電磁波、射頻通信基礎(chǔ)知識(shí)科普

一、電磁波

電磁波是能量的一種，凡是高于絕對(duì)零度的物體，都會(huì)釋出電磁波。電與磁可說(shuō)是一體兩面，電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變動(dòng)的磁場(chǎng)則會(huì)產(chǎn)生電流。變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)構(gòu)成了一個(gè)不可分離的統(tǒng)一的場(chǎng)。

在低頻的電振蕩中，磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒(méi)有能量輻射出去；在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能全部返回原 振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。

二、直射波

類比：在桌球這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中，很多規(guī)律很像電磁波的規(guī)律。假若直接撞擊球中心打出去的時(shí)候假使沒(méi)有任何阻擋，球?qū)⒀刂本€運(yùn)行，好比直射波。

由發(fā)射天線沿直線到達(dá)接收點(diǎn)的無(wú)線電波，被稱為直射波。自由空間電波傳播是電波在真空中的傳播，是一種理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，可以認(rèn)為是直射波傳播，其能量既不會(huì)被障礙物吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。

三、反射波

類比：我們還以桌球運(yùn)動(dòng)為例，如果打出的球碰到的桌邊，它就按照反射角等入射角的規(guī)律運(yùn)行，好比反射波。

應(yīng)用：在高速鐵路無(wú)線覆蓋選站的時(shí)候，要關(guān)注無(wú)線電波的入射角問(wèn)題。備選站址不能太遠(yuǎn)，否則入射角太大，進(jìn)入車廂內(nèi)的折射能力就減少，一般會(huì)選取離鐵路100米左右的站址。

無(wú)線信號(hào)是通過(guò)地面或其他障礙物反射到達(dá)接收點(diǎn)的，稱為反射波。反射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面。反射波是在兩種密度不同的傳播媒介的分界面中才會(huì)發(fā)生，分界面媒質(zhì)密度差越大，波的反射量越大，折射量越小。波的入射角越小，反射量越小，折射量越大。

四、繞射波

類比：再以桌球運(yùn)動(dòng)為例，假如在擊球之后，母球和另一個(gè)球相切，根據(jù)力度和方向，它可以繞過(guò)視距內(nèi)球，就很像繞射； 當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無(wú)線路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)，無(wú)線電波繞過(guò)障礙物而傳播的現(xiàn)象稱為繞射。繞射時(shí)，波的路徑發(fā)生了改變或彎曲。由阻擋表面產(chǎn)生的二次波散布于空間，甚至于阻擋體的背面。繞射損耗是各種障礙物對(duì)無(wú)線電波傳輸所引起的損耗 。

五、散射波

類比：還是以打桌球?yàn)槔?^?^*)，假設(shè)在一個(gè)范圍內(nèi)的很多球的彼此間距不超過(guò)一個(gè)球，當(dāng)母球打到這些球中間，會(huì)激起很多球向不同方向運(yùn)動(dòng)，很像散射。 當(dāng)無(wú)線電波穿行的介質(zhì)中存在小于波長(zhǎng)的物體，且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常巨大時(shí)，發(fā)生散射；散射波產(chǎn)生于粗糙表面，小物體或其他不規(guī)則物體。在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，樹(shù)葉、街道標(biāo)志和燈柱等會(huì)引發(fā)散射。

六、趨膚效應(yīng)

類比：下大雨后，泥土路中間積滿了水，大家只好沿著路邊排隊(duì)通過(guò)。路的有效通過(guò)面積由于積水而減少，影響了人們的出行效率。

由于導(dǎo)體內(nèi)部的感抗對(duì)交流電的阻礙作用比表面更大，交流電通過(guò)導(dǎo)體時(shí),各部分的電流密度不均勻,導(dǎo)體表面電流密度大（減少了截面積，增大了損耗）,這種現(xiàn) 象稱為趨膚效應(yīng)。交流電的頻率越高,趨膚效應(yīng)越顯著,頻率高到一定程度,可以認(rèn)為電流完全從導(dǎo)體表面流過(guò).實(shí)際應(yīng)用：空心導(dǎo)線代替實(shí)心導(dǎo)線，節(jié)約材料；在高頻電路中使用多股相互絕緣細(xì)導(dǎo)線編織成束來(lái)削弱趨膚效應(yīng)。

七、多徑效應(yīng)

