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当前位置:第一节 电磁波
作者：未知来源：中央电教馆时间：2006/4/5 10:03:00阅读：nyq
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无线电波的传播特性
传播特性（一）
移动通信的一个重要基础是无线电波的传播，无线电波通过多种方式从发射天线传播到接收天线，我们按照无线电波的波长人为地把电波分为长波（波长1000米以上），中波（波长100-1000米），短波（波长10-100米），超短波和微波（波长为10米以下）等等.为了更好地说明移动通信的问题，我们先介绍一下电波的各种传播方式：
1．表面波传播
表面波传播是指电波沿着地球表面传播情况.这时电波是紧靠着地面传播的，地面的性质，地貌，地物等的情况都会影响着电波的传播.
当电波紧靠着实际地面--起伏不平的地面传播时，由于地表面是半导体，因此一方面使电波发生变化和引起电波的吸收.另一方面由于地球表面是球型，使沿它传播的电波发生绕射.
从物理课程中我们已经知道，只有当波长与障碍物高度可以比较的时候，才能有绕射功能.由此可知，在实际情况中只有长波，中波以及短波的部分波段能绕过地球表面的大部分障碍到达较远的地方.在短波的部分波段和超短波，微波波段，由于障碍高度比波长大，因而电波在地面上不绕射，而是按直线传播.
2．天波传播
短波能传至地球上较远的地方，这种现象并不能用绕射或其他的现象做解释.直到1925年，利用在地面上垂直向上发射一个脉冲，并收到其反射回波，才直接证明了高层大气中存在电离层.籍此电离层的反射作用，电波在地面与电离层之间来回反射传播至较远的地方.我们把经过电离层反射到地面的电波叫天波.
电离层是指分布在地球周围的大气层中，60km以上的电离区域.在这个区域中，存在有大量的自由电子与正离子，还可能有大量的负离子，以及未被电离的中性离子.发现电离层后，尤其近三四十年来，随着火箭与卫星技术的发展，利用这些工具对电离层进行了深入的试验和研究.当前电离层的研究已经成为空间物理的一个重要的组成部分，其研究的空间范围和频段也日益宽广.
在电离层中，当被调制的无线电波信号在电离层内传播时，组成信号的不同频率成分有着不同的传播速度.所以波形会发生失真.这就是电离层的色散性.同时，由于自由电子受电波电场作用而发生运动，所以当电波经过电离层，其能量会被吸收一部分.而且，从电离层吸收电波的规律看，若使用电波的工作频率太低，则电离层对电波的吸收作用很强.所以天波传播中有一个最低可用频率，低于这个频率，就会因为电离层对电波的吸收作用太大而无法工作.
传播特性（二）
1．空间波传播
当发射以及接收天线架设得较高的时候，在视线范围内，电磁波直接从发射天线传播到接收天线，另外还可以经地面反射而到达接收天线.所以接收天线处的场强是直接波和反射波的合成场强，直接波不受地面影响，地面反射波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形的影响.
空间波在大气的底层传播，传播的距离受到地球曲率的影响.收，发天线之间的最大距离被限制在视线范围内，要扩大通信距离，就必须增加天线高度.一般地说，视线距离可以达到50km左右.
空间波除了受地面的影响以外，还受到低空大气层即对流层的影响.
移动通信中，电波主要以空间波的形式传播.类似的还有微波传播.
2．散射传播
大气对流层中，除了有规则的片状或层状气流外，还存在有不规则的，这类似于水流中漩涡的不均匀体.相应的，在电离层中则有电子密度的不均匀性.当天线辐射出去的电波，投射到这些不均匀体的时候，类似于光的散射和反射现象，电波发生散射或反射，一部分能量传播到接收点的这种传播称为散射传播.这种通信方式通信距离可达300－800km,适用于无法建立微波中继站的地区，例如用于海岛之间和跨越湖泊，沙漠，雪山等地区.但是，由于散射信号相当微弱，所以散射传播接收点的接收信号也相当微弱，即传播损耗很大，这样，散射通信必须采用大功率发射机，高灵敏度接收机和高增益天线.
3．外层空间传播
电磁波由地面发出（或返回），经低空大气层和电离层而到达外层空间的传播，如卫星传播，宇宙探测等均属于这种远距离传播.由于电磁波传播的距离很远，且主要是在大气以外的宇宙空间内进行，而宇宙空间近似于真空状态，因而电波在其中传播时，它的传输特性比较稳定.我们可以把电波穿过电离层外面的空间传播，基本上当作自由空间中的传播来研究.至于电波在大气层中传播所受到的影响，可以在考虑这一简单的情况基础上加以修正.
