無線電波

無線電波

無線電波是指在自由空間(包括空氣和真空[物理學定義])傳播的射頻頻段的電磁波。無線電波的波長越短、頻率越高,相同時間內傳輸的信息就越多。無線電波在空間中的傳播方式有以下情況:直射、反射、折射、穿透、繞射(衍射)和散射。

基本信息

介紹

電磁波的一種。頻率大約為10KHz~30,000,000KHz,或波長30000m~10μm的電磁波,由於它是由振盪電路的交變電流而產生的,可以通過天線發射和吸收故稱之為無線電波。
電磁波包含很多種類,按照頻率從低到高的順序排列為:無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線及γ射線。無線電波分布在3Hz到3000GHz的頻率範圍之間。
在不同的波段內的無線電波具有不同的傳播特性。
頻率越低,傳播損耗越小,覆蓋距離越遠,繞射能力也越強。但是低頻段的頻率資源緊張,系統容量有限,因此低頻段的無線電波主要套用於廣播、電視、尋呼等系統。
高頻段頻率資源豐富,系統容量大。但是頻率越高,傳播損耗越大,覆蓋距離越近,繞射能力越弱。另外,頻率越高,技術難度也越大,系統的成本相應提高。
移動通信系統選擇所用頻段時要綜合考慮覆蓋效果和容量。UHF頻段與其他頻段相比,在覆蓋效果和容量之間折衷的比較好,因此被廣泛套用於手機等終端的移動通信領域。當然,隨著人們對移動通信的需求越來越多,需要的容量越來越大,移動通信系統必然要向高頻段發展。
無線電波的速度只隨傳播介質的電和磁的性質而變化。無線電波在真空中傳播的速度,等於光在真空中傳播的速度,因為無線電波和光均屬於電磁波。無線電波在其他介質中傳播的速度為Vε=C/sqrt(ε)。其中ε為傳播介質的介電常數。空氣的介電常數與真空很接近,略大於1,因此無線電波在空氣中的傳播速度略小於光速,通常我們近似認為就等於光速

