多局部放电源的电/电磁波和声信号时序分析
罗勇芬,黄平,赵文炎,李彦明
(西安交通大学电气工程学院,西安710049)
摘要:局部放电既产生瞬态的电/电磁波信号,也辐射声波,为了解决设备内多局部放电源的存在给诊断所带来的困难,通过对局部放电辐射的电脉冲、电磁波和声波检测信号的分析,忽略脉冲信号的幅度特性和持续时间,仅考虑脉冲接收的起始时间点,构成对应的布尔量时间序列,以分别代表局部放电的电/电磁波和声波的布尔量时间序列,为两个坐标轴建立直角双时间坐标系。理论分析认为,任何一个局部放电源的电/电磁波和声波的布尔量时间序列在该坐标系下构成一条45b直线,不同局部放电源因时延的不同形成的直线位置不同。实验研究工频下不同位置的3个局部放电模型的放电时序关系及由它们的电/电磁波和声波布尔量时间序列建立的直角坐标系的结果表明,该法有可能识别多局部放电源,重构各局部放电源的放电时序关系,藉此研究各放电源的相间局部放电谱图及其放电模式变迁,并获得用于局部放电定位的关键参数超声波传输时延。该法物理意义明确、应用简单。
关键词:局部放电;时间序列;双时间坐标系;识别;重构;传输时延
中图分类号:T M855文献标志码:A文章编号:1003-6520(2007)08-0022-05
Time Sequences Analysis of Electric/Electromagnetic and Acoustic S ignal Emitted from Multiple Partial Discharges
LUO Yo ng-fen,H UANG Ping,ZH AO Wen-yan,LI Yan-ming (Scho ol o f Electrical Engineering,Xi.an Jiaotong University,Xi.an710049,China) Abstract:By analyzing t he time sequences o f electric and electro magnetic and acoustic sig nal emitt ed fr om P Ds,ig-nor ing pulse sig nals'amplitude and dur atio n time,and only considering t heir reception time start-points,Boo lean variable time sequences a re built and a double-time right-angle co-o rdinate sy stem is a lso built up w here the two ax ial respectiv ely describe the Boo lean v ariable time sequences of electric/electr omag netic and acoust ic pulse.A naly sis in-dicates t hat the Boo lean v ariable time sequences o f electr ic/electromag netic and acoustic pulses of each PD so urce can be fitted into a line w ith the slope of45deg ree,and different PD sour ces usually fo rm different lines because of dif-fer ent time delays.Dischar ge ex per iments o n3PD mo dels in differ ent positions are carr ied out to v erify this meth-o d.T he r esear ch indicat es that,this simple and clear phy sical meaning method has the po ssibilit y t o recog nize mult-i ple P D sources,reconstruct the discharg es'time sequences and P RPD diag ram respect ively,and acquire the v ital travel time delay of acoustic wav e of each so ur ce w hich is used in PD localization.
