電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用xxx公司電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用姓名:陳龍學(xué)號(hào)：051電、磁現(xiàn)象是大自然最重要的物理現(xiàn)象，也是最早被科學(xué)家們關(guān)心和研究的物理現(xiàn)象。19世紀(jì)以前，電、磁現(xiàn)象作為兩個(gè)獨(dú)立的物理現(xiàn)象，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)電與磁的聯(lián)系，但是這些研究為電磁學(xué)理論的建立奠定了基礎(chǔ)。18世紀(jì)末期，德國(guó)哲學(xué)家謝林認(rèn)為，宇宙是有活力的，而不是僵死的。他認(rèn)為電就是宇宙的活力，是宇宙的靈魂，電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。法拉第在謝林的影響下，相信電、磁、光、熱是相互聯(lián)系的。奧斯特1820年發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，法拉第敏銳地意識(shí)到，電可以對(duì)磁產(chǎn)生作用，磁也一定能夠?qū)﹄姰a(chǎn)生影響。1821年他開(kāi)始探索磁生電的實(shí)驗(yàn)。1831年他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁捧插入導(dǎo)體線圈時(shí)，導(dǎo)體線圈中就產(chǎn)生電流。這表明電與磁之間存在著密切的聯(lián)系。麥克斯韋深入研究并探討了電與磁之間相互作用的關(guān)系，并發(fā)展了場(chǎng)的概念。他在法拉第實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，引進(jìn)位移電流的概念。這個(gè)概念的核心思想是：變化著的電場(chǎng)能產(chǎn)生磁場(chǎng)；與變化著的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。在此基礎(chǔ)上提出了一組表達(dá)電磁現(xiàn)象基本規(guī)律的偏微分方程，稱(chēng)為麥克斯韋方程組，成為經(jīng)典電磁場(chǎng)理論的基本內(nèi)容。電磁場(chǎng)作為無(wú)線電技術(shù)的理論基礎(chǔ)，集中于三大類(lèi)應(yīng)用問(wèn)題的研究。電磁場(chǎng)（或電磁波）作為能量的一種形式，是當(dāng)今世界最重要的能源，其研究領(lǐng)域涉及能量的產(chǎn)生、儲(chǔ)存、變換、傳輸和綜合利用；電磁波作為信息傳輸?shù)妮d體，成為當(dāng)今人類(lèi)社會(huì)發(fā)布和獲取信息的主要手段，主要研究領(lǐng)域?yàn)樾畔⒌漠a(chǎn)生、獲取、交換、傳輸、儲(chǔ)存、處理、再現(xiàn)和綜合利用；電磁波作為探測(cè)未知世界的一種重要手段，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶挪ㄅc目標(biāo)的相互作用特性、目標(biāo)特征的獲取與重建、探測(cè)新技術(shù)等。1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲用火花隙激勵(lì)一個(gè)環(huán)狀天線，用另一個(gè)帶隙的環(huán)狀天線接收，證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于電磁波存在的預(yù)言，這一重要的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了后來(lái)無(wú)線電報(bào)的發(fā)明。從此開(kāi)始了電磁場(chǎng)理論應(yīng)用與發(fā)展的時(shí)代，并且發(fā)展成為當(dāng)代最引人注目的學(xué)科之一。1895年意大利馬可尼成功地進(jìn)行了公里距離的無(wú)線電報(bào)傳送實(shí)驗(yàn)。1896年，波波夫進(jìn)行了約250米距離的類(lèi)似試驗(yàn),1899年,無(wú)線電報(bào)跨越英吉利海峽的試驗(yàn)成功；1901年，跨越大西洋的3200公里距離的試驗(yàn)成功。馬可尼以其在無(wú)線電報(bào)等領(lǐng)域的成就，獲得了1909年的諾貝爾獎(jiǎng)金物理學(xué)獎(jiǎng)。無(wú)線電報(bào)的發(fā)明，開(kāi)始了利用電磁波時(shí)期；1876年美國(guó).貝爾在美國(guó)建國(guó)100周年博覽會(huì)上展示了他所發(fā)明的有線電話。此后,有線電話便迅速普及開(kāi)來(lái)；1906年美國(guó)費(fèi)森登用50千赫頻率發(fā)電機(jī)作發(fā)射機(jī)，用微音器接入天線實(shí)現(xiàn)調(diào)制，使大西洋航船上的報(bào)務(wù)員聽(tīng)到了他從波士頓播出的音樂(lè)。