傳播

無線電波無線電波
無線電波的傳播方式
對於自由空間,在自由空間中由於沒有阻擋,電波傳播只有直射,不存在其他現象。
而對於日常生活中的實際傳播環境,由於地面存在各種各樣的物體,使得電波的傳播有直射、反射、繞射(衍射)等,另外對於室內或列車內的用戶,還有一部分信號來源於無線電波對建築的穿透。這些都造成無線電波傳播的多樣性和複雜性,增大了對電波傳播研究的難度。
直射
直射在視距內可以看做無線電波在自由空間中傳播。直射波傳播損耗公式同自由空間中的路徑損耗公式:PL=32.44+20lgf+20lgd。其中,PL為自由空間的路損,單位是dB。F為載波的頻率,單位是MHz。d為發射源與接收點的距離,單位是km。
反射、折射與穿透
在電磁波傳播過程中遇到障礙物,當這個障礙物的尺寸遠大於電磁波的波長時,電磁波在不同介質的交界處會發生髮射和折射。另外,障礙物的介質屬性也會對反射產生影響。對於良導體,反射不會帶來衰減;對於絕緣體,他只反射入射能量的一部分,剩下的被折射入新的介質繼續傳播;而對於非理想介質,電磁波貫穿介質,即穿透時,介質會吸收電磁波的能量,產生貫穿衰落。穿透損耗大小不僅與電磁波頻率有關,而且與穿透物體的材料、尺寸有關。
一般室內的無線電波信號是穿透分量與繞射分量的疊加,而繞射分量占絕大部分。所以,總的來看,高頻信號(例如1800MHz)的室內外電平差比低頻信號(800MHz)的室內外電平差要大。並且,低頻信號進入室內後,由於穿透能力差一些,在室內進行各種反射後場強分布更均勻;而高頻信號進入室內後,部分穿透又穿透出去了,室內信號分布就不太均勻,也就使用戶感覺信號波動大。
繞射(衍射)
在電磁波傳播過程中遇到障礙物,這個障礙物的尺寸與電磁波的波長接近時,電磁波可以從該物體的邊緣繞射過去。繞射可以幫助進行陰影區域的覆蓋。
散射
在電磁波傳播過程中遇到障礙物,這個障礙物的尺寸小於電磁波的波長,並且單位體積內這種障礙物的數目非常巨大時,會發生散射。散射發生在粗糙物體、小物體或其它不規則物體表面,如樹葉、街道標識和燈柱等。
不同距離下無線電波的傳播
視距傳播
無線電波視距傳播的一般形式主要是直射波和地面反射波的疊加,結果可能使信號加強,也可能使信號減弱。
由於地球是球形的,受地球曲率半徑的影響,視距傳播存在一個極限距離Rmax,它受發射天線高度、接收天線高度和地球半徑影響。
無線電波無線電波
非視距傳播
無線電波非視距傳播的一般形式有:繞射波、對流層反射波和電離層反射波。
①繞射波
繞射波是建築物內部或陰影區域信號的主要來源。繞射波的強度受傳播環境影響很大,且頻率越高,繞射信號越弱。
②對流層反射波
對流層反射波產生於對流層。對流層是異類介質,由於天氣情況而隨時間變化。它的反射係數隨高度增加而減少。這種緩慢變化的反射係數使電波彎曲。對流層反射方式套用于波長小於10米(即頻率大於30MHz)的無線通信中。對流層反射波具有極大的隨機性。
③電離層反射波
當電波波長大於1米(即頻率小於300MHz)時,電離層是反射體。從電離層反射的電波可能有一個或多個跳躍,因此這種傳播用於長距離通信,同對流層一樣,電離層也是具有連續波動的特性。
無線電波在陸地移動通信環境下的特點
傳播環境的複雜性
由於移動終端的天線高度比較低,傳播路徑總是受到地形及人為環境的影響,使得接收信號大量的散射、反射或疊加。
傳播環境的複雜性體現在地形、人為建築物、人為噪聲干擾的多樣性。比如,周圍有樹林的地形,樹葉會造成無線電波大量的散射。而對於城市環境,由街道兩旁的高大建築導致的波導效應,使得街道上沿著傳播方向的信號增強,垂直於傳播方向的信號減弱,兩者相差可達10dB左右。另外,機動車的點火噪聲、電力線噪聲、工業噪聲等人為噪聲,都會對接收信號造成干擾。
移動終端的隨機移動性
移動終端總是在移動,即使移動終端不動,周圍環境也一直在變化,如人、車的移動,風吹動樹葉等,使得基站與移動終端之間的傳播路徑不斷發生變化。並且移動終端相對基站的移動方向和移動速度的變化,都會導致信號電平的變化,只能用隨機過程的機率分布來描述。
傳播的開放性
無線電波傳播空間的開放性導致空間干擾現象嚴重。比較常見的有同頻干擾、鄰頻干擾、互調干擾等。隨著頻率復用係數的提高,同鄰頻干擾將成為主要干擾。

傳播分類

無線電波自發射地點到接收地點主要有天波、地波、空間直線波3種傳播方式,各波特性如下:
地波:沿著地球表面傳播的電波,稱為地波。在傳播過程中因電波受到地面的吸收,其傳播距離不遠。頻率越高,地面吸收越大,因此短波、超短波沿地面傳播時,距離較近,一般不超過100公里,而中波傳播距離相對較遠。優點是受氣候影響較小,信號穩定,通信可靠性高。
天波:靠大氣層中的電離層反射傳播的電波,稱為天波,又稱電離層反射波。發射的電波是經距地面70—80公里以上的電離層反射後至接收地點,其傳播距離較遠,一般在1000公里以上。缺點是受電離層氣候影響較大,傳播信號很不穩定。短波頻段是天波傳播的最佳頻段,漁業船舶配備的短波單邊帶電台,就是利用天波傳播方式進行遠距離通信的設備。
空間直線波:在空間由發射地點向接收地點直線傳播的電波,稱空間直線電波,又稱直線波或視距波。傳播距離為視距範圍,僅為數十公里。漁業船舶配備的對講機和雷達均是利用空間波傳播方式進行通信的設備。

