《电磁波的传播》课件

电磁波的传播电磁波是现代通信、医疗和科学研究的基础课程概述电磁波基本概念理解电磁波的物理本质产生原理探索电磁波的形成机制传播特性分析不同介质中的传播行为应用领域电磁波的定义电磁场的运动形态能量和动量的传递方式电磁波是电场和磁场相互耦合形成的波动通过波动传递能量，无需介质即可传播电磁波的发现历史年11865詹姆斯·马克士威通过数学方程预测电磁波存在年21887-1888海因里希·赫兹通过实验首次证实电磁波存在电磁波的组成电场垂直于传播方向的振荡电场由电荷产生磁场垂直于电场和传播方向的振荡磁场由运动电荷产生电磁波的基本特性横波不需介质传播传播速度为光速振动方向垂直于传播方可在真空中传播在真空中约3×10^8米/向秒电磁波频谱按频率从低到高划分从几赫兹到数百艾赫兹按波长从长到短划分从数千米到亚纳米级不同频段有不同特性和应用透射、吸收、反射能力各异电磁波频谱（续）无线电波微波红外线3kHz-300GHz300MHz-300GHz300GHz-430THz电磁波频谱（续）紫外线射线X750THz-30PHz30PHz-30EHz可见光伽马射线430-750THz30EHz电磁波的产生原理变化的磁场时变磁场产生变化的电场变化的电场时变电场产生变化的磁场电磁波形成电场磁场相互诱导形成传播波电磁波的产生装置振子（半波振子）天线结构波导装置利用电流振荡产生电磁辐射优化辐射效率的特殊几何构型引导电磁波定向传播电磁波的传播方程麦克斯韦方程组•描述电磁场如何产生和相互作用•包含四个基本方程•预测电磁波的存在和性质波动方程•描述电磁波在空间传播行为•确定波速与介质参数关系•预测波的反射和折射行为电磁波在真空中的传播×310^80传播速度衰减系数m/s等于光速常数c理想真空无衰减1介电常数真空的相对介电常数电磁波在介质中的传播传播速度折射现象能量损耗与介质电磁参数相关不同介质界面处改变传播方向介质吸收部分电磁能量总是小于真空中光速折射率决定偏转角度转化为热能或其他形式电磁波的传播速度公式v=1/√εμ电磁波在介质中传播速度公式1电容率ε2介质对电场响应的度量磁导率μ3介质对磁场响应的度量电磁波的波长与频率关系λ=c/f波长与频率的反比关系光速c在真空中约3×10^8米/秒频率f单位时间内振动次数，单位Hz电磁波的能量电磁波的偏振电磁波的偏振表示电场矢量振动方向的时间变化规律电磁波的反射反射定律反射系数入射角等于反射角表示反射波与入射波幅度比相位变化在某些界面反射可引起相位反转电磁波的折射斯涅尔定律折射率n₁sinθ₁=n₂sinθ₂n=c/v描述了介质界面上的折射行为电磁波在介质中速度与真空速度比值的倒数电磁波的衍射惠更斯菲涅耳原狭缝衍射衍射应用-理波通过窄缝后发生弯曲光栅、全息成像和X射波前上每点是次波源现象线晶体学电磁波的散射瑞利散射米氏散射物体尺寸远小于波长物体尺寸与波长相近散射强度与波长四次方成反比散射方向性更强解释天空为什么是蓝色云和雾的散射属于此类电磁波的吸收吸收系数衰减因子热效应描述介质吸收能力的参数电磁波沿传播方向强度减弱的比率电磁能量转化为热能不同物质对不同频率吸收率差异大与介质导电性和介电性质相关是微波加热和射频消融的基础电磁波的干涉干涉图样反相干涉形成明暗相间或强弱交替的条同相干涉波峰遇波谷，振幅减弱或抵消纹相干条件波峰遇波峰，振幅增强波源频率相同且相位差恒定电磁波在大气中的传播电离层传播高频波反射回地面对流层传播大气折射和散射地面传播贴近地表传播地波传播定义沿地球表面传播的电磁波频率范围主要适用于低频和中频应用AM广播和远程导航系统影响因素地形、地质和土壤导电率天波传播电离层反射远距离传输频率选择电磁波被电离层反射回地面可实现超视距通信根据时间和电离层状态选择最佳频率空间波传播直线传播频率范围在发射点和接收点之间呈直线传播主要用于VHF、UHF和微波频段传播限制应用范围受地球曲率和视距限制电视广播、雷达和微波通信多径传播信号发射从发射源发出电磁波多路径形成信号经建筑物、地形等反射接收端接收到时间略有差异的多个信号信号合成4多个信号叠加产生干涉多径效应信号衰落时延扩展相位失真多路径信号相互干涉导致信号强度波动不同路径信号到达时间不同多径信号相位差异可能导致通信质量下降导致符号间干扰影响解调准确性电磁波的衰减自由空间损耗大气吸收地形阻挡随距离平方增加的气体分子、云雨对山脉、建筑物等造能量损失电磁波的吸收成的信号阻断植被损耗树木和植被对信号的衰减作用电磁波的色散色散现象不同频率波在介质中传播速度不同群速度能量传递速度相速度相位传播速度通信影响导致信号展宽和符号间干扰电磁波的极化电磁波极化描述电场矢量的空间方向天线的作用发射功能接收功能将导向电流转换为电磁波将电磁波转换为电流增益功能定向功能特定方向增强电磁波能量控制电磁波辐射方向天线的类型偶极天线八木天线抛物面天线最基本的线性天线高增益定向天线高增益微波和卫星通信天线天线增益定义1特定方向辐射功率与参考天线比值单位2分贝（dBi或dBd）计算方法3G=4πAe/λ²应用场景4通信链路预算和系统设计天线方向图主瓣最大辐射方向通常是天线预期工作方向旁瓣次要辐射方向通常需要抑制以减少干扰后瓣与主瓣相反方向的辐射反映天线前后比性能半功率波束宽度主瓣功率降至最大值一半的角度范围衡量天线方向性的重要参数电磁波的接收电磁波捕获天线截获空间电磁波电流感应电磁波在天线导体中产生感应电流信号放大微弱信号经低噪声放大器增强信号处理解调、滤波和数字处理电磁谐振定义谐振腔应用特定频率电磁波在物体或空间中能量积特定形状空腔产生电磁谐振微波炉累现象用于微波发生和处理核磁共振振幅显著增大的共振状态雷达系统电磁波在导波管中的传播TE/TMλc传播模式截止波长横电/横磁波模式低于此频率波无法传播10GHz常用频率微波和毫米波应用电磁波在光纤中的传播入射光波进入光纤芯部全反射光在芯/包层界面发生全反射传输光沿光纤轴向前进出射光从光纤末端射出电磁波在同轴电缆中的传播屏蔽传播外导体提供电磁屏蔽模式TEM横电磁波传播模式介质填充影响传播速度和阻抗电磁波的调制电磁波的解调包络检波用于AM信号恢复相位锁定环2用于FM和PM信号解调相干解调3需要参考载波的高效解调技术电磁波的应用无线通信移动通信卫星通信无线局域网广播系统5G网络、手机通信全球定位系统、远程WiFi、蓝牙技术无线电、电视广播通信电磁波的应用雷达技术发射电磁波目标反射雷达天线发射微波或无线电波电磁波遇物体反射信号分析接收反射波4确定物体距离、速度和方向3天线接收反射回的波电磁波的应用医疗诊断射线成像X骨骼和组织结构成像核磁共振成像利用射频电磁波观察软组织超声成像利用高频声波实时观察器官正电子发射断层扫描利用伽马射线观察代谢活动电磁波的应用加热技术微波炉原理工业微波加热电磁感应加热微波激发水分子高速振动产生热量用于材料干燥、食品加工变化磁场在导体中产生涡流加热电磁波的应用遥感技术卫星遥感多光谱成像地球资源探测利用卫星监测地球表面不同频段电磁波采集图像检测矿产、水资源收集大气、海洋、陆地数据揭示肉眼不可见信息监测环境变化和自然灾害电磁波的应用无线能量传输能量转换电能转换为电磁波能量发射通过天线发射电磁波能量接收3接收天线捕获电磁波整流转换4将电磁波转回电能电磁波的安全性

