射頻通信、電磁波等無線基礎(chǔ)知識科普

一、電磁波

電磁波是能量的一種，凡是高于絕對零度的物體，都會釋出電磁波。電與磁可說是一體兩面，電流會產(chǎn)生磁場，變動的磁場則會產(chǎn)生電流。變化的電場和變化的磁場構(gòu)成了一個不可分離的統(tǒng)一的場。

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、磁能隨著電場與磁場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候假使沒有任何阻擋，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，可以認(rèn)為是直射波傳播，其能量既不會被障礙物吸收，也不會產(chǎn)生反射或散射。

三、反射波

類比：我們還以桌球運(yùn)動為例，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：在高速鐵路無線覆蓋選站的時候，要關(guān)注無線電波的入射角問題。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，一般會選取離鐵路100米左右的站址。

無線信號是通過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)動為例，假如在擊球之后，母球和另一個球相切，根據(jù)力度和方向，它可以繞過視距內(nèi)球，就很像繞射；當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時，無線電波繞過障礙物而傳播的現(xiàn)象稱為繞射。繞射時，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無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)在一個范圍內(nèi)的很多球的彼此間距不超過一個球，當(dāng)母球打到這些球中間，會激起很多球向不同方向運(yùn)動，很像散射。當(dāng)無線電波穿行的介質(zhì)中存在小于波長的物體，且單位體積內(nèi)阻擋體的個數(shù)非常巨大時，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，樹葉、街道標(biāo)志和燈柱等會引發(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。路的有效通過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)部的感抗對交流電的阻礙作用比表面更大，交流電通過導(dǎo)體時,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.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)線編織成束來削弱趨膚效應(yīng)。

七、多徑效應(yīng)

類比：小時候玩泥巴，在一個小土堆的頂端倒水，水從四處流開，很多水都滲在土里或者流到不同方向損失掉了，有部分水流通過不同路徑、不同時間匯到一個低洼的地方。無線電波的多徑效應(yīng)是指信號從發(fā)射端到接收端常有許多時延不同、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在接收端疊加就會增大或減小接收信號的能量的現(xiàn)象。

八、陰影效應(yīng)

類比：和煦的陽光普照大地的時候，樹木、房屋就有影子，這個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，無線電波遇到地形不平、高低不等的建筑物、高大的樹木等障礙物的阻擋時，在阻擋物的后面，會形成電波信號場強(qiáng)較弱的陰影區(qū)，這個現(xiàn)象就叫做陰影效應(yīng)。

九、菲涅爾區(qū)

類比：有時候，人眼最有效的視力范圍也是一個橢球體。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。一個訓(xùn)練有素的射擊運(yùn)動員，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)是一個橢球體，收發(fā)天線位于橢球的兩個焦點(diǎn)上。這個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其菲涅爾區(qū)的20％，否則電磁波多徑傳播就會產(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：在股市下降過程中，雖然其分時曲線波動劇烈，但是5周線變化比較緩慢；另一種情況下，股價(jià)的分時瞬時值變化劇烈，很像快衰落。

無線電波傳播過程中，信號強(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值加權(quán)平均后的中值，反映了中等范圍內(nèi)數(shù)百波長量級接收電平的均值變化，一般遵從對數(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)致的信號衰落等。

快衰落就是接收信號場強(qiáng)值的瞬時快速起伏、快速變化的現(xiàn)象?？焖ヂ涫怯捎诟鞣N地形、地物、移動體引起的多徑傳播信號在接收點(diǎn)相疊加，由于接收的多徑信號的 相位不同、頻率、幅度也有所變化，導(dǎo)致疊加以后的信號幅度波動劇烈。在移動臺高速運(yùn)行的時候，接收到的無線信號的載頻范圍隨時間不斷變化，也可引起疊加信 號幅度的劇烈變化。

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)可以引起不同信號到達(dá)接收點(diǎn)的時間差不一樣，超過相干時間，引起的信號失真叫時間選擇性衰落。

審核編輯：湯梓紅