無線電波介紹

電磁波的一種。頻率大約為30,000,000KHz（30GHz）以下,，或波長大于1mm的電磁波,，由于它是由振蕩電路的交變電流而產(chǎn)生的,，可以通過天線發(fā)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300GHz以下的頻率范圍內(nèi),。

在不同的波段內(nèi)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(tǒng)容量有限，因此低頻段的無線電波主要應用于廣播,、電視,、尋呼等系統(tǒng)。

高頻段頻率資源豐富,，系統(tǒng)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(shù)難度也越大，系統(tǒng)的成本相應提高,。

移動通信系統(tǒng)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,，因此被廣泛應用于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(tǒng)必然要向高頻段發(fā)展。

無線電波的速度只隨傳播介質(zhì)的電和磁的性質(zhì)而變化,。無線電波在真空中傳播的速度,，等于光在真空中傳播的速度,，因為無線電波和光均屬于電磁波。無線電波在其他介質(zhì)中傳播的速度為Vε=C/sqrt(ε),。其中ε為傳播介質(zhì)的介電常數(shù),。空氣的介電常數(shù)與真空很接近,，略大于1,，因此無線電波在空氣中的傳播速度略小于光速,，通常我們近似認為就等于光速,。

無線電波傳播

無線電波的傳播方式

對于自由空間，在自由空間中由于沒有阻擋,，電波傳播只有直射,，不存在其他現(xiàn)象,。

而對于日常生活中的實際傳播環(huán)境,，由于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,，另外對于室內(nèi)或列車內(nèi)的用戶,，還有一部分信號來源于無線電波對建筑的穿透。這些都造成無線電波傳播的多樣性和復雜性,，增大了對電波傳播研究的難度,。

直射

直射在視距內(nèi)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(fā)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于電磁波的波長時,，電磁波在不同介質(zhì)的交界處會發(fā)生反射和折射,。另外,，障礙物的介質(zhì)屬性也會對反射產(chǎn)生影響,。對于良導體，反射不會帶來衰減,；對于絕緣體，他只反射入射能量的一部分，剩下的被折射入新的介質(zhì)繼續(xù)傳播,；而對于非理想介質(zhì),，電磁波貫穿介質(zhì)，即穿透時,，介質(zhì)會吸收電磁波的能量,，產(chǎn)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(nèi)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(nèi)外電平差比低頻信號（800MHz）的室內(nèi)外電平差要大。并且,，低頻信號進入室內(nèi)后,，由于穿透能力差一些，在室內(nèi)進行各種反射后場強分布更均勻,；而高頻信號進入室內(nèi)后,，部分穿透又穿透出去了，室內(nèi)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(qū)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于電磁波的波長,，并且單位體積內(nèi)這種障礙物的數(shù)目非常巨大時，會發(fā)生散射,。散射發(fā)生在粗糙物體,、小物體或其它不規(guī)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(jié)果可能使信號加強，也可能使信號減弱,。

由于地球是球形的,，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(fā)射天線高度,、接收天線高度和地球半徑影響。

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

繞射波是建筑物內(nèi)部或陰影區(qū)域信號的主要來源。繞射波的強度受傳播環(huán)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(chǎn)生于對流層,。對流層是異類介質(zhì),，由于天氣情況而隨時間變化。它的反射系數(shù)隨高度增加而減少,。這種緩慢變化的反射系數(shù)使電波彎曲,。對流層反射方式應用于波長小于10米（即頻率大于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

當電波波長大于1米（即頻率小于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,，因此這種傳播用于長距離通信,，同對流層一樣，電離層也是具有連續(xù)波動的特性,。

無線電波在陸地移動通信環(huán)境下的特點

傳播環(huán)境的復雜性

由于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(huán)境的影響，使得接收信號大量的散射,、反射或疊加,。

傳播環(huán)境的復雜性體現(xiàn)在地形、人為建筑物,、人為干擾的多樣性。比如,，周圍有樹林的地形,，樹葉會造成無線電波大量的散射,。而對于城市環(huán)境，由街道兩旁的高大建筑導致的波導效應,，使得街道上沿著傳播方向的信號增強,，垂直于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、電力線,、工業(yè)等人為影響,，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(huán)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(fā)生變化,。并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，只能用隨機過程的概率分布來描述,。

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(xiàn)象嚴重,。比較常見的有同頻干擾、鄰頻干擾,、互調(diào)干擾等,。隨著頻率復用系數(shù)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(fā)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?zhèn)鞑サ碾姴?，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?zhèn)鞑r，距離較近,，一般不超過100公里,，而中波傳播距離相對較遠,。優(yōu)點是受氣候影響較小，信號穩(wěn)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(fā)射的電波是經(jīng)距地面70—80公里以上的電離層反射后至接收地點，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(wěn)定,。短波頻段是天波傳播的最佳頻段,，漁業(yè)船舶配備的短波單邊帶電臺，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(fā)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,。傳播距離為視距范圍,，僅為數(shù)十公里。漁業(yè)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(fā)生折射和衰減.其中，波長越大,，折射與衰減越大,。

