無線電[自由空間傳播的電磁波]

無線電[自由空間傳播的電磁波]

無線電[自由空間傳播的電磁波]
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無線電是指在所有自由空間(包括空氣和真空)傳播的電磁波,是其中的一個有限頻帶,上限頻率在3THz(太赫茲),下限頻率較不統一, 在各種射頻規範書, 常見的有3KHz~3THz(ITU-國際電信聯盟規定),9KHz~3THz,10KHz~3THz。

基本信息

發展歷程

發明過程

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。他的這些工作完成於1861年至1865年之間。

無線電 無線電

1864年,英國科學家麥克斯韋在總結前人研究電磁現象的基礎上,建立了完整的電磁波理論。他斷定電磁波的存在,推導出電磁波與光具有同樣的傳播速度。1887年德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在。之後,人們又進行了許多實驗,不僅證明光是一種電磁波,而且發現了更多形式的電磁波,它們的本質完全相同,只是波長和頻率有很大的差別。

海因里希·魯道夫·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,並發現電磁場方程可以用偏微分方程表達,通常稱為波動方程。

無線電的發明人是美籍塞爾維亞裔科學家尼古拉·特斯拉 。

1893年,尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)在美國密蘇里州聖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”以及全國電燈協會做的報告中,他描述並演示了無線電通信的基本原理。他所製作的儀器包含電子管發明之前無線電系統的所有基本要素。尼古拉·特斯拉於1897年在美國獲得了無線電技術的專利。然而,美國專利局於1904年將其專利權撤銷,轉而授予馬可尼發明無線電的專利。這一舉動可能是受到馬可尼在美國的經濟後盾人物,包括托馬斯·愛迪生,安德魯·卡耐基影響的結果。

1906年聖誕前夜,雷吉納德·菲森登(Reginald Fessenden)在美國麻薩諸塞州採用外差法實現了歷史上首次無線電廣播。菲森登廣播了他自己用小提琴演奏“平安夜”和朗誦《聖經》片段。位於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目。

古列爾莫·馬可尼(Guglielmo Marconi)(又譯伽利爾摩·馬可尼)擁有通常被認為是世界上第一個無線電技術的專利,英國專利12039號,“電脈衝及信號傳輸技術的改進以及所需設備”,實際上馬可尼只是改進了無線電。

無線電 無線電

1909年,馬可尼和卡爾·費迪南德·布勞恩(Karl Ferdinand Braun)由於“發明無線電報的貢獻”獲得諾貝爾物理學獎。1943年,在尼古拉·特斯拉去世後不久,美國最高法院重新認定尼古拉·特斯拉的專利有效,宣布馬可尼的無線電專利無效。美國最高法院承認了尼古拉·特斯拉的發明在馬可尼的專利之前就已完成,認可他對無線電關鍵技術的專利優先權。有些人認為作出這一決定是出於經濟原因,這樣二戰中的美國政府就可以避免付給馬可尼公司專利使用費。

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,僱傭了大約50人。

無線電經歷了從電子管到電晶體,再到積體電路,從短波到超短波,再到微波,從模擬方式到數字方式,從固定使用到移動使用等各個發展階段,無線電技術已成為現代信息社會的重要支柱。

還有俄國發明家波波夫,俄羅斯人認為他在1895年也發明了無線電。

無線電 無線電

無線電的誕生在一百多年前,“嘀、嘀、嘀”三聲微弱而短促的訊號,通過電波傳過2500公里的大西洋對岸,從此向世界宣布了無線電的誕生。那是1901年12月12日,紮營守候在位於加拿大東南角的紐芬蘭(Newfoundland)訊號山(SignalHill)的馬可尼,用氣球和風箏架設接收天線,終於接收到從英國西南角的寶竇(Poldhu),用大功率發射電台傳送“S”字元的國際莫爾斯電碼。這是有史以來第一次人類跨過大西洋的無線電通訊,這個實驗向世人說明了無線電再也不是僅限於實驗室的新奇東西,而是一種實用的通訊媒介。這一訊息轟動了全球,激發了廣大無線電愛好者濃厚興趣,推動了業餘無線電運動蓬勃發展。