传播特性（三）
前面我们对电磁波的各种传播方式做了介绍，在这里，我们简单地介绍一下各个波段的传播特点，我们按照无线电波的波长人为地把电波分为长波（波长1000米以上），中波（波长100-1000米），短波（波长10-100米），超短波和微波（波长为10米以下）等等.各个波段的传播特点如下：
1．长波传播的特点
由于长波的波长很长，地面的凹凸与其他参数的变化对长波传播的影响可以忽略.在通信距离小于300km时，到达接收点的电波，基本上是表面波.长波穿入电离层的深度很浅，受电离层变化的影响很小，电离层对长波的吸收也不大.因而长波的传播比较稳定.虽然长波通信在接收点的场强相当稳定，但是它有两个重要的缺点：
①由于表面波衰减慢，发射台发出的表面波对其他接受台干扰很强烈.
②天电干扰对长波的接收影响严重，特别是雷雨较多的夏季.
2．中波传播的特点
中波能以表面波或天波的形式传播，这一点和长波一样.但长波穿入电离层极浅，在电离层的下界面即能反射.中波较长波频率高，故需要在比较深入的电离层处才能发生反射.波长在3000－2000米的无线电通信，用无线或表面波传播，接收场强都很稳定，可用以完成可靠的通信，如船舶通信与导航等.波长在2000－200m的中短波主要用于广播，故此波段又称广播波段.
3．短波传播的特点
与长，中波一样，短波可以靠表面波和天波传播.由于短波频率较高，地面吸收较强，用表面波传播时，衰减很快，在一般情况下，短波的表面波传播的距离只有几十公里，不适合作远距离通信和广播之用.与表面波相反，频率增高，天波在电离层中的损耗却减小.因此可利用电离层对天波的一次或多次反射，进行远距离无线电通信.
4．超短波和微波传播的特点
超短波，微波的频率很高，表面波衰减很大；电波穿入电离层很深，甚至不能反射回来，所以超短波，微波一般不用表面波，天波的传播方式，而只能用空间波，散射波和穿透外层空间的传播方式.超短波，微波，由于他们的频带很宽，因此应用很广.超短波广泛应用于电视，调频广播，雷达等方面.利用微波通信时，可同时传送几千路电话或几套电视节目而互不干扰.
超短波和微波在传播特点上有一些差别，但基本上是相同的，主要是在低空大气层做视距传播.因此，为了增大通信距离，一般把天线架高.
电磁波无所不在
在日新月异的工业社会里，我们的生活中已经少不了电器用品了，而家里的电风扇、吹风机、果汁机、微波炉等都会放出电磁波，且电磁波对人体有害！电磁波又是什么东西呢？你理解吗？住家若靠近高压电线，会使我们得到癌症的机会增加吗？对于这些生活中无形的电磁波，我们该如何来预防呢?
什么是电磁波呢？大家应当记得在学校做磁铁实验时，会发现磁铁的磁场穿透力非常强，无论是薄木片、垫板、铁片、铝箔纸或手掌等，都无法阻隔磁力.电磁波中的磁场，也和磁铁的磁场一样，是无孔不入且具有很强的穿透力.
电磁波由于其频率会变化，例如家中的交流电，其频率是每秒正、负极变动50次，也就是说磁场的方向是每秒南、北极变动50次，可使人体产生电流流动，因此容易引起人体的伤害.而一般使用的小磁铁，由于其南、北极方向是固定的，所以不至于对人体产生伤害.
生活环境中充满了电磁波，只要是使用电的电器用品，都会放出电磁波.墙壁中看不见的电线，也会使电磁波检测笔哔哔叫.所以睡觉时不要太靠近装有电线的墙壁，以免因电磁波影响而无法好好睡一觉.
而现代人人手一部手机，它的电磁波其实是很强的.在计算机前拨通手机，大家往往会发现计算机屏幕闪烁不已.又在打开的收音机前拨通手机，收音机也受到很大的干扰.
微波炉的微波也是很强的电磁波，有人曾经做过实验，发现微波抑制了植物的生长！这个实验是将4盆绿豆苗分别放入微波炉中照射微波5秒、10秒、15秒、20秒后，移出置于空旷处.另外一盆完全不照射微波做为实验控制组.
观察这5盆绿豆芽每天的生长进度，发现不受微波照射的实验控制组，绿豆苗生长正常.经微波照射过后的植物，只有照射5秒的一盆尚有存活力，其它一概陆续枯萎，可见微波对生物的杀伤力.虽然如此，微波过的食物仍可食入，绝不会吃进微波的！
另外也有人做微波使鱼眼变白的实验，将鱼眼睛放入微波炉中，照射微波九秒后观察鱼眼睛的变化.发现微波使鱼眼睛煮熟了. 而当人的眼睛暴露在微波中，人眼睛中的水晶体也会和鱼眼睛一样变白，于是再也看不见东西了，这就是所谓的白内障.
