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什么是无线电波? [复制链接]

No.1 什么是无线电波
当人们按照麦克斯韦的预测去寻找时,就真的发现了电磁波,这个我们在电磁波的发现过程一文中有详细的讲解。电磁波根据波长的长短又可分为无线电波,红外光,光波,紫外光和 gamma射线。
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参照百度百科的定义,就是“无线电波是指在自由空间(包括空气和真空)传播的射频频段的电磁波”。
无线电波是频率介于3赫兹和约300G赫之间的电磁波,也作射频电波,或简称射频、射电。无线电技术将声音讯号或其他信号经过转换,利用无线电波传播。射频技术也用在核磁共振上;射频线圈是其研究课题之一。
在这个频率范围内的电磁波,被称为无线电波,在现代技术中被广泛使用,特别是在电信领域。为防止不同用户之间的干扰,无线电波的产生和传输受国际法律的严格管制,由国际电信联盟(ITU)协调。
国际电联为不同的无线电传输技术和应用分配了无线电频谱的不同部分;国际电联“无线电规则”(RR)定义了约40项无线电通信业务。在某些情况下,部分无线电频谱被出售或授权给私人无线电传输业务的运营商(例如蜂窝电话运营商或广播电视台)。分配频率的范围通常通过其提供的使用来提及(例如,蜂窝频谱或电视频谱)。由于是用户数量不断增加的固定资源,近几十年来无线频谱已经越来越拥挤,需要更加有效地利用它,推动现代电信的创新,如扩频(超宽带)传输,频率复用,动态频谱管理,频率汇集和认知无线电。
 

 

No.2 无线电波的波段划分
 
参照如下表格,根据频率划分,无线电波可划分为极低频 ELF,超低频 SLF,特低频ULF,甚低频VFL,低频LF,中频MF,高频HF,甚高频VHF,特高频SHF,超高频SHF和极高频EHF,相应的频率范围如下表所示。根据波长划分,可分为极长波,超长波,特长波,甚长波长波,中波,米波,分米波,厘米波和毫米波。
不同频率,不同波长的无线电波其应用范围也不同。就像我们现在的5G,最初的规划是在毫米波波段,但是由于毫米波的传播特性比较差,大部分又回到了厘米波频率。
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在不同的波段内的无线电波具有不同的传播特性。频率越低,传播损耗越小,覆盖距离越远,绕射能力也越强。但是低频段的频率资源紧张,系统容量有限,因此低频段的无线电波主要应用于广播、电视、寻呼等系统。
高频段频率资源丰富,系统容量大。但是频率越高,传播损耗越大,覆盖距离越近,绕射能力越弱。另外,频率越高,技术难度也越大,系统的成本相应提高。
移动通信系统选择所用频段时要综合考虑覆盖效果和容量。UHF频段与其他频段相比,在覆盖效果和容量之间折衷的比较好,因此被广泛应用于手机等终端的移动通信领域。当然,随着人们对移动通信的需求越来越多,需要的容量越来越大,移动通信系统必然要向高频段发展。
无线电波的速度只随传播介质的电和磁的性质而变化。无线电波在真空中传播的速度,等于光在真空中传播的速度,因为无线电波和光均属于电磁波。无线电波在其他介质中传播的速度为Vε=C/sqrt(ε)。其中ε为传播介质的介电常数。空气的介电常数与真空很接近,略大于1,因此无线电波在空气中的传播速度略小于光速,通常我们近似认为就等于光速。
 
No.3 无线电波的传播
 
无线电波在空间中的传播方式有以下情况:直射、反射、折射、穿透、绕射(衍射)和散射。
对于自由空间,在自由空间中由于没有阻挡,电波传播只有直射,不存在其他现象。
而对于日常生活中的实际传播环境,由于地面存在各种各样的物体,使得电波的传播有直射、反射、绕射(衍射)等,另外对于室内或列车内的用户,还有一部分信号来源于无线电波对建筑的穿透。这些都造成无线电波传播的多样性和复杂性,增大了对电波传播研究的难度。

 