1919年，第一個(gè)定時(shí)播發(fā)語(yǔ)言和音樂(lè)的無(wú)線電廣播電臺(tái)在英國(guó)建成。次年，在美國(guó)的匹茲堡城又建成一座無(wú)線電廣播電臺(tái)；1884年德國(guó)尼普科夫提出機(jī)械掃描電視的設(shè)想，1927年，英國(guó)貝爾德成功地用電話線路把圖像從倫敦傳至大西洋中的船上。茲沃霄金在1923和1924年相繼發(fā)明了攝像管和顯像管。1931年，他組裝成世界上第一個(gè)全電子電視系統(tǒng)；二次世界大戰(zhàn)前夕，飛機(jī)成為主要進(jìn)攻武器。英、美、德、法等國(guó)競(jìng)相研制一類(lèi)能夠早期警戒飛機(jī)的裝置。1936年，英國(guó)的瓦特設(shè)計(jì)的警戒雷達(dá)最先投入了運(yùn)行。有效地警戒了來(lái)自德國(guó)的轟炸機(jī)。1938年，美國(guó)研制成第一部能指揮火炮射擊的火炮控制雷達(dá)。1940年，多腔磁控管的發(fā)明，微波雷達(dá)的研制成為可能。1944年，能夠自動(dòng)跟蹤飛機(jī)的雷達(dá)研制成功。1945年，能消除背景干擾顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的顯示技術(shù)的發(fā)明,使雷達(dá)更加完善。在整個(gè)第二次世界大戰(zhàn)期間,雷達(dá)成了電磁場(chǎng)理論最活躍的部分；1958年美國(guó)發(fā)射低軌的“斯科爾”衛(wèi)星成功,這是第一顆用于通信的試驗(yàn)衛(wèi)星。1964年,借助定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)了美、歐、非三大洲的通信和電視轉(zhuǎn)播。1965年,第一顆商用定點(diǎn)同步衛(wèi)星投入運(yùn)行。1969年,大西洋、太平洋和印度洋上空均已有定點(diǎn)同步通信衛(wèi)星,衛(wèi)星地球站已遍布世界各國(guó)，這些衛(wèi)星地球站又和本國(guó)或本地區(qū)的通信網(wǎng)接通。衛(wèi)星通信經(jīng)歷10年的發(fā)展，終趨于成熟；1957年衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們?cè)噲D將雷達(dá)引入衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)以衛(wèi)星為基地對(duì)地球表面及近地空間目標(biāo)的定位和導(dǎo)航。1958年底，美國(guó)開(kāi)始研究實(shí)施這一計(jì)劃，于1964年研究成功子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1973年美國(guó)提出了由24顆衛(wèi)星組成的實(shí)用系統(tǒng)新方案，即GPS計(jì)劃。它是英NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的字頭縮寫(xiě)NAVSTAR/GPS的簡(jiǎn)稱(chēng)，其含義是利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距。1990年最終的GPS方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。電磁場(chǎng)與電磁波理論在人們的需求中一步步地發(fā)展應(yīng)用。當(dāng)今世界，電子信息系統(tǒng)，不論是通信、雷達(dá)、廣播、電視，還是導(dǎo)航、遙控遙測(cè)，都是通過(guò)電磁波傳遞信息來(lái)進(jìn)行工作的。因此以宏觀電磁理論為基礎(chǔ)，電磁信息的傳輸和轉(zhuǎn)換為核心的電磁場(chǎng)與電磁波工程技術(shù)將充分發(fā)揮其重要作用。當(dāng)今的無(wú)線通信、廣播、雷達(dá)、遙控遙測(cè)、微波遙感、無(wú)線因特網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、衛(wèi)星定位以及光纖通信等信息技術(shù)都是利用電磁波作為媒介傳輸信息的。電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用貫穿于整個(gè)移動(dòng)通信技術(shù)，20世紀(jì)20年代，現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展宣告開(kāi)始。從20世紀(jì)20年代至40年代是現(xiàn)代移動(dòng)通信的起步階段。1987年11月18日，中國(guó)第一個(gè)TACS模擬蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)在廣東省建成并投入商用。這一時(shí)期的系統(tǒng)主要是依賴(lài)第一代移動(dòng)通信技術(shù)（1G），采用的是模擬技術(shù)和頻分多址（FDMA）技術(shù)。