因此当使用微波炉煮点心时，千万不要在微波炉的玻璃门外看着，以免视力会越来越差.
电磁波这么可怕，我们该怎么预防呢？
（一）拔掉插头可防止电磁波： 电器用品不使用时，最好将插头拔掉，避免室内环境受到电磁波的侵害.
（二）保持距离可减少电磁波： 没错，距离越远，电磁波强度越弱.所以在使用电器用品像计算机、电视、电风扇、吹风机、微波炉、电磁炉时，都要远离这些电器用品，以策安全.
赫兹与电磁波
赫兹是一个短命的物理学家.他于1894年逝世时，年仅37岁，这无疑是物理学界的巨大损失.他从21岁考人柏林大学直到不幸去世，进行科学研究不足15年，然而却建立了永垂青史的功绩.
赫兹以前，由法拉第发现、麦克斯韦完成的电磁理论，因为未经一系列的科学实验证明，始终处于“预想”阶段.把天才的预想变成世人公认的真理，是赫兹的功劳.赫兹在人类历史上首先捕捉到电磁波，使假说变成现实.
要获得电磁波，就必须建立一个辐射电磁波源，这个电磁波辐射源还应当有足够的功率.名师出高徒，赫兹的恩师赫尔姆霍茨是一位理论和实验俱佳的卓越物理学家.在他的指导和帮助下，赫兹很快制成了电磁波辐射源，当时它被称作赫兹振荡器.
当实验设备基本备齐以后，赫兹投入了实验过程.这时，他作为卡尔斯鲁厄大学的年轻教授，每周需承担20多节课的教学任务，这使他只能从课余挤时间进行实验.
这一天，赫兹正在上课.
“今天的课就讲到这里，再见，先生们！”赫兹教授说完，急忙将几页记得密密麻麻的记录纸准备好，焦急地等待最后一个学生离开教室.到下一节课还有三个小时，这段时间应该好好的利用，再作一次实验.
“卡尔，我们开始吧！”他呼唤一直等候他的技师.二人很快把教室讲台当成实验台.这里是赫兹作试验的唯一场所，因为卡尔斯鲁厄大学给他的地方太小了.
赫兹习惯性地首先检查谐振器，将谐振器放到高振荡器有一.定距离的地方，使谐振器的平面与振荡器上放电器的轴相吻合.实验开始，赫兹和技师卡尔立刻忙碌起来，过了一个多小时，火花还是没有迸发出来.当把各种可能发生的情况，都进行检查后仍然毫无结果，他们疲惫不堪地坐在桌旁.
赫兹已经记不得这是第几次失败了.从一开始实验，他就像与成功无缘似的，麦克斯韦预言过，电磁振荡波一样可以折射、反射，具有波的一切属性.
在这个房间，他借助振荡器和谐振器已经证实了从电磁辐射源发出的电磁场，就是电磁波.可是，现在他想证明电磁波具有像光一样的反射性能，他打算把 反射的电磁波记录下来，然而却一直没有成功.
冥思苦想，新的思路终于诞生了.经过调谐电磁辐射源的内部要素，加大每秒钟振荡的次数，赫兹终于证明了电磁波具有光一样的反射性能.在以后的工作中，赫兹悉心研究了电磁波的折射、干涉、偏振和衍射等现象，并且证明了它们的传播速度等于光速，这样，赫兹第一个证实了光从其本质上说也是一种电磁波的问题.
1898年，赫兹在应邀担任波恩大学物理学教授的赴任途中，欣闻自己的著作《论电力射线》已经出版，感到无限欣慰.
发现电磁波产生的巨大影响，连赫兹本人也没料到.在他发现电磁波的第二年，有人问他，电磁波是否可以用作无线电通讯，赫兹不敢肯定.赫兹研究电磁波无意中丢下的种子，却很快在异地开花结果了.
在发现电磁波不到 6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现厂无线电传播，并很快投人实际使用.其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世.无线电报（1894年）、 无线电广播（1906年）、无线电导航（1911年）、无线电话（1916年）、短波通讯（1921年）、无线电传真（1923年）、电视（1929年）、微波通讯（1933年）、雷达（1935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学 ……它们使整个世界面貌发生了深刻的变化.
赫兹关于电磁波的实验，为无线电技术的发展开拓了新的道路，构成了现代文明的骨架，后人为了纪念他，把频率的单位定为赫兹.
家中的电磁波
随着电器使用率愈来愈普及，电磁波对人体影响也愈来愈大，家庭电器、移动电话、计算机设备及高压电线已成为电磁波四大滋生源，所产生的辐射对人体伤害最重，应该养成防范的习惯，否则将成为身体健康上最不利的祸源.