 
直射
直射在视距内可以看做无线电波在自由空间中传播。直射波传播损耗公式同自由空间中的路径损耗公式:PL=32.44+20lgf+20lgd。其中,PL为自由空间的路损,单位是dB。F为载波的频率,单位是MHz。d为发射源与接收点的距离,单位是km。
反射、折射与穿透
在电磁波传播过程中遇到障碍物,当这个障碍物的尺寸远大于电磁波的波长时,电磁波在不同介质的交界处会发生反射和折射。另外,障碍物的介质属性也会对反射产生影响。对于良导体,反射不会带来衰减;对于绝缘体,他只反射入射能量的一部分,剩下的被折射入新的介质继续传播;而对于非理想介质,电磁波贯穿介质,即穿透时,介质会吸收电磁波的能量,产生贯穿衰落。穿透损耗大小不仅与电磁波频率有关,而且与穿透物体的材料、尺寸有关。
一般室内的无线电波信号是穿透分量与绕射分量的叠加,而绕射分量占绝大部分。所以,总的来看,高频信号(例如1800MHz)的室内外电平差比低频信号(800MHz)的室内外电平差要大。并且,低频信号进入室内后,由于穿透能力差一些,在室内进行各种反射后场强分布更均匀;而高频信号进入室内后,部分穿透又穿透出去了,室内信号分布就不太均匀,也就使用户感觉信号波动大。
绕射(衍射)
在电磁波传播过程中遇到障碍物,这个障碍物的尺寸与电磁波的波长接近时,电磁波可以从该物体的边缘绕射过去。绕射可以帮助进行阴影区域的覆盖。
散射
在电磁波传播过程中遇到障碍物,这个障碍物的尺寸小于电磁波的波长,并且单位体积内这种障碍物的数目非常巨大时,会发生散射。散射发生在粗糙物体、小物体或其它不规则物体表面,如树叶、街道标识和灯柱等。
 
不同距离下无线电波的传播
视距传播
无线电波视距传播的一般形式主要是直射波和地面反射波的叠加,结果可能使信号加强,也可能使信号减弱。
由于地球是球形的,受地球曲率半径的影响,视距传播存在一个极限距离Rmax,它受发射天线高度、接收天线高度和地球半径影响。
非视距传播
无线电波非视距传播的一般形式有:绕射波、对流层反射波和电离层反射波。
①绕射波
绕射波是建筑物内部或阴影区域信号的主要来源。绕射波的强度受传播环境影响很大,且频率越高,绕射信号越弱。
②对流层反射波
对流层反射波产生于对流层。对流层是异类介质,由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。对流层反射方式应用于波长小于10米(即频率大于30MHz)的无线通信中。对流层反射波具有极大的随机性。
③电离层反射波
当电波波长大于1米(即频率小于300MHz)时,电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃,因此这种传播用于长距离通信,同对流层一样,电离层也是具有连续波动的特性
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无线电波在陆地移动通信环境下的特点
传播环境的复杂性
由于移动终端的天线高度比较低,传播路径总是受到地形及人为环境的影响,使得接收信号大量的散射、反射或叠加。
传播环境的复杂性体现在地形、人为建筑物、人为噪声干扰的多样性。比如,周围有树林的地形,树叶会造成无线电波大量的散射。而对于城市环境,由街道两旁的高大建筑导致的波导效应,使得街道上沿着传播方向的信号增强,垂直于传播方向的信号减弱,两者相差可达10dB左右。另外,机动车的点火噪声、电力线噪声、工业噪声等人为噪声,都会对接收信号造成干扰。
移动终端的随机移动性
移动终端总是在移动,即使移动终端不动,周围环境也一直在变化,如人、车的移动,风吹动树叶等,使得基站与移动终端之间的传播路径不断发生变化。并且移动终端相对基站的移动方向和移动速度的变化,都会导致信号电平的变化,只能用随机过程的概率分布来描述。
传播的开放性
无线电波传播空间的开放性导致空间干扰现象严重。比较常见的有同频干扰、邻频干扰、互调干扰等。随着频率复用系数的提高,同邻频干扰将成为主要干扰。
 
No.4 无线电波的应用

广播

广播频率:

  • 长波AM收音机= 148.5 kHz - 283.5 kHz(LF)

  • 中波AM收音机= 525 kHz - 1710 kHz(MF)

  • 短波AM收音机= 3 MHz - 30 MHz(HF)

电视和FM广播频率的指定因国家而异。由于VHF和UHF频率对于城市地区的许多用途是合乎需要的,在北美,前电视广播频段的一些部分已被重新分配到蜂窝电话和各种陆地移动通信系统。即使在专用于电视的分配范围内,电视频带设备也使用没有本地广播电台的频道。