第二代移動(dòng)通信（2G）主要采用的是數(shù)字的時(shí)分多址（TDMA）技術(shù)和碼分多址（COMA）技術(shù)，頻譜利用率高，可大大提高系統(tǒng)容量，能提供數(shù)字化的語(yǔ)言業(yè)務(wù)及低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。目前正在迅速發(fā)展的是第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G），它是將高速移動(dòng)接入和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的服務(wù)結(jié)合起來(lái)，提高無(wú)線頻率的利用效率，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶多媒體服務(wù)，傳輸速率最低為384KB/s，最高為2MB/s,帶寬可達(dá)5MHz以上，使用頻率~和~,提供全球覆蓋，實(shí)現(xiàn)有線和無(wú)線以及不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間業(yè)務(wù)的無(wú)縫連接，滿(mǎn)足多媒體業(yè)務(wù)的要求。主要技術(shù)有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。3G系統(tǒng)仍然無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)的多媒體通信的需求，未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）。它是寬帶（broadband）接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有更高的無(wú)線頻率使用效率，且具有更好的抗信號(hào)衰落性能，上網(wǎng)速度可提高到100MB/s，具有不同頻率間的自動(dòng)切換能力。電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用貫穿于整個(gè)微波通信，微波通信是指利用微波頻率用作載波攜帶信息，通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行中繼接力的通信方式。微波是指頻率為300MHz~300GHz的電磁波。微波的波長(zhǎng)很短，繞過(guò)障礙物而傳播的尺度很小，這就決定微波通信只能采取中繼接力方式，大約50km就必須設(shè)一個(gè)微波中繼站。較大的通信系統(tǒng)需要建設(shè)非常多的中繼站，這也限制了它的使用。電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用貫穿于衛(wèi)星通信，衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，轉(zhuǎn)發(fā)或反射無(wú)線電波，在兩個(gè)或多個(gè)地球站之間進(jìn)行通信。地球站是設(shè)在地球表面，包括地面、海洋和大氣中的通信站。實(shí)際上衛(wèi)星通信可以看作是利用微波頻率，把通信衛(wèi)星作為中繼站而進(jìn)行的一種特殊的微波中繼通信。衛(wèi)星通信工作頻段與微波通信相同。目前民用通信衛(wèi)星使用同步工作方式，稱(chēng)為同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)。從地面上看，這顆衛(wèi)星永遠(yuǎn)像掛在天空不動(dòng)，因此同步衛(wèi)星也稱(chēng)為“靜止衛(wèi)星”。電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用貫穿于光纖通信，以光作載波的通信方式即是光通信。人們想到以光作為載波，這是很自然的，這是因?yàn)楣獾念l率很高，為1014~1015Hz，因此利用光通信會(huì)有更大的通信容量。但是光在大氣中受到的影響因素非常多，如大氣中水蒸氣塵埃的影響、惡劣天氣的影響。另外還受到激光束本身的影響，如激光束非常細(xì)小給光學(xué)設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)、控制及跟蹤帶來(lái)困難，所以限制了大氣光通信的使用。于是人們就想到利用介質(zhì)來(lái)傳輸光信號(hào)，這種介質(zhì)即是光導(dǎo)纖維。這種利用光導(dǎo)纖維傳輸光波信號(hào)的通信方式稱(chēng)為光纖通信。人們通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，純凈的石英材料在~μm，對(duì)應(yīng)的頻率為167~375THz的近紅外光波入射，損耗很少。并且在μm、μm和μm附近損耗最低，光導(dǎo)纖維通常采用同軸圓柱體結(jié)構(gòu)，由纖芯和包層構(gòu)成。除了以上應(yīng)用之外，電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用還貫