《电磁波传播》课件

电磁波传播欢迎参加本次关于电磁波传播的详细讲解电磁波是现代通信与信息技术的基础，它贯穿于我们日常生活的方方面面，从手机通信到卫星导航，从微波炉到医疗影像，无不依赖于电磁波的传播原理在这门课程中，我们将系统地学习电磁波的基本概念、传播机制、应用场景以及前沿发展通过理论与实例相结合的方式，帮助大家建立对电磁波传播的深入理解，为后续的专业学习和研究打下坚实基础让我们一起探索这个看不见却又无处不在的神奇世界！电磁波的发现与发展史年11865詹姆斯克拉克麦克斯韦通过其著名的麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在，认为光是一种电··磁波年21887德国物理学家海因里希赫兹通过实验成功产生并检测到了电磁波，验证了麦克斯韦的理论预·言年31901马可尼成功实现了跨大西洋无线电通信，标志着电磁波在实际通信中的应用开始世纪420随着雷达、电视、卫星通信和移动通信的发展，电磁波技术迎来了飞速发展的黄金时期电磁波的发现是物理学史上的重大突破，不仅统一了电学、磁学和光学，还为现代无线通信技术奠定了理论基础赫兹的实验不仅验证了麦克斯韦的预言，还开启了人类利用电磁波进行远距离通信的新纪元电磁波的基本定义电磁波的本质主要组成要素电磁波是电场和磁场在空间中的波动传播，它不需要介质就能传电场分量垂直于传播方向的电场振荡E播，可以在真空中以光速移动磁场分量垂直于电场和传播方向的磁场振荡H电磁波是一种能量形式，可以携带信息并在空间中传递麦克斯电场和磁场相互垂直，并且都垂直于波的传播方向，形成横波韦方程组精确描述了电磁波的产生和传播机制电磁波具有波粒二象性，在不同情况下表现出波动或粒子的特性波动性使其能够发生干涉和衍射现象，而粒子性则体现在光电效应等量子现象中电磁场基础知识电磁场统一性变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场磁场基本概念描述磁性作用的空间分布，单位为特斯拉T电场基本概念描述电荷力的空间分布，单位为伏特米/V/m麦克斯韦方程组是描述电磁场最基本的四个方程式，它们分别是高斯电场定律、高斯磁场定律、法拉第电磁感应定律和安培麦克斯韦环-路定律这四个方程完整描述了电场与磁场之间的关系，以及它们如何随时间和空间变化理解电磁场的基本概念对于学习电磁波传播至关重要，因为电磁波本质上就是电场和磁场的波动在空间中传播的结果电磁波的分类无线电波（）3kHz-300MHz用于广播、移动通信、导航等，波长从数米到数千米不等微波（）300MHz-300GHz应用于雷达、卫星通信、微波炉，波长从毫米到米11红外线（）300GHz-430THz用于热成像、遥控器、光纤通信，人体可感知为热可见光（）430-750THz人眼可见的电磁波，波长约纳米380-780紫外线、射线、伽马射线X频率更高，能量更大，用于医疗、材料分析等领域电磁波按频率或波长可分为多种类型，它们在宇宙中形成了连续的电磁波谱虽然物理本质相同，但不同频率的电磁波与物质的相互作用方式不同，因此有着各自独特的应用领域电磁波的主要参数波长λ相邻两个波峰或波谷之间的距离，单位通常为米、厘米、毫米等波长与频率成反比，，其中为光速λ=c/f c频率f电磁波每秒钟振荡的次数，单位为赫兹Hz频率决定了电磁波的能量，频率越高，能量越大振幅描述电磁波强度的参数，表示电场或磁场的最大值振幅的平方与波的能量密度成正比相位与极化相位描述波在振荡周期中的位置，极化描述电场矢量振动的方向极化可分为线极化、圆极化和椭圆极化这些参数共同决定了电磁波的特性和行为，为研究电磁波传播提供了基本的物理量在实际应用中，根据不同的需求，我们需要对这些参数进行精确控制课程学习目标与内容框架基础理论掌握理解电磁波的物理本质与基本特性•掌握麦克斯韦方程组及其解释•熟悉电磁波传播的数学描述方法•传播机制分析学习不同介质中电磁波的传播特性•掌握反射、折射、散射、衍射等现象•理解各种传播模式的适用条件•应用能力培养了解电磁波在通信、雷达等领域的应用•学习传播路径损耗计算方法•掌握基本的电磁兼容分析技术•前沿视野拓展了解电磁波技术最新研究进展•认识未来发展趋势与挑战•培养创新思维与科研能力•本课程旨在系统培养学生对电磁波传播理论的理解能力和实际应用能力，从基础理论到前沿技术，循序渐进，全面提升专业素养电磁波传播在现代科技中的意义电磁波传播是无线通信的核心原理，从、移动通信到网络，都离不开对电磁波传播特性的精确把握在雷达技术领域，电磁波用于目标探测、跟踪和识别，4G5G