橫波

無線電波是橫波。即電場和磁場的方向都與波的傳播方向垂直.無線電波在空間傳播時,必然要受到大氣層的影響,尤其以電離層的影響最為顯著,使無線電波發生折射和衰減.其中,波長越大,折射與衰減越大。
根據無線電波波長不同的傳播特性,不同的通信業務使用不同的波段.比如長波用於導航、固定業務;中短波用於移動業務;微波用於無線電天文、空間通信。

特性

無線電波的衰落特性
無線電波在傳播過程中的衰落,是它非常重要的特性,可以從大、中、小三種尺度來描述。
大尺度用來描述中值信號(區域均值)。它具有冪定律傳播特性,即中值信號功率與距離長度增加的某次冪成反比關係。
中尺度用來描述慢衰落。它是重疊在大尺度傳播特性的中值電平上的平均功率變化。當用分貝表示時,這種變化趨於常態分配。
小尺度用來描述快衰落。它通常服從瑞利機率密度函式,又稱為瑞利衰落。
都卜勒頻移
根據都卜勒效應,由於無線電波發射端和接收端之間的相對運動,接收端接收到的信號頻率將與發射端發出的信號頻率之間存在一個差值,該差值就是都卜勒頻移。
都卜勒頻移符合下面的公式:吧

1為合成後的頻率

1工作頻率
1為最大都卜勒頻率
v為移動終端的最大速度
1為波長

1為多徑信號合成的傳播方向與移動終端行進方向的夾角

時間色散和均衡
時間色散起源於反射,其反射信號來自於距離接收天線約幾千米外的物體。例如,由基站連續傳送“1”、“0”的序列,如果遠處反射信號到達移動終端的時間剛好滯後直射信號一個比特,那么接收終端將從直射信號中檢出“0”,同時還從反射信號中檢出“1”,於是導致碼間干擾,這稱為時間色散。採用自適應均衡技術可以減少時間色散的影響。

歷史

無線電波無線電波
麥克斯韋最早在他遞交給英國皇家學會的論文《電磁場的動力理論》中闡明了電磁波傳播的理論基礎。他的這些工作完成於1861
年至1865年之間。

赫茲(Heinrich Rudolf Hertz)在1886年至1888年間首先通過試驗驗證了麥克斯韋爾的理論。他證明了無線電輻射具有波的所有特性,並發現電磁場方程可以用偏微分方程表達,通常稱為波動方程。

1906年聖誕前夜,雷吉納德·菲森登(Reginald Fessenden)在美國麻薩諸塞州採用外差法實現了歷史上首次無線電廣播。菲森登廣播了他自己用小提琴演奏”平安夜“和朗誦《聖經》片段。位於英格蘭切爾姆斯福德的馬可尼研究中心在1922年開播世界上第一個定期播出的無線電廣播娛樂節目!