雖然馬可尼的試驗結果令人相當振奮,可是當時一般人認為無線電行徑類似光波,發射之後,絕對是呈直線前進,從英國到加拿大,再怎么說一定是無法完成直線的無線電通訊(因為地球表面是弧形的),當時的科學理論更證明,從英國發射後的無線電波一定直驅太空,怎么可能達加拿大?可是從馬可尼用簡陋的無線電設備征服長距離通訊的試驗記錄看來,白天,訊號可以遠達700英哩,晚間更遠達2,000英哩以上,這些試驗數據,使得以往的理論所推展出來的必然結果,開始發生動搖了。

與此同時KENNELLY君及HEAVISIDE君不約而同地分別提出了同樣的看法:就是在地球大氣層中有電子層的存在,它可以像鏡子般,把無線電折射回地球,而不致於直奔太空,由於這種折射回返的訊號,使得遠方的電台才得以互相通訊,這種對無線電波有如鏡子般作用的電子層稱做KENNELLYHEAVISIDE層,但現今一般稱之為電離層(lonosphre),而短波之所以如此發達就是受了電離層之賜。

從一九二五年開始,許多科學家便開始進行電離層的探堪工作,經由向電離層發射無線電脈衝訊號,然後從電離層折反的回聲(Echo)中,可以了解到電離層的自然現象,所得到的結果就是:地球上空的電離層就像是一把大傘涵蓋了地球,而且隨著白天或夜晚或季節的變化而變動,同時發現某些頻率可以穿過電離層,而有些頻率則以不同角度折返地表,雖然對電離層已經掀開了面紗而有了某種程度的了解,使得短波的國際通訊有了很大的發展,但是這六十多年來,科學家均不放過任何繼續研究電離層的機會,甚至火箭發射、人造衛星試驗及最近的太空梭飛行,均設計有某些實驗,以期能更進一步了解電離層,借超高速電腦的幫助,透過假設的模型最後希望能夠像氣象般,可以預測未來幾天的電離層狀況。

無線電的發展史,在很大程度上就是人們對各波段進行研究、運用的歷史。首先被運用的是長波段,因為長波在地表激起的感生電流小、電波能量損失小,而且能夠繞過障礙物。但長波的天線設備龐大、昂貴,通訊容量小,這促使人們尋求新的通訊波段。二十世紀20年代,業餘無線電愛好者發現短波能傳播到很遠的距離。1931年出現了電離層理論,電離層正象赫茲所說的鏡子。它最適於反射短波。短波電台既經濟又輕便,它在電訊和廣播中得到了普遍套用。但是電離層受氣象、太陽活動及人類活動的影響,使通信質量和可靠性下降,此外短波段容量也滿足不了日益增長的需要。短波段為3MHz~30MHz,按每個短波台占4KHz頻帶計算,僅能容納幾千個電台,每個國家只能分得很有限的電台數,電視台(8MHz)就更擠不下了。從二十世紀40年代開始,世界上發展了微波技術。微波已接近光頻,它沿直線傳播,而且能穿過電離層不被反射,所以微波需經中繼站或通訊衛星將它反射後傳播到預定的遠方。

傳進中國

光緒二十三年四月一日(1897年5月2日)《時務報》第25冊刊出譯文《無線電報》,這是無線電報一詞在中國的最早出現。自此,拉開了無線電報經由期刊傳播的序幕。早期的無線電報技術傳播主要以綜合類期刊為主,多為介紹新鮮事物的文章,隨後才出現了介紹原理的科技類論文,其中不乏最新的技術及發明的篇目。隨著無線電報技術的發展,在期刊中傳播的內容也有所變化,出現了諸多法令性的文章。從晚清後期期刊中傳播的文章來看,已自成體系,為其今後專業期刊的出現以及學科建制的形成奠定了理論基礎。