Wi-Fi广泛应用于军事和民用领域卫星通信、遥感技术也高度依赖电磁波传播机制，它们使全球通信和地球观测成为可能医疗领域的射线、核磁共振等诊断设备，同样基于电磁波与人体组织的相互作X用了解电磁波传播规律已成为现代科技发展的基础支撑麦克斯韦方程组详解高斯电场定律∇，描述电荷如何产生电场，电荷是电场的源闭合曲面上的电通量等于曲面内电荷量·D=ρ除以介电常数高斯磁场定律∇，表明磁场没有源，磁力线是闭合的物理上意味着不存在磁单极子，磁场线必须形·B=0成闭合回路法拉第电磁感应定律∇×，说明变化的磁场产生环形电场这一定律是发电机和变压器工作的基本原理E=-∂B/∂t安培麦克斯韦环路定律-∇×，表明电流和变化的电场都能产生磁场麦克斯韦添加的位移电流项是预H=J+∂D/∂t言电磁波存在的关键麦克斯韦方程组是电磁理论的基石，它们不仅统一了电学和磁学，还预言了电磁波的存在这四个方程以简洁优美的数学形式，描述了整个经典电磁学理论，被爱因斯坦称为人类思想史上最伟大的成就之一平面电磁波基础平面波定义基本特性电场和磁场在任一时刻在垂直于传播方向电场与磁场相互垂直，且都垂直于传播方的平面上具有相同的幅值和相位向，形成横波真空传播数学表达在真空中传播速度等于光速₀，₀E=E e^jωt-βz H=H e^jωt-×，电场与磁场振幅比等于c=310⁸m/s，表示沿方向传播的平面波βz z波阻抗₀η=377Ω平面电磁波是电磁波研究中最基础、最理想的模型，为我们理解更复杂的电磁波传播提供了理论基础在远离源的区域，实际的电磁波通常可以近似为平面波，因此平面波分析在工程应用中具有重要价值平面波的波前是平面，波矢量垂直于波前，指向波的传播方向对平面波的理解是学习后续更复杂电磁波传播现象的关键一步电磁波的能量与功率电磁场能量密度普恩廷定理电磁波能流电场能量密度×，描述电磁平面波功率密度we=S=E H|S|=波能量流密度1/2·ε·E²E²/η磁场能量密度普恩廷矢量指向电磁波为媒质的波阻抗，真wm=η传播方向空中约1/2·μ·H²377Ω在自由空间中，电场与单位为瓦特平方米波的平均功率密度与振/磁场能量密度相等幅平方成正比W/m²普恩廷定理是理解电磁波能量传输的关键，它揭示了电磁波能量流的方向与大小在无线电通信、雷达系统和功率传输等应用中，准确计算电磁波功率至关重要电磁波的能量传输特性使得无线电力传输成为可能，这也是未来技术发展的重要方向介质对电磁波传播的影响电磁参数物理意义对传播的影响介电常数描述材料存储电场能影响波速、波长和波ε量的能力阻抗磁导率描述材料对磁场的响影响波速、波长和波μ应程度阻抗电导率描述材料导电能力导致波的衰减和相位σ变化不同材料具有不同的电磁参数值，决定了电磁波在其中的传播行为电介质主要影响电场，磁介质主要影响磁场，而导体则会对电磁波产生强烈的衰减在实际应用中，我们需要考虑材料的频率色散特性，即电磁参数随频率变化的规律例如，水在微波频段具有较高的损耗，这是微波炉加热食物的原理基础光在玻璃中的速度慢于空气，导致折射现象，这是光纤通信的基础波在均匀无界介质中的传播无损介质损耗介质电导率，电磁波在传播过程中能量不损耗电导率，电磁波能量部分转化为热能σ≈0σ0传播常数是纯虚数，称为相位常数传播常数，为衰减常数，为相位常数γ=jββγ=α+jβαβ波的相位随距离变化，但振幅保持不变波的振幅随传播距离呈指数衰减⁻eᵅᶻ代表材料理想电介质，如干燥空气、真空代表材料海水、潮湿土壤、生物组织传播常数是描述电磁波在介质中传播特性的关键参数，它由介质的电磁参数和波的频率共同决定相位常数决定波长γε,μ,σβλ=，而衰减常数决定趋肤深度，即波的振幅衰减到的距离2π/βαδ=1/α1/e在工程中，准确计算传播常数对于天线设计、电磁屏蔽、微波器件设计等都至关重要波的反射与透射斯涅尔定律₁₁₂₂，描述入射角与折射角的关系n sinθ=n sinθ菲涅尔公式量化描述反射系数和透射系数的数学表达式极化效应反射和透射系数与波的极化方向有关当电磁波从一种介质进入另一种介质时，在界面处会发生反射和透射现象反射是波被界面弹回原介质，透射则是波穿过界面进入新介质反射和透射的强度取决于两种介质的特性差异、波的入射角度和极化状态垂直极化电场垂直于入射面和平行极化电场平行于入射面的反射特性不同当入射角等于布儒斯特角时，平行极化的波反射系数为零，这在光学偏振器设计中有重要应用反射与透射规律在光学、雷达、通信天线设计中至关重要波的折射与折射率折射现象本质折射率定义色散现象电磁波在穿越两种不同介质的界面时，折射率，是真空中光速与介质中介质的折射率通常随波的频率变化，导n=c/v传播方向发生改变的现象这是因为波波速的比值也可表示为n=√εᵣμᵣ，致不同频率的波发生不同程度的折射，在不同介质中传播速度不同导致的与介质的相对介电常数和相对磁导率有称为色散这是彩虹形成的物理基础关在光纤通信中，光在纤芯和包层之间的折