無線電波發射裝置無線電波發射裝置
赫茲(HeinrichRudolfHertz)在1886年至1888年間首先通過試驗驗證了麥克斯韋爾的理論。他證明了無線電輻射具有波的所有特性,並發現電磁場方程可以用偏微分方程表達,通常稱波動方程。
1893年,尼科拉·特斯拉(NikolaTesla)在美國密蘇里州聖路易斯首次公開展示了無線電通信。在為“費城富蘭克林學院”以及“全國電燈協會”做的報告中,他描述並演示了無線電通信的基本原理。他所製作的儀器包含電子管發明之前無線電系統的所有基本要素。
無線電波無線電波
馬可尼(GuglielmoMarconi)擁有通常被認為是世界上第一個無線電技術的專利,英國專利12039號,“電脈衝及信號傳輸技術的改進以及所需設備”。
尼科拉·特斯拉1897年在美國獲得了無線電技術的專利。1898年,馬可尼在英格蘭切爾姆斯福德的霍爾街開辦了世界上首家無線電工廠,僱傭了大約50人。然而,美國專利局於1904年將其專利權撤銷,轉而授予馬可尼發明無線電的專利。這一舉動可能是受到馬可尼在美國的經濟後盾人物,包括愛迪生,安德魯·卡耐基影響的結果。1909年,馬可尼和卡爾·菲迪南德·布勞恩(KarlFerdinandBraun)由於“發明無線電報的貢獻”獲得諾貝爾物理學獎。
1943年,在特斯拉去世後不久,美國最高法院重新認定特斯拉的專利有效。這一決定承認他的發明在馬可尼的專利之前就已完成。有些人認為作出這一決定明顯是出於經濟原因。這樣二戰中的美國政府就可以避免付給馬可尼公司專利使用費

套用

無線電波年至1865年之間。無線電波年至1865年之間。
無線電最早套用於航海中,使用摩爾斯電報在船與陸地間傳遞信息。現在,無線電有著多種套用形式,包括無線數據網,各種移動通信以及無線電廣播等。
以下是一些無線電技術的主要套用:

航海

聲音廣播的最早形式是航海無線電報。它採用開關控制連續波的發射與否,由此在接收機產生斷續的聲音信號,即摩爾斯電碼。
*調幅廣播可以傳播音樂和聲音。調幅廣播採用幅度調製技術,即話筒處接受的音量越大則電台發射的能量也越大。這樣的信號容易受到諸如閃電或其他干擾源的干擾。
*調頻廣播可以比調幅廣播更高的保真度傳播音樂和聲音。對頻率調製而言,話筒處接受的音量越大對應發射信號的頻率越高。調頻廣播工作於甚高頻段(VeryHighFrequency,VHF)。頻段越高,其所擁有的頻率頻寬也越大,因而可以容納更多的電台。同時,波長越短的無線電波的傳播也越接近於光波直線傳播的特性。
*調頻廣播的邊帶可以用來傳播數位訊號如,電台標識、節目名稱簡介、網址、股市信息等。在有些國家,當被移動至一個新的地區後,調頻收音機可以自動根據邊帶信息自動尋找原來的頻道。
*航海和航空中使用的話音電台套用VHF調幅技術。這使得飛機和船舶上可以使用輕型天線。
*政府、消防、警察和商業使用的電台通常在專用頻段上套用窄帶調頻技術。這些套用通常使用5KHz的頻寬。相對於調頻廣播或電視伴音的16KHz頻寬,保真度上不得不作出犧牲。
*民用或軍用高頻話音服務使用短波用於船舶,飛機或孤立地點間的通訊。大多數情況下,都使用單邊帶技術,這樣相對於調幅技術可以節省一半的頻帶,並更有效地利用發射功率。
*陸地中繼無線電(TerrestialTrunkedRadio,TETRA)是一種為軍隊、警察、急救等特殊部門設計的數字集群電話系統。
*業餘無線電是無線電愛好者參與的無線電台通訊。業餘無線電台可以使用整個頻譜上很多開放的頻帶。愛好者使用不同形式的編碼方式和技術。有些後來商用的技術,比如調頻,單邊帶調幅,數字分組無線電和衛星信號轉發器,都是由業餘愛好者首先套用的。

通話

*蜂窩電話或行動電話是當前最普遍套用的無線通信方式。蜂窩電話覆蓋區通常分為多個小區。每個小區由一個基站發射機覆蓋。理論上,小區的形狀為蜂窩狀六邊形,這也是蜂窩電話名稱的來源。當前廣泛使用的行動電話系統標準包括:GSM,CDMA和TDMA。少數運營商已經開始提供下一代的3G移動通信服務,其主導標準為UMTS和CDMA2000。
*衛星電話存在兩種形式:INMARSAT和銥星系統。兩種系統都提供全球覆蓋服務。INMARSAT使用地球同步衛星,需要定向的高增益天線。銥星則是低軌道衛星系統,直接使用手機天線