Key words:partial dischar ge;time sequence;double-time co-or dinate system;recog nition;reconst ruct ion;t ravel time delay
0引言
局部放电是电力设备绝缘劣化和电力系统事故的重要原因,IEC60270等标准给出了试验电力设备的局部放电强度的方法,然而这些标准并不适于在线测量。在过去的几十年,局部放电的非接触检测技术得到了较大发展,它们都基于局部放电产生的物理和化学现象,如声检测[1]和超高频检测[2,3]。
分析局部放电类型的特征有统计特征和时域特征两类方法。统计特征在相域空间进行,相间局部放电(PRPD)技术广泛地用于识别放电源的类型[4],且用神经网络、分形理论等技术提高了局部放电的识别和分类准确性。但这些方法提取的参数,如陡峭度等,并不是物理参数,而是一种统计规律[5],导致解释困难;另外,很少考虑局部放电的记忆效应;此外,如果设备存在多个局部放电源或干扰时,则这些提取参数的可信度大大降低。时域特征分析一次放电的时域波形特征或得到其变换结果[6],目前有用小波变换能识别多局部放电源的时频信号特征[7],但若设备中存在同类型的放电,则它们的时频特性可能趋于一致,而且有报道认为一个气隙放电存在多种放电形式[8]。
局部放电的信号重构包括波形重构和特征重构[9],它是局部放电分析的前提,目的是提取特征和抗干扰。对于采集的局部放电时域波形图,首先应根据物理意义明确的方法对信号脉冲归为某个放电源产生,然后才能进行特征提取及研究放电源的放电模式变迁。否则易引起混乱,可信度受到质疑。
局部放电源既产生瞬态的电/电磁波信号,也辐射声波。本文通过对局部放电辐射的电脉冲、电磁
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高电压技术
H igh Voltage Engineering
Vol.33No.8
Aug.2007
图1 局部放电的电/电磁波-声波检测信号的布尔序列
Fig.1 Boolean sequences of electrical/electromagnetic -acoustic signals generated by PD
波和声波检测信号的时间序列(简称/信号序列0)的分析,忽略一些特性,构成对应的布尔量时间序列(简称/布尔序列0),以分别代表局部放电的电/电磁波和声波的布尔序列为两个坐标轴建立直角双时间坐标系,来研究多个局部放电源间的时间关系,通过分离信号序列来获得各源的自身信息。本文还通过
工频下3个不同位置的局部放电模型的放电来实验验证理论分析的结果。1 理论分析
1.1 基本考虑及假设
局部放电时,电脉冲、电磁波和声波同时产生。局部放电、电脉冲/电磁波和声波相互间构成一一对应关系。电/电磁波以光速传播,而电力设备尺寸相对光速非常有限,可认为检测到电/电磁波的时间即为局部放电的产生时间;声波的传播速度远小于电/电磁波的速度,它从局部放电源传播到声传感器上需要传输时间。
由于各种原因,局部放电每次产生的电脉冲、电磁波和声波脉冲在波形和持续时间上千差万别,这给分析带来困难。通过对局部放电辐射的电脉冲、电磁波和声波检测信号序列的分析,本文忽略脉冲信号的幅度特性和持续时间,仅在脉冲接收的起始时间点上置布尔量真值而其余时间上置零,这样构成对应的布尔序列见图1。1.2 理论分析
设施加于设备的工频电压u =U m sin X t 。对于用理想的三电容模型替代的气隙,从正弦波正过零点开始1/4周内,各次放电时间间隔越来越大[10],其原因是电压上升速率越来越小,而气隙的放电电压和残余电压不变。同样可分析其它3个1/4周的局部放电情况。对于理想气隙工作在直流下,因充电电压相等,则一个局部放电源的相邻放电间隔时间相等
[11]
。实际因放电源的记忆效应,导致放电的
随机性,这种周期性特征几乎不存在。在正弦波正过零点开始1/4周内,一个局部放电源发生一次或
多次放电,则可得如图1(a)中1子图的布尔序列。若设备中存在3个放电源,则同理可得另外两个局部放电源2、3的布尔序列,见图1(a)中2、3子图。
但实际上单个传感器接收到的放电信号时间序列是这些局部放电源的放电时间序列的叠加,如图1(a)的4子图是3个局部放电源的放电叠加形成的时间序列,它们构成一种/路0信号,不带有空间信息。这时需要获得放电的一些有用信息,如放电源数目、各放电源的放电序列等。根据各放电源的幅频特征对放电的时间信号可能部分地区分放电源,但若这些放电的类型一致,则会导致区分困难;另外气隙中存在多放电形式,用时频特征方法来识别放电源也会导致错误。