射率差异导致了全反射现象，使得光信号能够在光纤中长距离传输而几乎不损失这种基于折射原理的波导技术是现代通信网络的基础折射现象在光学镜头、棱镜、显微镜等光学仪器设计中起着核心作用通过精确控制不同材料的折射率，可以实现各种复杂的光学功能能量反射率与透射率计算偏振与波的极化态线偏振圆偏振椭圆偏振电场矢量始终在一个固定平面内振动，振电场矢量端点在垂直于传播方向的平面内电场矢量端点在垂直于传播方向的平面内动方向不变线偏振可以通过偏振片产生，沿圆周运动，可分为左旋和右旋卫星通沿椭圆轨迹运动实际中的电磁波大多处常用于液晶显示技术和偏振滤光片信中广泛使用圆偏振，因为它对大气影响于椭圆偏振状态，是最一般的极化形式不敏感极化是电磁波的重要特性，描述电场矢量随时间变化的轨迹通过控制极化状态，可以实现信道隔离、降低干扰和提高系统容量在雷达系统中，不同极化的波与目标的相互作用不同，可用于目标特性分析多路径传播与干扰多径效应产生机制相位差异与干涉电磁波经过反射、散射、衍射等传播到接收不同路径的信号存在时延差异，导致相位不点，形成多条路径同，产生干涉现象缓解技术信号失真影响技术、分集接收、均衡器等技术可有符号间干扰、频率选择性衰落，降低通信质MIMO效缓解多径影响量多路径传播是无线通信中的普遍现象，尤其在城市环境中更为显著当多路径信号相位接近时，它们相互加强；当相位相反时，它们相互抵消，形成信号盲区这种干涉模式随接收位置变化形成空间选择性衰落，随频率变化形成频率选择性衰落现代无线通信系统通过多种技术克服多径挑战，如调制、自适应均衡器和多天线技术一些系统甚至利用多径效应提高传输容量，如技OFDM MIMO术波前、波矢与相速度波前相位相同的点构成的面，平面波的波前是平面，球面波的波前是球面波矢k指向波传播方向的矢量，大小为，垂直于波前2π/λ相速度vp波前传播的速度，，在真空中等于光速vp=ω/k=λf波前是电磁波传播的几何表现，它随着时间推移在空间中移动波矢是描述波传播方向k和空间周期性的重要参数，在波动方程和散射理论中有广泛应用相速度表示波的相位传播速度，它取决于介质的性质在各向同性介质中，波矢方向与能量传播方向一致；但在各向异性介质如晶体中，波矢方向与能量流方向可能不同，这导致了双折射现象相速度可能大于光速，但这不违c背相对论，因为信息传递速度由群速度决定，群速度永远不会超过光速群速度与色散相速度与群速度对比色散现象相速度单一频率波的相位传播速度，色散是指介质的折射率随波频率变化的特性当电磁波具有多个vp vp=ω/k频率分量时，不同分量的传播速度不同，导致波包形状随传播距群速度波包或信号能量传播速度，vg vg=dω/dk离变化在无色散介质中，；在有色散介质中，vp=vg vp≠vg色散分类信息传输速度由群速度决定，不会超过光速正常色散高频波速较慢，•dn/dλ0反常色散高频波速较快，•dn/dλ0色散现象在光纤通信中尤为重要，由于脉冲宽度随传播距离增加，限制了传输距离和速率光纤通信系统采用色散补偿技术、单模光纤和特定波长激光器来减少色散影响同样的原理解释了为什么棱镜可以将白光分解为彩虹色谱，因为不同波长的光在玻璃中传播速度不同地面波传播概论地面波定义适用频段地面波是指沿着地球表面传播的电磁波，地面波传播主要适用于中波300kHz-主要由表面波组成，部分包含空间波的和长波频段3MHz30-300kHz直射和反射分量频率越低，绕射能力越强，传播距离越地面波受地球曲率和地面电特性影响显远；频率越高，衰减越严重著，传播距离与频率和地面导电率密切相关主要应用中长波广播覆盖范围大，昼夜变化小，受天气影响少海上通信海水导电率高，有利于地面波传播导航系统如罗兰系统，利用低频信号远距离稳定传播特性C地面波传播是最早被利用的无线电传播方式之一，具有传播稳定、受季节和天气影响小的特点然而，随着频率升高，地面波的衰减迅速增加，通常高于的频率很少采用这种30MHz传播模式地面波的传播特性地面波的损耗机制距离扩散损耗电磁波能量随传播距离的平方或立方衰减地面吸收损耗部分能量转化为地面介质中的热能地形衍射损耗山脉、建筑物等障碍物引起的衍射损耗植被散射损耗森林、农田等植被区域引起的散射和吸收地面波传播损耗与频率、地面电特性和地形起伏密切相关频率越高，损耗越大；地面导电率越高，损耗越小；地形起伏越大，衍射损耗越严重在移动通信系统规划中，准确评估各种损耗机制对覆盖范围的影响至关重要特别地，在城市环境中，地面波还受到建筑物阻挡、反射和散射的复杂影响，形成多径传播，导致信号强度的快速波动这就要求接收机具有抗衰落能力，通常采用分集接收等技术来改善接收质量天空波（电离层传播）基础高频短波通信原理电离层的电磁特性高频短波通信利用电离层对电磁波的反电离层的结构3-30MHz电离层是一种特殊的等离子体介质，其折射率与电子射特性，实现超视距远距离通信信号从发射天线发电离层是地球大气层的一部分，位于约公密度和信号频率有关当电磁波进入电离层时，会发出，经电离层一次或多次反射，最终到达远处接收点60-1000里高度，由于太阳辐射使气体分子电离而形成它主生弯曲、反射、散射或穿透，取决于入射角和频率这种传播方式可以实现数千公里的远距离通信，是远要分为层、层、层一般来说，超过临界频率的信号将穿透电离层，低于洋船舶、飞机和边远地区通信的重要手段D60-90km