电磁波在信号中的传输

《电磁场电磁波》课程论文

电磁波在信号传输中的应用

姓名段一凡 班级BG1208 学号121001260807

2015年10月9日

电磁波在信号中的应用

摘要本文主要介绍了电磁波的光谱和特性及作为载波在信号传输的应用，分别有光纤通信，微波通信和波导通信等，介绍了电磁波的频段，电磁波与介质的相互作用，电磁波在不同介质中的传播特性。 关键词电磁波1；光谱2；光纤3；通信4

Application of electromagnetic wave in signal

Abstractthe spectrum and characteristics of electromagnetic wave and its

application in signal transmission are introduced. The optical fiber communication, microwave communication and waveguide communication are introduced.

Keywords electromagnetic wave 1; spectrum 2; optical fiber 3; communication 4

目录

一背景 .............................................................................................................................................. 4 二定义 .............................................................................................................................................. 4 三电磁波概述 ................................................................................................................................... 4 四电磁波普....................................................................................................................................... 5

1电磁波普的定义 .................................................................................................................... 5 2波普分类： ............................................................................................................................ 5 五电磁波特性 ................................................................................................................................... 7

1电磁波特性 ............................................................................................................................ 7 2划分 : .................................................................................................................................... 7 六光纤通信....................................................................................................................................... 7

1光纤通信 ................................................................................................................................ 7 2光波特性 ................................................................................................................................ 8 3光纤原理及应用 .................................................................................................................... 8 七微波通信....................................................................................................................................... 8

1微波通信 ................................................................................................................................ 8 2微波波长 ................................................................................................................................ 9 3频带的划分 ............................................................................................................................ 9 4微波特征 ................................................................................................................................ 9

1）穿透性 ......................................................................................................................... 9 2）选择性加热 ................................................................................................................. 9 3）热惯性小 ................................................................................................................... 10 5微波原理 .............................................................................................................................. 10 八波导通信..................................................................................................................................... 10

1波导历史 .............................................................................................................................. 10 2波导定义 .............................................................................................................................. 11 3毫米波.................................................................................................................................. 11 4调制方式 .............................................................................................................................. 11 九电磁波在信号中传输的应用 ..................................................................................................... 12

1背景

电磁波首先由詹姆斯·麦克斯韦于1865年预测出来，而后由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年至1888年间在实验中证实存在。麦克斯韦推导出电磁波方程，一种波动方程，这清楚地显示出电场和磁场的波动本质。因为电磁波方程预测的电磁波速度与光速的测量值相等，麦克斯韦推论光波也是电磁波。

1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。

1887年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后，1898年，马可尼又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。

2定义

从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。且温度越高，放出的电磁波波长就越短。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，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

3电磁波概述

电磁波，是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场种电磁波在真空中速率固定，速度为光速。见麦克斯韦方程组。

在介质中，麦克斯韦方程组的微分形式为：

电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。当其能阶跃迁过辐射临界点，便以光的形式向外辐射，此阶段波体为光子，太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态，电磁波不依靠介质传播，在真空中的传播速度等同于光速。电磁辐射由低频率到高频率，主要分为：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。人眼可接收到的电磁波，称为可见光（波长380~780nm）。电磁辐射量与温度有关，通常高于绝对零度的物质或粒子都有电磁辐射，温度越高辐射量越大，但大多不能被肉眼观察到。

频率是电磁波的重要特性。按照频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。

通常意义上所指有电磁辐射特性的电磁波是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线。而X射线及γ射线通常被认为是放射性辐射特性的。

4电磁波普

1电磁波普的定义

按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、无线电波（分为长波、中波、短波、微波）、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。以无线电的波长最长，宇宙射线（x射线、γ射线和波长更短的射线）的波长最短。

首先，无线电波用于通信等，微波用于微波炉，红外线用于遥控,热成像仪，红外制导导弹等，可见光是大部分生物用来观察事物的基础，紫外线用于医用消毒，验证假钞,测量距离，工程上的探伤等，X射线用于CT照相，伽玛射线用于治疗,使原子发生跃迁从而产生新的射线等。