若再引入在设备上某处检测到的声波布尔序列如图1(b),并分别以电/电磁波布尔序列和超声波布尔序列为坐标轴建立直角坐标系(见图2)。虽然各源到声传感器的传输介质和传播(混合)速度有差异,但各源自身的放电序列产生的声波到声传感器的传输时间是一致的,故接收到的该源超声波布尔序列与其对应的电/电磁波布尔序列有一个固定的传输时延。这样,超声波布尔序列与电/电磁波布尔序列在该坐标系上对应放电的交点连线形成1条45b 直线,该直线在超声波时间轴的截距即为该源的超声波传输时延。另该源的相邻放电事件的时间间隔等于对应的相邻电/电磁波或声波布尔序列的时间间隔。后两个序列中相同时间间隔的放电事件在坐标系上构成一个正方形,故该源的相邻放电事件必在正方形的对角线上,该对角线与这条45b 直线重合。若存在另外1个不同时延的放电源,则其放电序列必然在另外一条45b 线上,相邻放电间形成自己的正方形。当然也可能在这1/4周上存在仅放电1次的孤点,它也代表一个放电源。将同在1条45b 直线上的放电事件归为1个放电源产生,投影至电/电磁波或声波时间轴上,重构为该放电源对应的布尔序列。
若2个放电源的超声波传播时延相同,则2个
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源的电/电磁波-超声波时序在一条45b线上。如果对这2个源取相同的声速,则它们在以声传感器为中心,以声速时延积为半径的一个球面上。这时1个声传感器区分这2个源失效,需要多个声传感器或具有空间角度分辨能力的声传感器。
一个工频周期的放电表现见图2(b)。2个布尔序列在图上交叉密集区有4个,图2(a)是图2(b)A 区的详细图。当局部放电源到声传感器的传播时延较小时,A、C为有效区域,B、D为虚假区域;当局部放电源到声传感器的传播时延较大时,B、D为有效区域,A、C为虚假区域。这仅是一般情况下的大致划分,实际应根据设备尺寸相对声速的大小、放电类型及放电事件的产生时间判定在哪个区域,以获得准确的放电源数目及传输时延。例如,若局部放电源距声传感器较远,且有放电事件发生在上个工频周期的后1/4周,则在本周期前1/4周检测到该放电事件的声布尔序列与检测到的放电事件的电/电磁波布尔序列在A区交叉。
另外,这2个轴都为20m s的坐标系区域,类似于数字电路中的卡诺图,将0ms和20m s看成几何邻近,如图2框外的箭头所示。这样对于传输时间较长的局放源,本周期前1/4周的放电,2个序列交叉在B区,第3个1/4周的放电与下个周期的声序列交叉在D区。
将布尔序列中两个真值间代表的时间段内对应的信号序列,归为前一个真值(即前一次放电)的信号序列。重构了某放电源对应的布尔序列后,可重构该源对应的信号序列,从而建立该源的放电谱图,并藉以作深入的研究。
在局部放电的电/电磁波-超声波双时间直角坐标系中,都有n个布尔真值的电/电磁波布尔序列和声波布尔序列,交点有n2个,实际仅有n个有效交点,这需要一个算法来筛选。算法应包括如下条件:①某次放电的电/电磁波脉冲接收在前,声波脉冲接收在后;②声波(混合)速度与时延的乘积小于设备的最大尺寸;③已确定的交点所在的水平线和垂直线(包括其上所有交点)在后续交点的确定中不再考虑。
2检测实验
2.1实验的建立
建立的多局部放电源辐射的电脉冲、电磁波和超声波的检测实验见图3。图中,AC为工频交流电源;T1为调压器;T2为无局放试验变压器;C N为高压耦合电容器;Z m为脉冲电流法的检测阻抗。G1~ G3均为尖-板型的油-纸板放电间隙,纸板厚度2
mm,3个局部放电模型并联并经水电阻R连接在
图2局部放电的双时间直角坐标系
Fig.2Double-times coordinate diagram of PD
图3多局部放电检测实验图
Fig.3Experiment se-t up of mult-i PD
T2输出端,它们和超声波传感器近似在一条直线上,分别距离声传感器约83、50和33cm。S us为超声波传感器[12];S U HF为超高频电磁波传感器[13],二者都放置在1m@1m@112m的充油油箱中。A为超声波接收放大及通带为100~300kH z的带通滤波电路模块。DSO为存储深度64M B、采样频率可达20GH z的4通道数字存储示波器T DS7254B,超声波、电磁波和电脉冲信号分别输入到示波器中的1、2和3通道(CH1~3)。PC为计算机。
示波器触发设置在AC Line状态,其电源和调
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图4一个工频周期的3局部放电源辐射的电、电磁波和超声波信号的示波图Fig.4Oscillogrames of electrical pulse,electromagnetic and ultrasonic signals generated by3PD sources in one power frequency circle