E90-150km F1和层白天和临界频率的信号可能被反射回地面150-200km F2200-500km F1层分开，夜间合并为单一层F2F电离层传播具有明显的时变性，受太阳活动、日夜更替、季节变化和地磁活动的影响实际应用中，通常需要根据电离层状态预报选择合适的工作频率，以保证通信质量天空波的反射与传播距离天空波的传播距离主要取决于发射角、工作频率和电离层高度发射角越低，单跳距离越远；频率越高但小于最大可用频率，反MUF射高度越高，传播距离也越远一般来说，单跳传播距离在公里之间500-4000在发射点周围存在一个区域既不能被地面波覆盖因为地面波已衰减，又不能被天空波覆盖因为天空波反射点太远，这个区域称为死区或跳跃区要覆盖死区，可以采用多跳传播或改变工作频率多跳传播是指信号在电离层和地面之间多次反射，可以覆盖更远距离，甚至实现全球通信电离层对波的色散效应折射率的频率依赖性群时延与相位变化卫星通信中的影响电离层中折射率，其由于色散效应，不同频率分量具有不同电离层色散对卫星导航系统特别重要，n=√1-f²/f²ₚ中是等离子体频率，取决于电子密度的群时延，导致信号波形失真宽带信例如信号受电离层延迟影响可达数f GPSₚ不同频率的波在电离层中传播速度不同，号如脉冲经过电离层后会拉长变形，影十纳秒，导致定位误差现代卫星导航导致色散现象响通信质量采用双频技术来消除电离层误差电离层色散效应的强度与电离层电子密度和工作频率有关信号频率越低，色散效应越明显；电子密度越高，色散效应也越强实际上，电离层对无线电波的影响随频率变化很大低频段如广播主要经地面波传播，中频段短波主要依赖电离层反射，高频段如、微波则几乎不受电离层影响，AMUHF可以穿透电离层进行卫星通信天波通信的优缺点4000km24h单跳覆盖距离全天候运行短波通信单次电离层反射可覆盖的最大距离通过选择合适频率，可实现全天不间断通信80%5-20dB信号衰减衰落深度夜间电离层层消失，信号衰减大幅减少多径传播引起的信号强度波动范围D短波天波通信的主要优势在于覆盖范围广，可实现远距离甚至全球通信；设备成本低，便于建设和维护；不依赖中继设施，适合紧急通信和偏远地区；具有一定的抗干扰能力和保密性然而，天波通信也存在显著局限性信道稳定性差，受太阳活动和电离层变化影响大；信号质量不稳定，存在衰落和噪声干扰；通信容量有限，难以支持高速数据传输；存在死区，无法覆盖发射点附近一定范围；操作要求高，需要专业知识选择合适频率和发射角度随着卫星通信的发展，天波通信在商业应用中逐渐减少，但在军事、应急和特殊场景中仍有重要价值空间波（直射波）传播原理空间波的定义空间波是指在近地空间直接传播的电磁波，主要包括直射波和地面反射波空间波传播主要适用于、和微波频段以上，是现代移动VHF UHF30MHz通信、微波通信和卫星通信的主要传播方式与地面波和天波不同，空间波基本沿直线传播，受大气弯曲、反射和散射的影响较小，但受地形阻挡影响显著视距传播与地球曲率空间波传播主要受限于地球曲率，最大传播距离近似于视距距离理想条件下，两点间的视距距离公式₁₂d≈

3.57√h+√hkm其中₁和₂是两个天线离地面的高度米h h实际中，由于大气折射率随高度变化，电磁波路径会弯曲，使实际视距略大于几何视距，通常用效果地球半径因子来修正计算k≈4/3空间波传播广泛应用于移动通信、微波中继、卫星通信等领域例如，蜂窝移动通信基站通常建在高处，以增大覆盖范围；微波中继站则常设在山顶，形成点对点视距链路；卫星通信则通过地球站与高空卫星之间的空间波传输实现全球覆盖空间波传播的自由空间损耗大气对空间波的影响大气吸收水汽和降水尘埃与悬浮颗粒氧气分子在附近雨、雪、雾对高频信号衰沙尘暴对微波传播有明显60GHz有强吸收峰减显著影响水汽在和雨衰减随频率和雨率增加灰霾、工业污染降低可见22GHz附近有吸收峰而增大度和信号强度183GHz吸收强度随频率、气压和强降雨可使毫米波信号衰颗粒对波长相近的电磁波湿度变化减数十散射最强dB/km大气的影响随频率变化很大，低于的信号受影响较小，适合全天候操作；而10GHz高频毫米波和太赫兹波则极易受大气条件影响这就是为什么卫星电视在暴雨天气信号变差，而手机信号通常不受影响的原因在通信系统设计中，通常采用多种技术应对大气影响，包括链路余量、自适应功率控制、分集接收和路由冗余等气象雷达则利用电磁波与降水的相互作用，通过测量反射信号强度，估计降水强度和分布对流层散射机制对流层散射原理对流层高度中的温度、湿度和气压不均匀性导致折射率小幅波动，使部分电0-10km磁波能量散射并改变传播方向传播特性适用频段主要为和低频微波，可实现远超视距的公里传UHF