原理

無線電 無線電

無線電技術是通過無線電波傳播信號的技術。無線電技術的原理在於,導體中電流強弱的改變會產生無線電波。利用這一現象,通過調製可將信息載入於無線電波之上。當電波通過空間傳播到達收信端,電波引起的電磁場變化又會在導體中產生電流。通過解調將信息從電流變化中提取出來,就達到了信息傳遞的目的。

用途

無線電的最早套用於航海中,使用摩爾斯電報在船與陸地間傳遞信息。無線電有著多種套用形式,包括無線數據網,各種移動通信以及無線電廣播等。

以下是一些無線電技術的主要套用:

通信

無線通信在現代通信中占據著極其重要的位置,幾乎任何領域都使用無線通信,包括有商業、氣象、金融、軍事、工業、民用等。我們可從通信系統、調製方式、多址方式等幾方面可看到無線通信系統種類的繁多。 類 別 種 類 通信系統 衛星通信系統、蜂窩移動通信系統、無線尋呼系統、短波通信系統、微波通信系統等 調製方式 AM、FM、LSB、USB、ISB、FSK、PSK、MSK、GMSK、QAM等 多址方式 時分多址(TDMA)、頻分多址( FDMA)和碼分多址(CDMA)等。

1.聲音

* 聲音廣播的最早形式是航海無線電報。它採用開關控制連續波的發射與否,由此在接收機產生斷續的聲音信號,即摩爾斯電碼。

* 調幅廣播可以傳播音樂和聲音。調幅廣播採用幅度調製技術,即話筒處接受的音量越大則電台發射的能量也越大。這樣的信號容易受到諸如閃電或其他干擾源的干擾。

* 調頻廣播可以比調幅廣播更高的保真度傳播音樂和聲音。對頻率調製而言,話筒處接受的音量越大對應發射信號的頻率越高。調頻廣播工作於甚高頻段(Very High Frequency,VHF)。頻段越高,其所擁有的頻率頻寬也越大,因而可以容納更多的電台。同時,波長越短的無線電波的傳播也越接近於光波直線傳播的特性。

* 調頻廣播的邊帶可以用來傳播數位訊號如,電台標識、節目名稱簡介、網址、股市信息等。在有些國家,當被移動至一個新的地區後,調頻收音機可以自動根據邊帶信息自動尋找原來的頻道。

* 航海和航空中使用的話音電台套用VHF調幅技術。這使得飛機和船舶上可以使用輕型天線。

* 政府、消防、警察和商業使用的電台通常在專用頻段上套用窄帶調頻技術。這些套用通常使用5KHz的頻寬。相對於調頻廣播或電視伴音的16KHz頻寬,保真度上不得不作出犧牲。

* 民用或軍用高頻話音服務使用短波用於船舶,飛機或孤立地點間的通訊。大多數情況下,都使用單邊帶技術,這樣相對於調幅技術可以節省一半的頻帶,並更有效地利用發射功率。

* 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字集群電話系統。

2.電話

* 蜂窩電話或行動電話是當前最普遍套用的無線通信方式。蜂窩電話覆蓋區通常分為多個小區。每個小區由一個基站發射機覆蓋。理論上,小區的形狀為蜂窩狀六邊形,這也是蜂窩電話名稱的來源。當前廣泛使用的行動電話系統標準包括:GSM,CDMA和TDMA以及LTE。運營商提供的3G移動通信服務,其主導標準為UMTS和CDMA2000,運營商提供的4G移動通信服務TD-LTE和FDD-LTE。

* 衛星電話存在兩種形式:INMARSAT 和銥星系統。兩種系統都提供全球覆蓋服務。 INMARSAT使用地球同步衛星,需要定向的高增益天線。銥星則是低軌道衛星系統,直接使用手機天線