根據(jù)無線電波波長不同的傳播特性，不同的通信業(yè)務使用不同的波段.比如長波用于導航,、固定業(yè)務;中短波用于移動業(yè)務;微波用于無線電天文,、空間通信。

無線電波特性

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(qū)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系,。

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,，這種變化趨于正態(tài)分布。

小尺度用來描述快衰落,。它通常服從瑞利概率密度函數(shù),，又稱為瑞利衰落。

多普勒頻移

根據(jù)多普勒效應,，由于無線電波發(fā)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(fā)射端發(fā)出的信號頻率之間存在一個差值，該差值就是多普勒頻移,。

多普勒頻移符合下面的公式：

為合成后的頻率

為工作頻率

為最大多普勒頻率

v為移動終端的最大速度

為波長

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

時間色散起源于反射,，其反射信號來自于距離接收天線約幾千米外的物體。例如,，由基站連續(xù)發(fā)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后直射信號一個比特,，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”，于是導致碼間干擾,，這稱為時間色散,。采用自適應均衡技術(shù)可以減少時間色散的影響。

無線電波歷史

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,。他的這些工作完成于1861年至1865年之間,。

海因里希·魯?shù)婪颉ず掌澰?886年至1888年間首先通過試驗驗證了麥克斯韋的理論,。波動方程,。

1906年圣誕前夜，范信達（Reginald Fessenden）在美國馬薩諸塞州采用外差法實現(xiàn)了歷史上首次無線電廣播,。范信達廣播了他自己用小提琴演奏“平安夜”和朗誦《圣經(jīng)》片段,。位于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(jié)目。

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的理論,。他證明了無線電輻射具有波的所有特性,，并發(fā)現(xiàn)電磁場方程可以用偏微分方程表達，通常稱波動方程,。

1893年,，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）在美國密蘇里州圣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(xié)會”做的報告中，他描述并演示了無線電通信的基本原理,。他所制作的儀器包含電子管發(fā)明之前無線電系統(tǒng)的所有基本要素,。

馬可尼（Guglielmo Marconi）擁有通常被認為是世界上第一個無線電技術(shù)的專利，英國專利12039號,，“電脈沖及信號傳輸技術(shù)的改進以及所需設備”,。

1897年，尼古拉·特斯拉在美國獲得了無線電技術(shù)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，雇傭了大約50人,。然而,，美國專利局于1904年將其專利權(quán)撤銷，轉(zhuǎn)而授予馬可尼發(fā)明無線電的專利,。這一舉動可能是受到馬可尼在美國的經(jīng)濟后盾人物,，包括愛迪生，安德魯·卡耐基影響的結(jié)果,。1909年,，馬可尼和卡爾·菲迪南德·布勞恩（Karl Ferdinand Braun）由于“發(fā)明無線電報的貢獻”獲得諾貝爾物理學獎。

1943年,，在特斯拉去世后不久,，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(fā)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于經(jīng)濟原因,。這樣二戰(zhàn)中的美國政府就可以避免付給馬可尼公司專利使用費。

無線電波應用

無線電最早應用于航海中,，使用摩爾斯電報在船與陸地間傳遞信息,。無線電有著多種應用形式，包括無線數(shù)據(jù)網(wǎng),，各種移動通信以及無線電廣播等,。

以下是一些無線電技術(shù)的主要應用:

航海

廣播的最早形式是航海無線電報。它采用開關控制連續(xù)波的發(fā)射與否,，由此在接收機產(chǎn)生的信號,，即摩爾斯電碼。

*調(diào)幅廣播可以傳播電臺信號,。調(diào)幅廣播采用幅度調(diào)制技術(shù),，即接受的強度越大則電臺發(fā)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(diào)頻廣播可以比調(diào)幅廣播更高的保真度傳播電臺信號,。對頻率調(diào)制而言，帶寬越大對應發(fā)射信號的頻率越高。調(diào)頻廣播工作于甚高頻段（Very High Frequency,，VHF）,。頻段越高，其所擁有的頻率帶寬也越大,，因而可以容納更多的電臺,。同時，波長越短的無線電波的傳播也越接近于光波直線傳播的特性,。

*調(diào)頻廣播的邊帶可以用來傳播數(shù)字信號如,，電臺標識、節(jié)目名稱簡介,、網(wǎng)址、股市信息等,。在有些國家,，當被移動至一個新的地區(qū)后，調(diào)頻收音機可以自動根據(jù)邊帶信息自動尋找原來的頻道,。