0.3-10GHz100-800输，但损耗很大，信号衰减可达180-220dB环境影响信号强度受季节、气候和天气变化显著影响，表现出明显的时变性和随机性，通常存在深度衰落系统特点需要高功率发射机、高增益天线和高灵敏度接收机，常采用空间和频率分集技术传输容量有限，主要用于数字低速率通信对流层散射通信在世纪年代曾广泛用于军事和商业超视距通信，特别是北约的白色爱丽丝2050-70系统现在虽已被卫星通信大部分取代，但在某些特殊应用中仍有价值，例如偏远地区通信、海上平台与陆地连接、军事战术通信等场景折射与地面反射影响大气折射现象地面反射影响大气折射率通常随高度递减，导致电磁波路径向下弯曲标准大空间波除直射分量外，还有地面反射分量两者在接收点相互叠气条件下，等效地球半径因子加，导致信号增强或减弱k≈4/3特殊气象条件会导致异常折射反射波特性取决于超折射，波路更弯曲，传播距离增加地面材质如水面、湿土、干燥地面的反射系数不同•k4/3•次折射，波路弯曲减小，传播距离减少粗糙度相对于波长的地面粗糙程度影响反射强度•k4/3•大气波导近地面形成强折射率梯度层，使电磁波捕获在波导入射角掠射角反射更强，垂直入射相对较弱••中远距离传播极化方式水平极化反射系数通常大于垂直极化•在移动通信中，地面反射导致的多径传播是信号衰落的主要原因之一接收机移动时，直射波和反射波的相位关系不断变化，使信号强度出现周期性的波动，这就是快速衰落通信系统常采用分集接收、自适应均衡和技术来应对这一挑战MIMO建筑、障碍物引起的衍射刃形衍射电磁波遇到建筑物边缘、山脊等锐边障碍物时的弯曲现象圆形障碍衍射电磁波越过山丘、地球曲率等圆滑障碍物的绕射现象多重衍射信号经过多个障碍物连续衍射，损耗累积显著增加障碍物引起的衍射是电磁波能够拐弯到视线不可及区域的重要机制基于惠更斯原理，障碍物边缘的每一点都可视为新的次级波源，这些次级波在障碍物后方形成衍射场衍射损耗与障碍物几何尺寸、波长和相对位置有关，通常可用菲涅尔参数来量化频率越高，衍射能力越弱，这就是为什么高频信号难以穿透建筑物，而低频广播则能覆盖更复杂的地形在移动通信规划中，常用各种衍5G FM射模型如、、等来预测信号覆盖实际应用中，增加基站或发射机高度、减小工作频率、增大发射功率Bullington DeygoutEpstein-Peterson都可以改善衍射受限情况下的覆盖传播路径障碍及阴影区城市峡谷效应地形阴影室内传播阴影在高楼林立的街道中，无线信号主要沿街道方山脉、丘陵等地形障碍物后方形成的低信号强室内环境中，墙壁、地板、天花板等结构造成向传播，垂直于街道方向的传播受到严重阻挡，度区域在这些区域中，直射信号被完全阻挡，的信号强度不均匀分布不同建筑材料对信号形成类似峡谷的信号分布这种环境下，反射接收到的信号主要依靠衍射和散射地形阴影的衰减程度不同木质隔墙衰减约，2-4dB和散射成为重要的传播机制严重制约了移动通信网络的覆盖范围砖墙约，钢筋混凝土约5-8dB10-20dB阴影效应导致的信号衰减通常表现为慢衰落，变化周期相对缓慢，主要与接收机位置相关在无线通信系统设计中，需要在链路预算中考虑阴影余量，通常为为了克服阴影区问题，可采用增加基站密度、使用中继器或分布式天线系统、优化天线高度和方向等方法8-12dB多路径与瑞利衰落瑞利衰落是由多路径传播引起的一种快速信号强度波动现象在城市环境下，信号经过多次反射、散射、衍射后，从不同方向到达接收机，这些信号分量具有不同的幅度、相位和时延当接收机移动时，各分量之间的相位关系不断变化，导致相消或相长干涉，使信号强度呈现随机快速波动瑞利衰落的统计特性信号强度服从瑞利分布，相位服从均匀分布；衰落深度可达；信号强度变化速率与移动速度和载波频率成正比，表现为多普勒扩展20-30dB为应对瑞利衰落，现代无线系统采用多种技术分集接收空间、时间、频率、极化分集、自适应均衡、前向纠错编码、调制和技术等，这些技术显著提OFDM