压器为同相电源;示波器采集时间为20ms,相当于一个工频周期,采样率频在50~625M H z内调节。
2.2实验结果及分析
调节G1~G3局部放电模型的尖板距离和无局放试验变压器的输出电压,对3个局放源辐射的电/电磁波-超声波的时序关系进行试验研究。现仅以加载电压约36kV、放电间隙的油通道约115mm 的3个放电源为例说明放电的时序关系(见图4,其中C1、C2、C3分别表示通道CH1(超声波)、CH2 (电磁波)、CH3(电脉冲));并对建立的双时间坐标系进行分析(见图5)。
图4(a)为工频正过零时触发示波器以50MH z
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的采样频率采集20ms的信号。由图4可见,该工频周期发生了9次放电。电脉冲和电磁波脉冲短促,对应性较好,说明电磁波在油箱中的反射几乎可忽略。超声波信号较复杂,一个原因是压电换能器对单个脉冲的响应时间较长,各放电的声信号产生混叠;另一个原因是传感器接收到箱壁的反射声信号也容易引起混叠。信号混叠在对局部放电的声信号作随机过程相关性分析时常引起失效。另外,负半周的局部放电辐射的超声波信号较强,分析认为,尖电极所在方向仅存在截面积狭小的尖电极(固体),它对同方向的声波(一种机械波)形成和发展的阻碍,小于正半周时截面积大的纸板和板电极对过来的机械波的阻碍。
分析超声波信号的细节,可找到某次放电产生的对应的超声波信号,见图4(b)~(i)。放电的声信号起始以该信号包络的起始为准。然而图4(h)中,因第7、8两个放电时间间隔很短,它们的合成信号在第8个放电的声信号起始处表现为相互削弱,而对第7个放电声信号产生截断,故取截断起始为后
一个放电声信号的起始。
根据检测到的局部放电的电脉冲、电磁波和超声波信号,按照前述方法建立时间序列,并可如图2 (b)一样建立电/电磁波-超声波双时间直角坐标图。因箱体尺寸较小,放电源距离声传感器较近,图2 (b)中的B、D区实际是虚假放电区。为清晰起见,建立的坐标图见图5,图5(a)、(b)子图分别代表图2(b)中的A、C区。由图5可分析得出,存在3个放电源,分别发生了3、1和5次放电,并可计算出放电源到传感器的超声波传输时延分别为580、350和242L s。若取油中声速1400m/s,可得出各计算源与实际放电源G1~G3对应,位置非常吻合。
根据图5,可分离出各放电源的电脉冲、电磁波和声波的时间序列,对应地可分离图4(a)的实际信号序列,构成各自放电源的真实信号序列,并分别构成相应的谱图以及对各放电源进行评估。然而因声传感器的响应时间长,信号容易混叠,对其简单分离出实际的检测信号作为该源的放电声信号易导致偏差。因超声波信号的相互叠加及干扰的影响,对其时序的识别较困难,现研究仍停留在人工分析阶段,下一步需研究自动识别技术,并提高本方法的灵敏度和准确性。
3结论
a)通过对局部放电辐射的电、电磁波和声波检测信号序列的分析,忽略脉冲信号的幅度特性和持续时间,仅考虑脉冲接收的起始时间点,构成对应的
图53局部放电双时间直角坐标图
Fig.5Double-time co-ordinate diagram of3PD
布尔序列,以分别代表局部放电的电/电磁波和声波的布尔序列为两个坐标轴建立直角坐标系。
b)理论分析和对3个局部放电模型的实验表明,任何一个局部放电源的电/电磁波和声波的布尔量时间序列在该坐标系下构成一条45b直线,不同局部放电源因时延的不同形成的直线也不同。
c)研究表明,该方法可能识别多局部放电源,重构各局部放电源的放电时序关系、相间局部放电谱图和该放电源的放电模式变迁,并获得用于局部放电定位的超声波传输时延。该法物理意义明确、应用简单。
参考文献
[1]H ow ells E,Norton E T.Detection of partial disch arges in
tran sform ers usin g acou stic emiss ion tech niques[J].IEEE T rans on Pow er Appar&S yst,1978,97(5):1538-1549. [2]Judd M D,YANG Li,H unter I B B.Partial discharge m onito-
rin g for pow er transformers using UH F sen sors part1:sensors and signal interp retation[J].IEEE Electrical Insulation M aga-zine,2005,21(2):5-14.
