利用各種信號處理技術(shù)，例如匹配濾波、脈沖壓縮等，檢測目標(biāo)的存在和位置。目標(biāo)跟蹤對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，獲取其運(yùn)動軌跡和速度，需要使用卡爾曼濾波等技術(shù)。參數(shù)估計(jì)估計(jì)目標(biāo)的距離、速度、方位角等參數(shù)，需要進(jìn)行信號分析和處理，例如多普勒頻移估計(jì)。圖像重建利用雷達(dá)信號合成目標(biāo)的圖像，需要進(jìn)行信號處理和圖像處理，例如逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)技術(shù)。雷達(dá)系統(tǒng)組成發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生高頻電磁波，并將其發(fā)射出去。天線天線負(fù)責(zé)發(fā)射和接收電磁波，將電磁波信號轉(zhuǎn)換為無線電信號。接收機(jī)接收機(jī)接收從目標(biāo)反射回來的信號，并將其轉(zhuǎn)換為可以顯示的信號。信號處理信號處理單元對接收到的信號進(jìn)行處理，提取目標(biāo)的信息，如距離、速度、方位等。雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域11.氣象監(jiān)測雷達(dá)可以精確地檢測雨雪云層，幫助預(yù)測天氣，防災(zāi)減災(zāi)。22.航空航天雷達(dá)用于導(dǎo)航、目標(biāo)識別、飛行控制等，保障航空航天安全。33.交通管制雷達(dá)應(yīng)用于交通管制系統(tǒng)，控制交通流量，提高道路安全性。44.軍事領(lǐng)域雷達(dá)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、目標(biāo)識別、導(dǎo)彈制導(dǎo)等方面，提升作戰(zhàn)能力。5G時(shí)代電波傳播新趨勢高頻段應(yīng)用5G使用毫米波頻段，具有更高的頻率，更短的波長，能夠提供更高的帶寬和更快的速度。多天線技術(shù)5G采用了大規(guī)模天線技術(shù)，可以提高信號覆蓋范圍和傳