MIMO高了在多径环境下的通信可靠性城市环境下的传播特性20-40dB建筑物穿透损耗信号从室外传入室内的典型损耗范围3-5距离衰减指数城市环境下信号强度随距离衰减的幂指数100-300m小区半径城市密集区蜂窝网络的典型覆盖半径40-60%流量密度城市区域的无线网络流量占总流量的比例城市环境的电磁波传播呈现复杂多变的特性，主要受建筑物几何分布、高度、密度和材料的影响在高楼密集区，直射路径通常被阻断，通信主要依靠反射、散射和衍射实现建筑物外墙产生强反射，形成多径分量；玻璃幕墙在高频下表现为反射面，而在低频下部分透射；街道则形成波导结构，使信号沿街道方向传播较远城市传播预测通常采用统计模型或射线追踪方法经典的预测模型包括模型、模型和模型等现代网络规划工Okumura-Hata COST-231Walfisch-Ikegami具综合考虑三维建筑数据、地形、植被等因素，使用混合算法进行更精确的预测未来和网络规划对传播模型精度要求更高，特别是在毫米波频段5G6G卫星通信中的电磁波传播空间链路损耗自由空间路径损耗高达180-210dB大气与电离层影响2雨衰减、云雾损耗、大气吸收和闪烁噪声与干扰宇宙背景辐射、太阳噪声、地球热噪声多普勒效应卫星运动引起的频率偏移卫星通信面临的主要挑战是极高的传播损耗为了克服这一困难，系统通常采用高增益抛物面天线、高效调制编码方案和低噪声接收机地球同步轨道卫星30-60dB位于赤道上空处，传播延迟约，适合广播业务；低轨卫星距地球数百到数千公里，延迟较小，适合需要低延迟的通信业务GEO36000km250ms LEO频率选择对卫星通信至关重要频段受雨衰减小但易受地面系统干扰；频段平衡了雨衰减和天线尺寸；频段可使用更小C4-8GHz Ku12-18GHz Ka26-40GHz天线但雨衰减严重；更高频段则主要用于科学研究现代卫星通信通过自适应调制编码、功率控制和多波束技术提高了通信效率和可靠性电磁波在光纤中的传播全内反射原理光在高折射率介质纤芯与低折射率介质包层界面上发生全内反射，使光被约束在纤芯内传播传输模式多模光纤中光可沿多条路径传播；单模光纤直径更小，仅支持一种基本模式传播色散与损耗材料色散、模式色散和波导色散导致脉冲展宽；吸收和散射造成信号衰减与无线电波相比，光纤中传输的电磁波频率高达可见光和近红外区域，波长约为10^14Hz或，这些波长被选择是因为它们在石英玻璃中具有最低损耗现代单模光1310nm1550nm纤的损耗极低，约，理论传输距离可达数百公里而无需中继

0.2dB/km光纤通信具有带宽极高单纤可达数

十、抗电磁干扰、安全性好、尺寸小等优势，成为现Tbps代通信网络的骨干然而，光纤敷设成本高、不适合移动场景，因此与无线通信形成互补未来空间分割复用、新型光子集成和全光交换等技术将进一步提升光纤通信容量无线电通信应用广播业务移动通信广播利用地面波和蜂窝网络利用小区复用AM535-1705kHz700MHz-6GHz夜间天波，覆盖范围大，抗干扰能力强，但提高系统容量，从到演进过程中，频2G5G音质有限谱效率提高了上百倍广播音质优良，但覆盖短距离高FM88-108MHz Wi-Fi

2.4GHz/5GHz/6GHz范围较小，主要依靠视距传播速无线接入，室内外覆盖数字广播、等系统改善了频谱效卫星移动通信覆盖海洋、沙漠等传统网络DAB DRM率和抗干扰能力无法覆盖的区域频段分配策略低频段传播特性好，适合广覆盖和室内穿透1GHz中频段平衡覆盖和容量，是大多数移动通信的主要频段1-6GHz高频段带宽资源丰富，适合短距离高容量场景6GHz频谱规划考虑国际协调、共存性、经济效益和技术发展无线电频谱是稀缺资源，各国政府通常通过监管机构如美国、中国工信部进行管理和分配频谱FCC分配既考虑物理传播特性，也考虑经济和社会因素随着技术进步，一些新方法如认知无线电、动态频谱共享和毫米波利用，正在提高频谱使用效率雷达技术中的电磁波传播雷达基本原理波束控制技术雷达成像原理发射电磁波脉冲，接收目标反机械扫描物理转动天线改变合成孔径雷达利用平SAR射回波，通过测量时延、多普波束方向，结构简单但速度慢台移动形成大的虚拟天线孔径，勒频移和信号特性，确定目标实现高分辨率成像距离、速度和属性电子扫描通过控制相控阵天逆合成孔径雷达利用ISAR雷达方程线单元的相位，实现快速灵活目标自身运动实现高分辨率成的波束控制像R⁴=PtGtGrλ²σ/4π³Pmi，描述最大探测距离与系统n数字波束形成多通道数字处毫米波成像利用高频优势，参数的关系理技术，可同时形成多个接收实现高分辨率近距离成像，用波束于安全检查等雷达系统的工作频段从到波段不等，不同频段具有不同特点低HF3-30MHz