類比：小時(shí)候玩泥巴，在一個(gè)小土堆的頂端倒水，水從四處流開(kāi)，很多水都滲在土里或者流到不同方向損失掉了，有部分水流通過(guò)不同路徑、不同時(shí)間匯到一個(gè)低洼的地方。 無(wú)線電波的多徑效應(yīng)是指信號(hào)從發(fā)射端到接收端常有許多時(shí)延不同、損耗各異的傳輸路徑，可以是直射、反射或是繞射，不同路徑的相同信號(hào)在接收端疊加就會(huì)增大或減小接收信號(hào)的能量的現(xiàn)象。

八、陰影效應(yīng)

類比：和煦的陽(yáng)光普照大地的時(shí)候，樹(shù)木、房屋就有影子，這個(gè)影子不是完全的黑暗，是一種強(qiáng)度減弱很多的光。 在傳播路徑上，無(wú)線電波遇到地形不平、高低不等的建筑物、高大的樹(shù)木等障礙物的阻擋時(shí)，在阻擋物的后面，會(huì)形成電波信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)較弱的陰影區(qū)，這個(gè)現(xiàn)象就叫做陰影效應(yīng)。

九、菲涅爾區(qū)

類比：有時(shí)候，人眼最有效的視力范圍也是一個(gè)橢球體。橢球體之外的東西雖然也能看到，但是已經(jīng)不是特別的清晰。一個(gè)訓(xùn)練有素的射擊運(yùn)動(dòng)員，他的有效視力范圍一定集中在他和目標(biāo)的半徑非常小的橢球體內(nèi)。

菲涅爾區(qū)是一個(gè)橢球體，收發(fā)天線位于橢球的兩個(gè)焦點(diǎn)上。這個(gè)橢球體的半徑就是第一菲涅爾半徑。在自由空間，從發(fā)射點(diǎn)輻射到接收點(diǎn)的電磁能量主要是通過(guò)第一菲涅爾區(qū)傳播的，只要第一菲涅爾區(qū)不被阻擋，就可以獲得近似自由空間的傳播條件。

為保證系統(tǒng)正常通信，收發(fā)天線架設(shè)的高度要滿足使它們之間的障礙物盡可能不超過(guò)其菲涅爾區(qū)的20％，否則電磁波多徑傳播就會(huì)產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降，甚至中斷通信。

十、慢衰落和快衰落

類比：在股市下降過(guò)程中，雖然其分時(shí)曲線波動(dòng)劇烈，但是5周線變化比較緩慢；另一種情況下，股價(jià)的分時(shí)瞬時(shí)值變化劇烈，很像快衰落。

無(wú)線電波傳播過(guò)程中，信號(hào)強(qiáng)度曲線的中值呈現(xiàn)慢速變化，叫做慢衰落。慢衰落反映的是瞬時(shí)值加權(quán)平均后的中值，反映了中等范圍內(nèi)數(shù)百波長(zhǎng)量級(jí)接收電平的均值變化，一般遵從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

慢衰落產(chǎn)生的原因： 1）路徑損耗； 2）陰影效應(yīng)導(dǎo)致的信號(hào)衰落等。 快衰落就是接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值的瞬時(shí)快速起伏、快速變化的現(xiàn)象?？焖ヂ涫怯捎诟鞣N地形、地物、移動(dòng)體引起的多徑傳播信號(hào)在接收點(diǎn)相疊加，由于接收的多徑信號(hào)的 相位不同、頻率、幅度也有所變化，導(dǎo)致疊加以后的信號(hào)幅度波動(dòng)劇烈。在移動(dòng)臺(tái)高速運(yùn)行的時(shí)候，接收到的無(wú)線信號(hào)的載頻范圍隨時(shí)間不斷變化，也可引起疊加信 號(hào)幅度的劇烈變化。

一般快衰落可以細(xì)分為：

1）多徑效應(yīng)引起空間選擇性衰落，即不同的地點(diǎn)、不同的傳輸路徑衰落特性不一樣；

2）載波頻率的變化引起載波寬度范圍超出了相干帶寬的范圍，引起的信號(hào)失真，叫做頻率選擇性衰落；

3）多普勒效應(yīng)或多徑效應(yīng)可以引起不同信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間差不一樣，超過(guò)相干時(shí)間，引起的信號(hào)失真叫時(shí)間選擇性衰落。

審核編輯：湯梓紅