視頻

*通常的模擬電視信號採用將圖像調幅,伴音調頻併合成在同一信號中傳播。
*數位電視採用MPEG-2圖像壓縮技術,由此大約僅需模擬電視信號一半的頻寬。

緊急服務

無線電波無線電波
*無線電緊急定位信標(emergencypositionindicatingradiobeacons,EPIRBs),緊急定位發射機或個人定位信標是用來在緊急情況下對人員或測量通過衛星進行定位的小型無線電發射機。它的作用是提供給救援人員目標的精確位置,以便提供及時的救援。

數據傳輸

*數字微波傳輸設備、衛星等通常採用正交幅度調製(QuadratureAmplitudeModulation,QAM)。QAM調製方式同時利用信號的幅度和相位載入信息。這樣,可以在同樣的頻寬上傳遞更大的數據量。
*IEEE802.11是當前無線區域網路的標準。它採用2GHz或5GHz頻段,數據傳輸速率為11Mbps或54Mbps。

導航

*利用主動及被動無線電裝置可以辨識以及表明物體身份。
*所有的衛星導航系統都使用裝備了精確時鐘的衛星。導航衛星播發其位置和定時信息。接收機同時接受多顆導航衛星的信號。接收機通過測量電波的傳播時間得出它到各個衛星的距離,然後計算得出其精確位置。
*Loran系統也使用無線電波的傳播時間進行定位,不過其發射台都位於陸地上。
*VOR系統通常用於飛行定位。它使用兩台發射機,一台指向性發射機始終發射並象燈塔的射燈一樣按照固定的速率鏇轉。當指向型發射機朝向北方時,另一全向發射機會發射脈衝。飛機可以接收兩個VOR台的信號,從而通過推算兩個波束的交點確定其位置。
*無線電定向是無線電導航的最早形式。無線電定向使用可移動的環形天線來尋找電台的方向。

雷達
無線電波的多經傳送效應無線電波的多經傳送效應

*雷達通過測量反射無線電波的延遲來推算目標的距離。並通過反射波的極化和頻率感應目標的表面類型。
*導航雷達使用超短波掃描目標區域。一般掃描頻率為每分鐘兩到四次,通過反射波確定地形。這種技術通常套用在商船和長距離商用飛機上。
*多用途雷達通常使用導航雷達的頻段。不過,其所發射的脈衝經過調製和極化以便確定反射體的表面類型。優亮的多用途雷達可以辨別暴雨、陸地、車輛等等。
*搜尋雷達運用短波脈衝掃描目標區域,通常每分鐘2-4次。有些搜尋雷達套用都卜勒效應可以將移動物體同背景中區分開來
*尋的雷達採用於搜尋雷達類似的原理,不過對較小的區域進行快速反覆掃描,通常可達每秒鐘幾次。
*氣象雷達與搜尋雷達類似,但使用圓極化波以及水滴易於反射的波長。有些氣象雷達還利用都卜勒效應測量風速。
加熱

*微波爐利用高功率的微波對食物加熱。(註:一種通常的誤解認為微波爐使用的頻率為水分子的共振頻率。而實際上使用的頻率大概是水分子共振頻率的十分之一。)

動力

*無線電波可以產生微弱的靜電力和磁力。在微重力條件下,這可以被用來固定物體的位置。
*宇航動力:有方案提出可以使用高強度微波輻射產生的壓力作為星際探測器的動力。

天文學

*是通過射電天文望遠鏡接收到的宇宙天體發射的無線電波信號可以研究天體的物理、化學性質。這門學科叫射電天文學。

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