[3]王国利,郝艳捧,袁鹏,等.变压器局部放电超高频检测中的混
频技术研究[J].中国电机工程学报,2004,24(10):108-111.
W ANG Guo-l i,H AO Yan-peng,YUAN Peng,et al.Application of frequency mixing technique to ultra-high-frequency PD detection for transformers[J].Proceedi ngs of the CSEE,2004,24(10):108-111.
[4]Gulski E,Kreuger F https://www.doczj.com/doc/3b16156485.html,puter-aided recogn ition of dis-
charge sources[J].IEEE T ran s on Electrical Insulation,1992, 27(1):82-92.(下转第76页)
现场干扰抑制[J].高电压技术,2005,31(11):10-12,30.
CHEN Qing-guo,WANG Yong-hong,GAO Wen-sheng,et al.
On-line PD data analysis and interderence suppression by softw are [J].High Voltage Engi neering,2005,31(11):10-12,30. [11]Lu Y,Tan X,H u X.PD detection and localizations b y acou stic
measur ements in an oi-l filled trans former[J].IEE Proceedings-Science,M easurement an d T echnology,2000,147(2):81-85.
[12]Olivieri M M,M an nheimer W A,Ripper-Neto A P.On the us e
of acous tic signals for detection and location of partial dis char-ges in p ow er transformers[C].IE EE Internation al Sym posium on Electrical Insulation.[S.l.],2000:259-262.
[13]C hen L-i Jung,Tsao T a-Pen g,Lin Yu-H sun.New diagn osis
approach to epoxy resin transformer partial discharge using a-cou stic techn ology[J].IEE E T rans on Pow er Delivery,2005, 20(4):2501-2508.
[14]罗日成.基于阵列信号处理的大型变压器局部放电多目标定位
方法研究[D].武汉:武汉大学,2006.
LUO R-i cheng.S tudy on the meth od of multiple partial dis-charge sources localization w ithin large transformer based on array signal process ing[D].W uhan:W uhan University,2006.
[15]罗日成,李卫国,李成榕.变压器局部放电多目标无源定位中
去除测向交叉定位虚假点的快速算法[J].电网技术,2005, 29(19):65-69.
LUO R-i cheng,LI W e-i guo,LI Ch eng-rong.A high-speed al-gorithm to remove mendacious p oin ts of direction-finding cross-localizaion in mult-i target passive localiz ation of partial dis-charge source w ithin pow er transformer[J].Pow er Sys tem T ech nology,2005,29(19):65-69.
[16]罗日成,李卫国,李成榕.基于阵列信号处理的局部放电多目
标定位方法研究[J].电网技术,2006,30(1):57-61.