2波普分类：

无线电波3000米～0.3毫米（微波0.1~100厘米）

红外线0.3毫米～0.75微米（其中：近红外为0.76~3微米，中红外为3~6微米，远红外为6~15微米，超远红外为15~300微米） 可见光0.7微米～0.4微米 紫外线0.4微米～10纳米 X射线10纳米～0.1纳米 γ射线0.1纳米～1皮米 高能射线小于1皮米

传真（电视）用的波长是3～6米 雷达用的波长在3米到几毫米。

5电磁波特性

1电磁波特性

电磁波的电场(或磁场)随时间变化，具有周期性。在一个振荡周期中传播的距离叫波长。振荡周期的倒数，即每秒钟振动(变化)的次数称频率。

很显然，波长与频率的乘积就是每秒钟传播的距离，即波速。令波长为λ，频率为f，速度为V，得：λ=V/f波长入的单位是米(m)，速度的单位是米/秒(m/sec)，频率的单位为赫兹(Hertz，Hz)

整个电磁频谱，包含从电波到宇宙射线的各种波、光、和射线的集合。不同频率段落分别命名为无线电波(3KHz—3000GHz)、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线(伽马射线)和宇宙射线。在19世纪末，意大利人马可尼和俄国人波波夫同在1895年进行了无线电通信试验。在此后的100年间，从3KHz直到3000GHz频谱被认识、开发和逐步利用。根据不同的持播特性，不同的使用业务，对整个无线电频谱进行划分，共分9段：甚低频(VLF）、低频(LF)、中频(MF)，高频(HF)、甚高频(VHF)\\特高频(uHF)\\超高频(sHF)\\极高频(EHF)和至高频，对应的波段从甚(超)长波、长波、中波、短波、米波、分米波、厘米波、毫米波和丝米波(后4种统称为微波)。见下表。无线电频谱和波段划分。

2频段划分 :

段号频段名称频段范围（含上限不含下限）波段名称波长范围（含上限不含下限） 1 甚低频（VLF） 3～30千赫（KHz）甚长波 100～10km 2 低频（LF） 30～300千赫（KHz）长波 10～1km

3 中频（MF） 300～3000千赫（KHz）中波 1000～100m 4 高频（HF） 3～30兆赫（MHz）短波 100～10m 5 甚高频（VHF） 30～300兆赫（MHz）米波 10～1m

6 特高频（UHF） 300～3000兆赫（MHz）分米波微波 100～10cm 7 超高频（SHF） 3～30吉赫（GHz）厘米波 10～1cm 8 极高频（EHF） 30～300吉赫（GHz）毫米波 10～1mm 9 至高频 300～3000吉赫（GHz）丝米波 1～0.1mm

6光纤通信

1光纤通信

光纤通信技术（optical fiber communications）从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看，构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外，在应用中，光纤常按用途进行分类，可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种，而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，并常以某种功能器件的形式出现。

光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式，被称之为“有线”光通信。当今，光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输方式。

2光波特性

光波是一种特定频段是电磁波，其颜色与频率有关。 光纤通信：就是利用光波作为载频和光纤作为传输媒质的一种通信方式。它工作在近红外区，即波长是0.8μm（微米）～1.8μm。对应的频率为167THz～375THz。在光纤通信中起主导作用的是激光器（光源、光电检测器）和光纤。

利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式．由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点，光纤通信中的光波主要是激光，所以又叫做激光－光纤通信．

3光纤原理及应用

光纤通信的原理是：在发送端首先要把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息．

随着信息技术传输速度日益更新，光纤技术已得到广泛的重视和应用。在多微机电梯系统中，光纤的应用充分满足了大量的数据通信正确、可靠、高速传输和处理的要求。光纤技术在电梯上的应用，大大提高了整个控制系统的反应速度，使电梯系统的并联群控性能有了明显提高。电梯上所使用的光纤通信装置主要由光源、光电接收器和光纤组成。