W75-110GHz频雷达可以超视距探测但分辨率低；高频雷达分辨率高但大气衰减严重现代雷达广泛应用于军事探测、气象监测、空中交通管制、地形测绘、行车辅助和地球资源勘探等领域雷达技术也面临电磁波传播带来的挑战，如地形干扰、多径效应、大气折射异常和杂波干扰等先进信号处理算法如、脉冲多普勒处理和自适应波束形成等，可以有效提高雷达在复杂环境中的MTI探测性能微波与毫米波在中的应用5G技术利用三类频段低频提供广覆盖，中频平衡覆盖与容量，高频毫米波提供超高速率毫米波频段由5G1GHz1-6GHz24-52GHz于波长短，传播特性明显不同大气衰减和雨衰增大，穿透能力弱，衍射能力差，但直射和镜面反射特性强，多径分量较少5-10mm应对毫米波传播挑战，采用多种技术大规模和波束赋形技术形成高增益定向波束；高密度小区部署减小传输距离；自适应波束跟5G MIMO踪克服阻挡问题；先进信道编码提高抗衰落能力尽管毫米波传播距离有限，但在热点区域和固定无线接入等场景中，其超大带宽高达数可提供的峰值速率，为增强现实、视频流等高带宽应用提供支持GHz10-20Gbps8K电磁波遥感与环境监测卫星遥感利用卫星搭载的多光谱传感器，观测地球表面反射或发射的电磁波信号，获取地表信息雷达遥感主动发射微波并接收反射信号，可全天候工作，穿透云层和部分植被红外热成像探测地物发射的红外辐射，用于温度监测和热异常探测激光雷达发射激光脉冲并接收回波，用于高精度地形测量和三维建模气象卫星如风云四号利用多个电磁波段获取大气层和地球表面信息可见光波段监测云系分布；红外波段测量云顶温度和水汽含量；微波波段探测降水强度和海面风速通过分析多波段数据，气象学家可监测台风路径、预警暴雨洪水，并改进数值预报模型在环境监控领域，电磁波遥感技术广泛用于大气污染监测、水质评估、土地利用变化分析和生态系统健康评估例如，高光谱成像可识别不同污染物特征光谱；合成孔径雷达可监测地表形变和冰川消融；热红外传感器可探测城市热岛效应和森林火灾这些应用对理解全球气候变化和环境保护具有重要价值电磁兼容与干扰电磁干扰类型根据传播路径分为辐射干扰通过空间传播和传导干扰通过电源线或信号线传播根据频谱特性分为窄带干扰单一频率或窄频带和宽带干扰频谱连续分布根据时域特性分为连续干扰和瞬态干扰电磁兼容标准国际电工委员会、国际特殊委员会和各国标准组织制定了严格的电磁兼容标准，规定了设备的发射限值和抗扰度要求电子设备必须通过IEC CISPR测试和认证才能进入市场，如欧盟的认证和美国的认证EMC CEFCC干扰控制技术抑制干扰源优化电路设计、降低工作频率、使用滤波器和缓变电路阻断传播路径屏蔽、滤波、接地和隔离提高抗干扰能力差分信号、冗余设计、自适应滤波和数字处理频谱管理合理分配频段，避免有害干扰电磁兼容是指设备或系统在电磁环境中正常工作的能力，既不对其他设备产生干扰，也不受其他设备干扰的影响随着电子设备的普及和无线通信的EMC广泛应用，电磁环境日益复杂，电磁兼容问题变得越来越重要在实际工程中，电磁兼容设计必须贯穿产品的整个生命周期，从概念设计到最终测试典型的设计策略包括印制电路板分区布局、多层设计、EMC PCB适当的接地系统、电源去耦、信号完整性优化和外壳屏蔽等通过综合应用这些技术，可以确保电子设备在复杂电磁环境中可靠工作电磁屏蔽与防护技术屏蔽原理与效能电磁屏蔽通过反射和吸收两种机制减弱电磁波金属材料主要依靠反射机制，而铁磁材料和导电聚合物则兼具反射和吸收特性屏蔽效能用分贝表示，SE SE=₁₂，其中₁和₂分别是有无屏蔽时的电场强度20logE/EE E屏蔽材料与结构常用屏蔽材料包括铜、铝、钢、镀锌板等金属材料；金属网格、金属涂层和导电织物；铁氧体、碳纤维和导电聚合物等吸波材料常见屏蔽结构有整体金属外壳、导电垫圈、屏蔽电缆、屏蔽室和法拉第笼等人体电磁防护世界卫生组织和国际非电离辐射防护委员会制定了电磁辐射人体暴露限值防护措施包括控制高功率发射设备的安全距离；使用专业防护服保WHO ICNIRP护特殊工作人员；合理布局高压输电线路和基站；个人减少不必要的长时间近距离暴露电磁屏蔽技术广泛应用于各个领域在计算机和通信设备中，屏蔽罩、金属外壳和屏蔽电缆减少辐射干扰；在医疗设备中，磁共振成像室需要高性能屏蔽防MRI止外部干扰；在军事领域，电磁屏蔽对保护设备免受电磁脉冲攻击至关重要；在汽车电子中，屏蔽设计确保各子系统间的电磁兼容EMP随着和物联网的发展，电磁环境更加复杂，对屏蔽技术提出了新挑战新型屏蔽材料如石墨烯、纳米材料和超材料等，以及主动屏蔽技术正在研发中，有望提5G供更高效、更轻薄、更灵活的屏蔽解决方案物联网下的电磁波传播挑战大规模连接低功耗要求复杂部署环境物联网预计将连接数百亿设备，这许多物联网设备依靠电池运行多年，物联网设备部署在各种复杂环境中，对无线频谱资源提出了巨大挑战要求极低的功耗这限制了发射功如工业厂房、地下停车场、深井管现有频段拥挤，需要高效的频谱利率，使信号更容易受到干扰和路径道等，这些场所电磁传播条件恶劣，用技术和新型共享机制损耗的影响信号覆盖困难干扰共存问题多种无线技术、蓝牙、Wi-Fi、等在同一频段中共ZigBee