LUO R-i cheng,LI W e-i guo,LI Chen g-rong.Res earch on th e method of partial disch arge s ource mu lt-i targets localiz ation based on ar ray signal processing[J].Pow er Sys tem T echnolo-
gy,2006,30(1):57-61.
[17]Schm idt R O.M ultiple emitter location and s ignal param eter
estimation[J].IEE E Trans on Antennas An d Propagation, 1986,34(3):276-280.
[18]陈辉,王永良.空间谱估计算法结构及仿真分析[J].系统
工程与电子技术,2001,23(8):76-79.
CHE N H ui,WANG Yong-liang.T he frame of spatial s pec-trum and simulation[J].System s E ngineering and Electronics, 2001,23(8):76-79.
[19]张揽月,杨德森.基于M U SIC算法的矢量水听器阵源方位估
计[J].哈尔滨工程大学学报,2004,25(1):30-33.
ZHANG Lan-yue,YANG De-sen.DOA esti mation based on M U-SIC algorithm using an array of vector hydrophones[J].Journal of
H arbin Engi neeri ng University,2004,25(1):30-33.
[20]Xu Xiao-Liang,Bu ckley M K.Bias and varian ce of direction-of-
arrival estimates from M US IC,M IN-NORM,and FINE[J].
IEEE T ran s on Signal Processing,1994,42(7):1812-1816. [21]Schm idt R O.M ultiple emitter location and s ignal param eter
estimation[J].IEEE T rans on Antennas and Propagation, 1986,34(3):276
-280.
罗日成
Ph.D.LU O R-i chen g
罗日成1970),男,博士,副教授,主要研
究方向为电力设备绝缘在线监测
与故障诊断、阵列信号处理。
E-mail:luo81857@https://www.doczj.com/doc/3b16156485.html,
李卫国1957),男,教授,博导,主要研
究方向为高电压与绝缘监测、电
磁兼容。
文习山1962),男,教授,博导,主要研
究方向为高电压与绝缘监测、电
气设备防雷接地。
收稿日期2006-12-21编辑严梦
(上接第26页)
[5]Altenb urger R,H eitz C,Tim mer J.Analysis of p has ed-res olved
partial disch arge pattern s of voids based on a stoch astic process app roach[J].J ou rnal of Ph ysics D:Applied Physics,2002(35): 1149-1163.
[6]董旭柱,王昌长,朱德恒.电力变压器局部放电在线监测研究的
现状和趋势(一)[J].变压器,1996,33(1):3-7.
DONG Xu-zhu,W ANG Ch ang-chang,ZHU De-h eng.Status and direction of PD on-line monitoring in pow er transformers
(1)[J].T rans form er,1996,33(1):3-7.
[7]Yang L,Judd M D.Recognis ing multiple parti al discharge sources in
power transformers by wavelet analysis of UHF signals[J].IEE Proc Sci M eas&Technol,2003,150(3):119-126.
[8]Tanak a T.In ternal partial dis charge and material d egradation
[J].IEEE T ran s on Elect Insul,1986,21(6):899-905. [9]董旭柱,王昌长,朱德恒.电力变压器局部放电在线监测研究的
现状和趋势(二)[J].变压器,1996,33(5):2-7.
DONG Xu-zhu,W ANG Ch ang-chang,ZHU De-h eng.Status and direction of PD on-line monitoring in pow er transformers [J].T rans form er,1996,33(5):2-7.
[10]Kreuger F H.Dis charge d etection in high voltage equipm ent
[M].London:A H eyw ood Book,1964.
[11]库钦斯基 .高压电气设备局部放电[M].徐永禧,译.北
京:水利电力出版社,1984.
[12]王国利,郝艳捧,李彦明.用于变压器局部放电检测的超高频
传感器的初步研究[J].中国电机工程学报,2002,22(4):154 -160.
W ANG Guo-li,HAO Yan-peng,LI Yan-mi ng.Research on cal-i bration technique of UH F PD detection in transformer[J].Pro-ceedings of the CSEE,2002,22(4):154-160.