7微波通信

1微波通信

微波通信（Microwave Communication），是使用波长在1毫米至1米之间的电磁波——微波进行的通信。该波长段电磁波所对应的频率范围是300 MHz（0.3 GHz）~300 GHz。

与同轴电缆通信、光纤通信和卫星通信等现代通信网传输方式不同的是，微波通信是直接使用微波作为介质进行的通信，不需要固体介质，当两点间直线距离内无障碍时就可以使用微波传送。利用微波进行通信具有容量大、质量好并可传至很远的距离，因此是国家通信网的一种重要通信手段，也普遍适用于各种专用通信网。

2微波波长

微波通信使用波长为1m至0.1mm（频率为0.3GHz～3THz）的电磁波进行的通信。包括地面微波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信及工作于微波波段的移动通信。微波通信具有可用频带宽、通信容量大、传输损伤小、抗干扰能力强等特点，可用于点对点、一点对多点或广播等通信方式。

中国微波通信广泛应用L、S、C、X诸频段，K频段的应用尚在开发之中。由于微波的频率极高，波长又很短，其在空中的传播特性与光波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继转发。

一般说来，由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。这种通信方式，也称为微波中继通信或称微波接力通信。长距离微波通信干线可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。

3频带的划分

微波按波长不同可分为分米波，厘米波、毫米波及亚毫米波，分别对应于特高频UHF（0.3～3GHz）、超高频SHF（3～30GHz）、极高频EHF（30～300GHz）及至高频THF（300GHz～3THz）。 目前研究微波通信所用的频段主要是L 波段（1.0~2.0GHz）、S波段（2.0~4.0GHz）、C 波段（4.0~8.0GHz）、X波段（8.0~12.4GHz）、Ku波段（12～18GHz）、K波段（18～27GHz）以及Ka波段（27~40GHz）。

4微波特征

微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。

4.1穿透性

微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长长。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。

4.2选择性加热

物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。物质不同，产生的热效果也不同。水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。因此，对于食品来说，含

水量的多少对微波加热效果影响很大。

4.3热惯性小

微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升可无惰性的随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。

5微波原理

1、微波同光波一样，是直线传播的，要求两个通信地点（两个微波站）之间没有阻挡，信号才能传到对方，即所谓的视距传播。在微波的频段使用方面，各国的微波设备往往首先使用4GHz频段。目前各国的通信设备已使用到2、4、5、6、7、8、11、15、20GHz等各频段。我国的数字微波通信已有2、4、6、7、8、11GHz各频段的设备。频率低，其电波传播较稳定，但其设备及元器件的尺寸也较大，当天线口径一定时，微波频率越低，天线增益也越低。对微波频率的选取要遵照CCIR的建议和各国无线电管理委员会的规定，经申请后得到批准才行。

2、就微波通信的性能而论，数字微波通信的特点可概括为微波、多路、接力六个字。 3、“微波”指通信频率是微波频段，又包括分米波、厘米波和毫米波。微波频段宽度是长波、中波、短波及特高频几个频段总和的l000倍。微波频率不受天电干扰和工业干扰及太阳黑子变化的影响，通信的可靠性较高。还因微波频率高，所以其天线尺寸较小，往往做成面式天线，其天线增益较高、方向性很强。 4、“多路”指微波通信不但总的频段宽，传输容量大，而且其通信设备的通频带也可以做得很宽。例如，一个4000MHz的设备，其通频带按l%估算，可达40MHz。模拟微波的960路电话总频谱约为4MHz带宽。可见，一套微波收发信设备可传输的话路数是相当多的。因数字信号占用带宽较宽，所以数字微波通信设备在选择适当的调制方式后，可传输的话路容量仍然是相当多的。 5、“接力”因微波频段的电磁波在视距范围内是沿直线传播的，通信距离一般为40~50km。考虑到地球表面的弯曲，在进行长距离通信时，就必须采用接力的传播方式，发端信号经若干中间站多次转发，才能到达收端。