0.

082.0工作场所限值局部限值W/kg W/kg全身平均SAR限值头部和躯干SAR限值

4.0肢体限值W/kg四肢SAR限值电磁兼容性（）EMC定义重要性设备在电磁环境中正常工作能力保证系统可靠性不对其他设备造成电磁干扰防止相互干扰满足法规要求测试标准辐射发射测试传导发射测试抗扰度测试电磁屏蔽入射波电磁波到达屏蔽材料反射部分波能被屏蔽表面反射吸收部分波能在屏蔽材料中衰减透射极少部分能量穿透屏蔽电磁波测量技术电磁波测量需要专业设备和标准校准程序电磁波模拟仿真结果分析求解计算可视化场分布和参数计算设置参数使用FDTD、FEM等数值方法建立模型定义边界条件和源激励构建几何和材料模型电磁波前沿研究太赫兹技术特征频率成像应用分子检测

0.1-10太赫兹安检和医学成像物质分子指纹识别通信潜力超高速短距离通信电磁波前沿研究光子学光子集成电路量子通信光学计算硅光子和光量子器件量子密钥分发技术光学神经网络集成光发射、传导和检测功能基于光子纠缠的安全通信超高速光学信号处理电磁波与技术5G/6G毫米波通信大规模MIMO利用24-100GHz频段1多入多出天线阵列技术频谱效率波束赋形43更高频段和更宽带宽定向能量传输提高效率电磁波与物联网智能应用智慧城市、工业自动化1通信协议2LoRa、NB-IoT、Zigbee传感设备低功耗无线传感器网络总结与展望课程回顾从基础理论到前沿应用的全面探索当前挑战2频谱拥挤、能源效率、安全性问题未来趋势太赫兹通信、量子电磁学、元材料应用。