[13]Lu o Yongfen,Ji Sh engchan g,Li Yanmin g.Ph as ed ultrasonic
receiving plan ar array trans ducer for partial discharge location in transformer[J].IE EE T ransactions on Ultras onics,Ferroe-lectrics and Frequency Control,2006,53(3):614
-622.
罗勇芬
Ph.D.LUO Yong-fen
罗勇芬1968),男,博士,讲师,研究方
向为电力设备在线监测、诊断及
寿命评估。电话:(029)
82668626;E-mail:yfluo@mail.
https://www.doczj.com/doc/3b16156485.html,
黄平1984),男,硕士生,研究方向为
电力设备在线监测诊断及寿命
评估。
赵文炎1985),男,硕士生,研究方向为
电力设备在线监测诊断及寿命
评估。
李彥明1946),男,教授,博导,研究方
向电力设备在线监测、诊断及寿
命评估,新型电力设备等。
收稿日期2007-03-16编辑严梦
学习RFID必须知道的电磁波原理、天线知识 一、电磁波产生的基本原理 按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场，而变化的磁场又要产生变化的电场。这样，变化的电场和变化的磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。 周期性变化的磁场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场。 电磁波不同于机械波，它的传播不需要依赖任何弹性介质，它只靠“变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场”的机理来传播。 当电磁波频率较低时，主要籍由有形的导电体才能传递；当频率逐渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部反回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能反回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。 根据以上的理论，每一段流过高频电流的导线都会有电磁辐射。有的导线用作传输，就不希望有太多的电磁辐射损耗能量；有的导线用作天线，就希望能尽可能地将能量转化为电磁波发射出去。于是就有了传输线和天线。无论是天线还是传输线，都是电磁波理论或麦克斯韦方程在不同情况下的应用。 对于传输线，这种导线的结构应该能传递电磁能量，而不会向外辐射；对于天线，这种导线的结构应该能尽可能将电磁能量传递出去。不同形状、尺寸的导线在发射和接收某一频率的无线电信号时，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必须采用适当的天线才行！研究什么样结构的导线能够实现高效的发射和接收，也就形成了天线这门学问。 高频电磁波在空中传播，如遇着导体，就会发生感应作用，在导体内产生高频电流，使我们可以用导线接收来自远处的无线电信号。 二、天线 在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线，通过天线将转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送到接收机输入端。 综上所述，天线应有以下功能： １．天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。 ２．天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上，或对确定方向的来波最大限度的接受，即方向具有方向性。
电磁场与微波技术 实验报告 院系： 班级： 姓名： 学号： 指导老师：