8波导通信

波导（waveguide communication ）通信是一种利用毫米波频段TE01场型的电磁波在圆波导管内（采用中继再生的方式）进行长距离传输的通信手段。

1波导历史

1930年在理论上就对电磁波在圆波导管内传输时，衰减系数将随工作频率的增加而无限制地减少的特性作出论断。20世纪50年代，美国贝尔研究所就有关圆场型电磁波TE01波的实用价值进行了实验。证明TE01波在圆波导管中传输比其它场型的电磁波衰耗都小，且选用50GHz左右频段时，圆波导横截面尺寸适中，工程上容易实现，只是在传输中波导转弯、

波导管几何尺寸加工误差、以及法兰盘安装的不规则等，均将导致衰耗增大。而不规则性导致波型变换产生的伴流、色散引起的时延失真，也将使多路通信的噪声功率增加。不过，只要提高波导管内壁光洁度的等级，减小加工尺寸公差，就可使伴流减小或消除；在中继站或终端站设备上加装群时延均衡器，则可抵消波导色散失真；此外采用螺旋波导与介质膜波导用以分离TE01与简并波型相速，并给其它非TE01波型以较大衰耗，还可使TE01波衰耗起伏较小，产生较小伴流。上述方法将可使圆波导传输中的技术问题基本得到解决。在20世纪60年代美、英、日、德和苏联等国都陆续对波导通信系统进行了现场试验，70年代圆波导传输的再生中继距离已达到40～50km。不过，从70年代初起，同轴电缆的通信容量已达到每系统万路，并相继出现了大容量的微波和光纤通信系统，而城市市话局间以及长途电话业务的需要却均未达到几十万路的量级。波导通信系统虽在技术上堪称先进，但在每系统万路条件下，与同轴、微波和光纤通信系统相比仍不经济，因而未能及时投入商用。

2波导定义

波导通信是一种利用毫米波频段TE01场型的电磁波在圆波导管内（采用中继再生的方式）进行长距离传输的通信手段。

3毫米波

毫米波波长包括10毫米到1毫米,相应频率为30千兆赫到300千兆赫。这是一个很宽的工作频段。传输容量很大。毫米波通信有两种方式。一种是毫米波大气传输方式,它是类似于微波中继系统的毫米波空中通信;另一种是波导通信,毫米波通过特殊金属管(波导管)传输 毫米波有很大的通信容量，但在大气中传播时，受到水蒸汽、氧和雨水的吸收作用，会产生严重的衰落，甚至引起通信中断；而在波导管中传输电磁波能量的衰耗很小，而且比较恒定，传输质量可得到保证。尽管波导通信投资较大但毫米波有用频段宽，通信容量可达十万路双向电话或百余个双向电视节目。在经济上还是有利的。

4调制方式

波导通信长距离传输时一般采用脉码调制方式，短距离传输可采用调频制或调幅制。

5波导应用

大气波导是由于大气表面层折射指数随高度迅速下降而形成的一种区别于标准大气的异常大气结构,它能够使电波射线向下弯曲的曲率大于地球表面的曲率,从而将电磁能量陷获在波导结构内形成大气波导传播。

特别是在贴近海面的几十米高度空间内,大气表面层内海水与大气的双重交互作用使得大气结构变化更加剧烈,蒸发波导就是频繁出现在海洋环境中的一种大气波导形式。大气波导传播现象的出现不仅可以使电磁波偏离原来的传播方向,而且能够使电磁波以较小的衰减沿波导传播到视距以外很远的地方,严重影响了雷达、通信、侦察等基于电磁传播的无线电武器系统。

如何充分利用大气波导传播这一现象来提高电子系统的工作效能,同时如何有效克服大

气波导传播给电子系统性能带来的负面影响,使大气波导环境中电磁波的传播特性及其在雷达、通信等问题中的应用研究具有重要的理论意义和实用价值。

9电磁波在信号中传输的应用

查资料，红外线用于遥控、热成像仪、红外制导导弹等，可见光是所有生物用来观察事物的基础，紫外线用于医用消毒，验证假钞，测量距离，工程上的探伤等，X射线用于CT照相，伽玛射线用于治疗,使原子发生跃迁从而产生新的射线等.

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