第八章 无线电及监测基础知识

第八章 无线电及监测基础知识

第一节 高频正弦交流电及其三要素

高频正弦交流电如图1：

图1

它的数学表达式为：u＝UmSin(2πft＋Ψ0) 其中： (1)Um：为振幅最大值

(2)f：为频率(周期T) (3)Ψ0：为初始相位

频率：1秒钟内电压(或电流)最大值重复出现的次数叫频率.单位为1／秒也叫赫兹Hz。

周期：两相邻电压最大值之间的时间间隔叫周期，单位为秒。 周期与频率互为倒数，T＝1／f， f＝1／T。

第二节 电生磁，磁生电

1．电生磁：通电导线周围存在磁场，电流愈大，磁场愈强，吸力愈大.(如：电磁吸铁石，电磁吊车)

2．磁生电：导线切割磁力线产生电动势(或电流)，磁场越大，切割速度愈大，产生的电动势也就越大.(如：发电机)

3．高频交变的电场、磁场是可以相互感应产生的，即高频交变电场可以感应出高频交变磁场，高频交变磁场也可以感应出高频交变电场。

第三节 半波振子天线和高频电磁波的产生

1．半波振子上的场强分布：(如下图) 如图2：当高频交流电

图2

u＝UmSin(2πft＋Ψ0)，加到半波振子天线上时，就会从天线上发出高频交变电磁场(即电磁波)。理论和实践证明，其场强分布为驻波分布(图二中虚线所示)

对于半波振子天线，两端始终是驻波的节点(振幅始终为0)，而中间始终是腹点(振幅始终为最大值)。

2．电磁波产生过程：

图3（a） 图3（b）

如图3(a)、(b)，当t＝0时，高频电流为0，半波振子天线上的场强也为0，当t＝t1时电流增加，天线上场强也增加为E’，当t＝t2时高频交流电最大，天线上场强也最大为Em，当t＝t3时电流减小，电场也减小，电流小到0，电场也小到0，电流小到负值，电场也为负值，电流负最大，电场也负最大，电流从负最大增加到0，电场也从负最大增加到0，就这样，高频交流电变化一周，电场也变化一周，如果高频交流电为150MHz，即每秒变化1.5亿次，则电场也在半波振子两边变化1.5亿次／秒，这个垂直面上的高频变化的电场在水平面上就会感应出高频变化的磁场→再交变成高频电场→再交变成高频磁

场→……

上面是一个形象的比喻，有利于理解和记忆。实际上是天线附近的高频交变电磁场的变化感应四周的介质也产生相应的高频电磁场，就这样像水波一样的向四周传开。

3．为什么半波振子天线发射效率最高呢?

图4(a) 图4(b)

因为半波振子天线上场强分布如图2：当高频电流正半周时，场强也正好是正半周，当高频电流负半周时，场强也正好是负半周，就像是共振(谐振)一样，这样感应出来的场强正好是一个正弦波，反之若天线长度大于或小于半个波长，则场强与高频电流就不可能正负半周同步共振，L≠λ／2时，场强分布图如图4(a)、(b)，由图可见，高频电流在天线上产生的电场将不再是高频正弦电磁波，而是一个高频的非正弦的周期波形，这个波形将被分解成直流分量、基波、二次波、三次波……，显然这时天线的发射效率是很低的。举一个极端的例子，如果L＜＜λ，此时天线长度L很小，波长λ很大，天线L上场强分布近似是一直线，这就不可能产生交变电磁场。

当然，如果天线做成全波、3／2次波……即L＝λ、3／2λ、2λ、5／2λ……等半波长的整数倍时，天线发射的也都是周期正弦波，不会产生其他谐波，但是它们的体积和所用材料就增加了，所以他们也没有半波振子发射效率高。实际使用的天线基本都是半波振子天线或由多个半波振子并联组成的天线阵，天线阵可以得到所需要的天线方向图。

第四节 电磁波

1．在空中以一定速度传播的交变电磁场叫做电磁波 2．电磁波的三要素

电磁波的场强表达式为： e＝EmSin(2πft＋Ψ0)

其波形图如图5

e为瞬时值 Em为最大值 f为频率 t为时间 Ψ0为初始相位 可见它的三要素同正弦交流电。 3．电磁波的两重性：

(a)时间性：即某点电场强度随时间变化的波形。见电磁波的三要素和图5。

图5

(b)空间性：即同一时间在传播方向上空间不同点的场强分布。

电磁波在空间传播时，某一瞬间在传播方向上不同点的电场大小也是一个正弦分布，其表达式为： e＝EmSin(2πS／λ＋Ψ0)

e为传播方向上各点的场强、 Em为最大值、 f为频率、 S为距离、 C为光速、Ψ为初始相位 其分布图为图6

图6

电磁波的三要素与正弦波相似，不同处在于它是某瞬间的空间分布，与时间无关，不存在周期，图6中两相邻峰值之间的距离叫波长。 (c)波长的换算：

c 3×118(米／秒)

C＝f·λ，λ(米)＝—— ＝—————————

f f(Hz) c 300

λ(米)＝—— ＝————————— 米波换算公式

f f(MHz)

c 0.3

λ(米)＝—— ＝————————— 微波换算公式

f f(GHz)

c 3

λ(dm)＝—— ＝————————— 分米波换算公式

f f(GHz)

c 30

λ(cm)＝—— ＝————————— 厘米波换算公式

f f(GHz)

c 300

λ(mm)＝—— ＝————————— 毫米波换算公式

f f(GHz)

第五节 电磁波的功率密度矢量(波印亭矢量)和空中电磁波的欧姆定律

1.功率密度矢量：我们知道，电场矢量E和磁场矢量H，都是有方向的量

图7

而功率密度矢量S＝E×H (见图7)，其方向由右手定则决定，即右手四指先抓碰电场矢量，再抓碰磁场矢量，此时伸开的大拇指方向就是电波传播(即功率密度矢量)的方向。

其标量大小：S＝｜E×H｜＝E·H

2．空中电磁波的欧姆定律：

公式为：Z0＝E／H 叫空间电波的欧姆定律。

由上式可得 S＝E·H＝H2·Z0＝E2／Z0 Z0叫空间波阻抗

μ0

Z0＝ { —— }=120π＝377Ω

ε0

-7

式中：μ0＝4π×10亨利／米，叫真空导磁率。

1

ε0＝———×10-9法拉／米 叫真空介电系数。

36π

本文“{ }”为根号，矢量E、H字母上方应有→,以下同，请予注意!——编者注

第六节 电磁波的极化

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ajvh.html