美国的Apex频带是VHF音频广播之前的二战分配;在FM广播引入后,它已经过时了。 

空中频带

Airband指VHF频率118至137 MHz,用于与飞机进行导航和语音通信。跨洋航空器还搭载高频无线电和卫星收发器。 

海洋频带应用

无线电发展的最大动力是需要与远离视觉范围的船舶进行通信。从广播初期,大型远洋船只携带着强大的长波和中波发射机。尽管卫星系统已经接管了一些以前由500 kHz和其他频率服务的安全应用,但高频率划分仍然是为船舶指定的。2182 kHz是用于海上应急通信的中波频率。

海洋高频无线电用于沿海水域和船只之间相对短距离的通信和岸上站点。无线电通道化,不同的通道用于不同的目的;海洋通道16用于通话和紧急情况。 

业余无线电频率

业余无线电频率分配在世界各地不尽相同。世界各地的业余爱好者通常有几个频段,通常是频谱的高频部分。其他频段是国家或地区的分配,只是由于其他业务的分配不同,特别是在无线电频谱的VHF和UHF部分。 

公民频段和个人广播服务

公民频段无线电在许多国家被分配,使用频谱较高部分(约27 MHz)的信道化无线电。它用于个人,小型企业和爱好的目的。其他频率分配用于不同地区的类似业务,例如UHF CB在澳大利亚分配。世界各地都有各种各样的个人无线电业务,通常强调个人之间或小型企业之间的短距离通信,不需要许可证,通常使用大约1瓦或更少的FM收发器。 

工业,科学,医疗

ISM频带最初预留用于RF能量的非通信用途,如微波炉,高频加热,和类似的目的。然而,近年来,这些频段的最大用途是短距离低功率通信系统,因为用户不必持有无线电运营商的许可证。无绳电话,无线计算机网络,蓝牙设备和车库开门器都使用ISM频段。ISM设备没有监管保护,不受来自其他用户的干扰。 

陆地频带使用

频段,尤其是VHF和UHF频段的频段,被分配给固定基站和陆地移动车载或便携式收发信机之间的通信。在美国,这些服务被非正式地称为商业波段无线电。另请参见专业移动无线电。

警察无线电和其他公共安全服务,例如消防部门和救护车,一般在VHF和UHF部分都有。中继系统通常用于最有效地利用有限数量的可用频率。

对移动电话服务的需求导致大量无线电频谱被分配到蜂窝频率。 

无线电控制

可靠的无线电控制使用专用于此目的的频段。无线电遥控玩具可能使用27 MHz或49 MHz频段上的未经许可的频谱,但更昂贵的飞机,船只或地面车辆则使用72 MHz附近的专用无线电控制频率,以避免无证用途的干扰。二十一世纪已经开始向2.4千兆赫扩频RC控制系统发展。

有执照的业余无线电操作员在北美使用部分6米频段。起重机或铁路机车的工业遥控器使用指定频率,因地区而异。 

雷达

雷达应用于功率相对较高的脉冲发射机和敏感接收机,所以雷达在不用在其他目的的频带上工作。大多数雷达波段属于微波部分,虽然是气象学的一些重要应用在UHF频段使用功能强大的发射机。无线电波是一种电磁辐射,电磁波谱中的波长比红外光长。无线电波具有高达300GHz的频率,低至3kHz,尽管一些定义将1GHz或3GHz以上的波描述为微波,或者包括任何较低频率的波。在300 GHz时,相应的波长为1 mm(0.039 in),在3 kHz时为100 km(62 mi)。像所有其他电磁波一样,它们以光速行进。自然产生的无线电波是由闪电或天文物体产生的。

人工生成的无线电波用于固定和移动无线电通信,广播,雷达和其他导航系统,通信卫星,计算机网络和其他应用。无线电波由无线电发射机产生并由无线电接收机接收。不同频率的无线电波在地球大气层具有不同的传播特性;长波可以围绕像山脉一样的障碍物衍射,并沿着地球的轮廓(地波),较短的波可以反射离开电离层,并在地平线(天波)之外返回地球,而更短的波长弯曲或衍射很少,一个视线,所以他们的传播距离被限制在视界。

为防止不同用户之间的干扰,无线电波的人工生成和使用受到法律的严格管制,由一个称为国际电信联盟(ITU)的国际机构协调,无线电频谱根据频率划分为多个无线电频段,分配给不同的用途。

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射频【放大器】


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谢谢分享

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谢谢分享,太全拉,学习学习。


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