3.電視

* 通常的模擬電視信號採用將圖像調幅,伴音調頻併合成在同一信號中傳播。

* 數位電視採用MPEG-2圖像壓縮技術,由此大約僅需模擬電視信號一半的頻寬。

4.緊急服務

* 無線電緊急定位信標(emergency position indicating radio beacons,EPIRBs),緊急定位發射機或 個人定位信標是用來在緊急情況下對人員或測量通過衛星進行定位的小型無線電發射機。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。

5.數據傳輸

* 數字微波傳輸設備、衛星等通常採用正交幅度調製(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)。QAM調製方式同時利用信號的幅度和相位載入信息。這樣,可以在同樣的頻寬上傳遞更大的數據量。

* IEEE 802.11是當前無線區域網路(Wireless Local Area Network,WLAN)的標準。它採用2GHz或5GHz頻段,數據傳輸速率為11 Mbps或54 Mbps。

* 藍牙(Bluetooth)是一種短距離無線通訊的技術。

6.辨識

* 利用主動及被動無線電裝置可以辨識以及表明物體身份。(參見射頻識別)

7.其它

* 業餘無線電是無線電愛好者參與的無線電台通訊。業餘無線電台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。有些後來商用的技術,比如調頻,上邊帶調幅,數字分組無線電和衛星信號轉發器,都是由業餘愛好者首先套用的。

導航

所有的衛星導航系統都使用裝備了精確時鐘的衛星。導航衛星播發其位置和定時信息。接收機同時接受多顆導航衛星的信號。接收機通過測量電波的傳播時間得出它到各個衛星的距離,然後計算得出其精確位置。

Loran系統也使用無線電波的傳播時間進行定位,不過其發射台都位於陸地上。

VOR系統通常用於飛行定位。它使用兩台發射機,一台指向性發射機始終發射並象燈塔的射燈一樣按照固定的速率鏇轉。當指向型發射機朝向北方時,另一全向發射機會發射脈衝。飛機可以接收兩個VOR台的信號,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形天線來尋找電台的方向。

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。並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。這種技術通常套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,其所發射的脈衝經過調製和極化以便確定反射體的表面類型。優良的多用途雷達可以辨別暴雨、陸地、車輛等等。

搜尋雷達運用短波脈衝掃描目標區域,通常每分鐘2-4次。有些搜尋雷達套用都卜勒效應可以將移動物體同背景中區分開來

尋的雷達採用於搜尋雷達類似的原理,不過對較小的區域進行快速反覆掃描,通常可達每秒鐘幾次。

氣象雷達與搜尋雷達類似,但使用圓極化波以及水滴易於反射的波長。風廓線雷達利用都卜勒效應測量風速,都卜勒雷達利用都卜勒效應檢測災害性天氣。

加熱

微波爐利用高功率的微波對食物加熱。(註: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。)

電力傳輸

日本科學家提出了在太空中建立大型的太陽能電站,將電能轉化為微波送回地球。

2007年06月08日新浪科技新浪科技訊台北時間6月8日訊息,據英國《泰晤士報》報導,美國麻省理工學院的科學家們完成了一項實驗,他們使用兩個相距2米的銅線圈,成功地通過無線電力傳輸點亮了一個功率為60瓦的電燈泡。

動力

無線電波可以產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射的無線電波信號可以研究天體的物理、化學性質。這門學科叫射電天文學。

基礎知識

電磁波

無線電 無線電

(1)產生:當導體中通過迅速變化的電流時,導體就會向它周圍的空間發射電磁波。

(2)傳播:電磁波的傳播不需要介質,可以在真空中傳播,也可在介質中傳播。無線電通信中使用的電磁波叫無線電波,是頻率在一定範圍內的電磁波。(3)頻率、波長、波速間的關係:電磁波在真空中傳播的速度與光速相同,在空氣中傳播的速度和在真空中近似。頻率、波長、波速三者間的關係為波速=波長x頻率(或波速=波長/周期),用字母表示為v=λf(或v=λ/t)。