LoRa存，相互干扰风险高，需要高效的干扰管理策略为应对这些挑战，物联网通信采用多种创新技术窄带和等技术通过降低数据率换取更远的IoTNB-IoT LoRa传输距离和更好的穿透能力；分层网络架构结合短距离和长距离通信技术，优化覆盖和功耗；认知无线电和动态频谱接入技术提高频谱利用效率；边缘计算减少数据传输需求物联网环境下的传播模型也需要创新传统模型往往不适用于物联网场景特殊的高度、天线特性和部署密度研究人员正在开发针对工业物联网、智慧农业、智慧建筑等特定场景的专用传播模型，提高网络规划和优化的准确性天气、太阳活动对传播的影响雷暴和降水太阳活动大气异常强降雨、冰雹和雪对高频微波和毫米波传播影响显太阳黑子活动周期性变化约年一个周期，显著大气温度逆转层导致的超折射和大气波导现象，使11著，尤其在以上频段雨滴对电磁波的散射影响电离层结构和电子密度太阳耀斑和日冕物质和信号传播距离大大超过正常视距这种10GHz VHFUHF和吸收与雨滴大小、分布和频率有关暴雨可使抛射引起的地磁暴会导致电离层扰动，使短波通情况常出现在海岸线、大湖区和沙漠地区，可能导Ka HF波段信号衰减以上，导致信质量下降，甚至完全中断同时，极光区无线电致远距离干扰极端天气如台风、龙卷风等也会改26-40GHz20dB/km卫星通信和毫米波中断通信和导航系统也会受到严重干扰变大气折射率分布，影响雷达和通信系统5G天气和太阳活动的影响具有明显的时变性和地域性通信系统设计中必须考虑这些因素，增加适当的链路余量针对雨衰，卫星通信系统采用自适应功率控制和站点分集；应对太阳活动影响，短波通信网络利用实时电离层监测和频率管理系统；克服大气异常，雷达系统使用先进的杂波处理算法最新研究进展与技术趋势太赫兹通信卫星星座网络开发频段通信技术，提供级数据率低轨道卫星集群提供全球低延迟覆盖

0.1-10THz TB人工智能优化量子通信驱动的自适应传播建模和网络优化3基于量子纠缠的安全通信技术突破AI研究已经启动，预计在年左右商用，将探索太赫兹频段的利用与毫米波相比，太赫兹波具有更大带宽，但面临更严重的传播挑战大气吸收极强，穿透能力6G2030极弱，几乎仅适用于短距离视距传输研究人员正在开发新型材料、器件和天线阵列，以克服这些限制其他前沿研究方向包括围绕地球部署的数千颗低轨道卫星，形成太空互联网；利用超表面和元材料控制电磁波传播路径；可重构智能表面优化信道条件；空天地RIS一体化网络架构；基于大数据和的传播模型；分布式大规模和全息波束成形技术等这些创新将共同推动无线通信向更高速率、更低延迟、更广覆盖和更高可AI MIMO靠性方向发展课程知识点总结学习建议与思考题目学习方法建议重点难点提示12建立物理图像通过可视化思维理解电磁波麦克斯韦方程组是理解电磁波的核心，需要传播的物理过程，不要仅停留在公式层面掌握其物理意义和数学形式数学工具掌握熟练运用矢量分析、复变函复杂环境中的多径传播和衰落模型需要特别数等数学工具，它们是电磁场分析的基础关注，这是通信系统设计的关键理论结合实践尝试简单的电磁波传播测量电离层传播的时变特性和频率依赖性是难点，实验，加深对理论的理解与应用建议结合实际案例学习思考题目3分析为什么移动通信基站天线通常高度在几十米，而短波通信天线往往接近地面？计算一个工作在的基站，在大雨条件下，最大覆盖距离会减少多少？28GHz5G50mm/h讨论电磁波传播研究对未来通信、量子通信等新技术发展的意义6G学习电磁波传播需要长期积累和多角度思考建议同学们充分利用课程资源，包括教材、参考文献、实验设备和仿真软件遇到疑难问题时，可以通过小组讨论、课后咨询或查阅等专业期刊文献解决IEEE本课程与天线理论、通信原理、信号处理等课程密切相关，建议同学们注意知识的融会贯通最后，鼓励大家关注电磁波传播技术的最新发展，培养创新思维，为未来研究和工作打下坚实基础谢谢聆听！问答环节后续资源实验安排欢迎同学们提出关于电磁波传播的任何问题，课程完整将在教学网站上提供下载推荐下周将安排电磁波传播特性测量实验，请同学PPT我们可以进行更深入的讨论与交流问题可以几款电磁波传播仿真软件供大家学习使用们提前预习实验指导书，并准备好实验报告的涵盖课程内容的任何方面，也可以探讨相关的、和等另外，相关要求实验将分组进行，每组人，具CST StudioSuite HFSSFEKO3-4前沿研究和应用领域课程参考书目和扩展阅读材料清单也将一并提体分组情况将在教学网站公布供感谢大家积极参与本课程的学习！电磁波传播是一门理论与实践紧密结合的学科，希望通过这门课程，同学们不仅掌握了基础理论知识，还培养了分析解决实际问题的能力在信息时代，电磁波传播技术对无线通信、雷达、导航和遥感等领域至关重要，具有广阔的应用前景和研究空间。