*航海和航空中使用的電臺應用VHF調(diào)幅技術(shù),。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(yè)使用的電臺通常在專用頻段上應用窄帶調(diào)頻技術(shù)。這些應用通常使用5KHz的帶寬,。相對于調(diào)頻廣播或電視的帶寬,，保真度上不得不作出犧牲。

*民用或軍用高頻服務使用短波用于船舶,，飛機或孤立地點間的通訊,。大多數(shù)情況下，都使用單邊帶技術(shù),，這樣相對于調(diào)幅技術(shù)可以節(jié)省一半的頻帶,，并更有效地利用發(fā)射功率。

*陸地中繼無線電(Terrestial Trunked Radio, TETRA)是一種為軍隊,、警察,、急救等特殊部門設計的數(shù)字集群電話系統(tǒng)。

*業(yè)余無線電是無線電愛好者參與的無線電臺通訊,。業(yè)余無線電臺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(shù)。有些后來商用的技術(shù),，比如調(diào)頻,，單邊帶調(diào)幅，數(shù)字分組無線電和衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)器，都是由業(yè)余愛好者首先應用的,。

通話

*蜂窩電話或移動電話是當前最普遍應用的無線通信方式,。蜂窩電話覆蓋區(qū)通常分為多個小區(qū)。每個小區(qū)由一個基站發(fā)射機覆蓋,。理論上,，小區(qū)的形狀為蜂窩狀六邊形，這也是蜂窩電話名稱的來源,。當前廣泛使用的移動電話系統(tǒng)標準包括：GSM,，CDMA和TDMA。少數(shù)運營商已經(jīng)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(wèi)星電話存在兩種形式：INMARSAT和銥星系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)都提供全球覆蓋服務,。INMARSAT使用地球同步衛(wèi)星,，需要定向的高增益天線。銥星則是低軌道衛(wèi)星系統(tǒng),，直接使用手機天線

視頻

*通常的模擬電視信號采用將圖像調(diào)幅,，調(diào)頻并合成在同一信號中傳播。

*數(shù)字電視采用MPEG-2圖像壓縮技術(shù),，由此大約僅需模擬電視信號一半的帶寬,。

緊急服務

*無線電緊急定位信標（emergency position indicating radio beacons，EPIRBs）,，緊急定位發(fā)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(wèi)星進行定位的小型無線電發(fā)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(shù)據(jù)傳輸

*數(shù)字微波傳輸設備,、衛(wèi)星等通常采用正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）,。QAM調(diào)制方式同時利用信號的幅度和相位加載信息,。這樣，可以在同樣的帶寬上傳遞更大的數(shù)據(jù)量,。

*EEE802.11是當前無線局域網(wǎng)的標準,。它采用2GHz或5GHz頻段，數(shù)據(jù)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(wèi)星導航系統(tǒng)都使用裝備了精確時鐘的衛(wèi)星。導航衛(wèi)星播發(fā)其位置和定時信息,。接收機同時接受多顆導航衛(wèi)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(wèi)星的距離,，然后計算得出其精確位置。

*Loran系統(tǒng)也使用無線電波的傳播時間進行定位,，不過其發(fā)射臺都位于陸地上,。

*VOR系統(tǒng)通常用于飛行定位。它使用兩臺發(fā)射機,，一臺指向性發(fā)射機始終發(fā)射并象燈塔的射燈一樣按照固定的速率旋轉(zhuǎn),。當指向型發(fā)射機朝向北方時，另一全向發(fā)射機會發(fā)射脈沖,。飛機可以接收兩個VOR臺的信號,，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(huán)形天線來尋找電臺的方向,。

雷達

*雷達通過測量反射無線電波的延遲來推算目標的距離。并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(qū)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(shù)通常應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(fā)射的脈沖經(jīng)過調(diào)制和極化以便確定反射體的表面類型。優(yōu)良的多用途雷達可以辨別暴雨,、陸地,、車輛等等。

*搜索雷達運用短波脈沖掃描目標區(qū)域,，通常每分鐘2－4次,。有些搜索雷達應用多普勒效應可以將移動物體同背景中區(qū)分開來

*尋的雷達采用于搜索雷達類似的原理，不過對較小的區(qū)域進行快速反復掃描,，通?？蛇_每秒鐘幾次。

*氣象雷達與搜索雷達類似,，但使用圓極化波以及水滴易于反射的波長,。有些氣象雷達還利用多普勒效應測量風速。

加熱

*微波爐利用高功率的微波對食物加熱,。（注：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(chǎn)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(chǎn)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(fā)射的無線電波信號可以研究天體的物理,、化學性質(zhì),。這門學科叫射電天文學。