波段套用

波段(頻段)符號波長範圍頻率範圍套用範圍
超長波(甚低頻)VLF100000-10000m3-30kHz 海岸:潛艇通信 海上導航
長波(低頻)LF10000-1000m30-300kHz 大氣層內中等距離通信 地下岩層通信 海上導航
中波(中頻)MF1000-100m300-3000kHz 廣播 海上導航
短波(高頻)HF100-10m3-30MHz 遠距離短波通信 短波廣播
超短波(甚高頻)VHF10-1m30-300MHz 電離層散射通信(30-60MHz) 流星余跡通信(30-100MHz) 人造電離層通信(30-144MHz) 對大氣層內、外空間飛行體(飛機、飛彈、衛星)的通信 對大氣層內電視、雷達、導航、移動通信
分米波(特高頻)UHF1-0.1m300-3000MHz 對流層工散射通信(700-1000MHz) 小容量(8-12路)微波接力通信(352-420MHz) 中容量(120路)微波接力通信(1700-2400MHz)
厘米波(超高頻)SHF10-1cm3-30GHz 大容量(2500路、6000路)微波接力通信(3600-4200MHz,5850-8500MHz) 數字通信 衛星通信 波導通信
毫米波(極高頻)EHF10-1mm30-3THz穿入大氣層時的通信

無線電廣播和電視

(1)無線電波是一種信息運載工具,利用它來傳遞聲音信號和圖像信號。

(2)發射過程(電台和電視台完成)。

(3)接收過程(收音機和電視機完成)。

頻率範圍

無線電頻率

無線電波含有迅速振動的磁場。振動的速度就是波的頻率,以赫茲(Hz)為單位。1赫茲等於每秒振動一下。一千赫(kHz)等於1000赫茲。不同頻率的波段用來發射各種不同的信息。

無線電頻帶

無線電按波長和頻率分

長波:波長>1000,頻率300KHz-30KHz

中波:波長100M-1000M,頻率300KHz-3000KHz

短波:波長100M-10M,頻率3MHz~30MHz

超短波:波長1M-10M,頻率30MHz-300MHz,亦稱甚高頻(VHF)波、米波

微波:波長1M-0.1MM,頻率300MHz-3THz,

無線電按用途分:民用、商用、軍用。

民用:一般指我們聽得無線廣播,一般沒有這樣高的波段

商用:機場、通訊運營商使用的無線電

軍用:軍事用途。

未來展望

軟體無線電(SoftwareRadio)是無線電通信方面的一種新的變革。它的核心技術是用寬頻帶無線接收機來代替原來的窄帶接收機,將寬頻的模擬/數字和數字/模擬變換器儘可能地靠近天線,而將電台的功能儘可能多地採用軟體來實現。

——最初提出“軟體無線電”概念的是JeoMitola,1992年5月在美國通信系統會議上首次提出了這種概念。很快就在世界各國引起了注意,特別是軍方的注意。這是因為現代軍事通信對無線電通信系統的可靠性、兼容性、互通性、靈活性以及抗干擾、抗毀性、保密、安全等都有更高的要求。

美國軍方與Hazeltine公司研製了一種名為“Speakeasy”(易通話)軟體無線電台,實現了美軍通用的多頻段、多功能的無線電平台,能兼容軍隊現有的各種電台,能同時處理4種以上不同的調製波形。這種電台可以稱得上是一種帶有天線的、能進行話音和數據傳輸的“掌上電腦”。通信的業務包括話音、數據和視頻圖像等,因此被認為是未來發展的趨勢。

——軟體無線電的出現,是無線電通信從模擬到數字、從固定到移動後,由硬體到軟體的第三次變革。被認為是繼模擬通信技術、數字通信技術之後的第三代無線通信技術。

——從已經研製出來的軟體無線電台來看,其結構和功能具有良好的可擴展性,是未來無線電通信的發展方向。