除了使用最普遍的手机电磁波之外，其实，家庭电器、计算机设备及高压电线的辐射对人体伤害也很重，举凡客厅中的电视、厨房中的电磁炉与微波炉，产生的辐射会使身体产生大量的氧游离基及酸化，长久下来会致癌；也易引发老年痴呆症、关节炎、心脏病、脑中风等疾病；另外计算机设备及高压电线会增加血癌、脑癌及乳癌的发生率二至三倍.
电磁波辐射能量较低，不会使物质发生游离现象，也不会直接破坏环境物质，但在到处充满电子讯用品器材的现代生活，其电磁干扰特性却不可掉以轻心，因为它随时可能使人面临危害的境地.电磁波的危害长时间使用计算机之后，会感到身体疲劳、眼睛疲倦、肩痛、头痛、想睡、不安，这些都是受了电磁波的影响.电磁波还会使人的免疫机能下降、人体中的钙质减少，并引致异常生产、流产、视觉障碍、阻碍细胞分裂如癌、白血病、脑肿瘤……等.此外，电磁波会散发出一种扰乱人体状态的正离子.
经实验研究和调查观察结果表明，电磁辐射对健康的危害是多方面的，复杂的，主要危害表现如下：
１. 对中枢神经系统的危害
神经系统对电磁辐射的作用很敏感，受其低强度反复作用后，中枢神经系统机能发生改变，出现神经衰弱症候群，主要表现有头痛，头晕，无力，记忆力减退，睡眠障碍（失眠，多梦或嗜睡），白天打瞌睡，易激动，多汗，心悸，胸闷，脱发等，尤其是入睡困难，无力，多汗和记忆力减退更为突出．这些均说明大脑是抑制过程占优势．所以受害者除有上述症候群外，还表现有短时间记忆力减退，视觉运动反应时值明显延长；手脑协调动作差，表现对数字划记速度减慢，出现错误较多.
２. 对机体免疫功能的危害
使身体抵抗力下降．动物实验和对人群受辐射作用的研究和调查表明，人体的白血球吞噬细菌的百分率和吞噬的细菌数均下降．此外受电磁辐射长期作用的人，其抗体形成受到明显抑制．
３.对心血管系统的影响
受电磁辐射作用的人，常发生血液动力学失调，血管通透性和张力降低．由于植物神经调节功能受到影响，人们多以心动过缓症状出现，少数呈现心动过速．受害者出现血压波动，开始升高，后又回复至正常，最后出现血压偏低；心电图出现R T 波的电压下降，这是迷走神经的过敏反应，也是心肌营养障碍的结果；P?Q间的延长，P波加宽，说明房室传导不良．此外，长期受电磁辐射作用的人，其心血管系统的疾病，会更早更易促使其发生和发展．
４.对血液系统的影响
在电磁辐射的作用下，周围血像可出现白血球不稳定，主要是下降倾向，白血球减少．红血球的生成受到抑制，出现网状红血球减少．对操纵雷达的人健康调查结果表明，多数人出现白血球降低．此外，当无线电波和放射线同时作用人体时，对血液系统的作用较单一因素作用可产生更明显的伤害.
５.对视觉系统的影响
眼组织含有大量的水份，易吸收电磁辐射功率，而且眼的血流量少，故在电磁辐射作用下，眼球的温度易升高．温度升高是造成产生白内障的主要条件，温度上升导玫眼晶状体蛋白质凝固，多数学者认为，较低强度的微波长期作用，可以加速晶状体的衰老和混浊，并有可能使有色视野缩小和暗适应时间延长，造成某些视觉障碍．此外，长期低强度电磁辐射的作用，可促使视觉疲劳，眼感到不舒适和眼感干燥等现象
6.电磁辐射的致癌和致癌作用
大部份实验动物经微波作用后，可以使癌的发生率上升．一些微波生物学家的实验表明，电磁辐射会促使人体内的（遗传基因），微粒细胞染色体发生突变和有丝分裂异常，而使某些组织出现病理性增生过程，使正常细胞变为癌细胞．美国驻国外一大使馆人员长期受到微波窃听所发射的高度电磁辐射的作用，造成大使馆人员白血球数上升，癌发生率较正常人为高．又如受高功率远程微波雷达影响下的地区，经调查，当地癌患者急增．微波对人体组织的致热效应，不仅可以用来进行理疗，还可以用来治疗癌症，使癌组织中心温度上升，而破坏了癌细胞的增生．
除上述的电磁辐射对健康的危害外，它还对生殖系统，内分泌系统，听觉，物质代谢，组织器官的形态改变，均可产生不良影响.