实验一线驻波比波长频率的测量 一、实验目的 1、熟练认识和了解微波测试系统的基本组成和工作原理。 2、掌握微波测试系统各组件的调整和使用方法。 3、掌握用交叉读数法测波导波长的过程。 二、实验用微波元件及设备简介 1．波导管：本实验所使用的波导管型号为BJ—100，其内腔尺寸为α＝22.86mm，b＝10．16mm。其主模频率范围为8．20～12．50GHz，截止频率为6．557GHz。2．隔离器：位于磁场中的某些铁氧体材料对于来自不同方向的电磁波有着不同的吸收，经过适当调节，可使其对微波具有单方向传播的特性(见图1)。隔离器常用于振荡器与负载之间，起隔离和单向传输作用。 3．衰减器：把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波导的宽边，纵向插入波导管即成(见图2)，用以部分衰减传输功率，沿着宽边移动吸收片可改变衰减量的大小。衰减器起调节系统中微波功率以及去耦合的作用。 图 1 隔离器结构示意图图2 衰减其结构示意图 4．谐振式频率计（波长表）： 图3 a 谐振式频率计结构原理图一图3 b 谐振式频率计结构原理图二 1. 谐振腔腔体 1. 螺旋测微机构 2. 耦合孔 2. 可调短路活塞 3. 矩形波导 3. 圆柱谐振腔 4. 可调短路活塞 4. 耦合孔 5. 计数器 5. 矩形波导 6. 刻度 7. 刻度套筒 电磁波通过耦合孔从波导进入频率计的空腔中，当频率计的腔体失谐时，腔里的电磁场极为微弱，此时，它基本上不影响波导中波的传输。当电磁波的频率
满足空腔的谐振条件时，发生谐振，反映到波导中的阻抗发生剧烈变化，相应地，通过波导中的电磁波信号强度将减弱，输出幅度将出现明显的跌落，从刻度套筒可读出输入微波谐振时的刻度，通过查表可得知输入微波谐振频率。(图3a) 或从刻度套筒直接读出输入微波的频率(图3b)。两种结构方式都是以活塞在腔体中位移距离来确定电磁波的频率的，不同的是，图3a读取刻度的方法测试精度较高，通常可做到5×10－4，价格较低。而见图3b直读频率刻度，由于在频率刻度套筒加工受到限制，频率读取精度较低，一般只能做到3×10－3左右且价格较高。 5．驻波测量线：驻波测量线是测量微波传输系统中电场的强弱和分布的精密仪器。在波导的宽边中央开有一个狭槽，金属探针经狭槽伸入波导中。由于探针与电场平行，电场的变化在探针上感应出的电动势经过晶体检波器变成电流信号输出。 6．匹配负载：波导中装有很好地吸收微波能量的电阻片或吸收材料，它几乎能全部吸收入射功率。 7．微波源：提供所需微波信号，频率范围在8．6～9．6GHz内可调，工作方式有等幅、方波、外调制等，实验时根据需要加以选择。 8．选频放大器：用于测量微弱低频信号，信号经升压、放大，选出1kHz附近的信号，经整流平滑后由输出级输出直流电平，由对数放大器展宽供给指示电路检测。 三、实验内容及过程 1.微波信号源的调整： 频率表在点频工作下，显示等幅波工作频率，在扫频工作下显示扫频工作频率，在教学下，此表黑屏。电压表显示体效应管的工作电压，常态时为12.0 0.5V，教学工作下可通过“电压调节钮”来调节。电流表显示体效应管的工作电流，正常情况小于500毫安。 2.测量线探针的调谐： 我们使用的是不调谐的探头，所以在使用中不必调谐，只是通过探头座锁紧螺钉可以将不调谐探头活动2mm。 3.用波长计测频率： (1)在测量线终端接上全匹配负载。 (2)仔细微旋波长计的千分尺，边旋边观测指示器读数。由于波长计的q值非常 高，谐振曲线非常尖锐，千分尺上0.01mm的变化都可能导致失谐与谐振两种状态之间切换，因此，一定慢慢地仔细微旋千分尺。记下指示器读数为最小时（注意：如果检流指示器出现反向指示，按下其底部的按钮，读数即可）的千分尺读数并使波长计失谐。 (3)由读得的千分尺刻度可在该波长计的波长表频率刻度对照表上读得信号源的工作频率。 4.交叉读数法测量波导波长： (1)检查系统连接的平稳，工作方式选择为方波调制，使信号源工作于最佳状态。 (2)用直读式频率计测量信号频率，并配合信号源上的频率调谐旋钮调整信号源的工作频率，使信号源的工作频率为9370MHz。
《电磁场电磁波》课程论文电磁波在信号传输中的应用 姓名段一凡 班级 BG1208 学号 121001260807 2015年 10月 9日 电磁波在信号中的应用 摘要本文主要介绍了电磁波的光谱和特性及作为载波在信号传
输的应用，分别有光纤通信，微波通信和波导通信等，介绍了电磁波的频段，电磁波与介质的相互作用，电磁波在不同介质中的传播特性。 关键词电磁波1；光谱2；光纤3；通信4 Application of electromagnetic wave in signal Abstract the spectrum and characteristics of electromagnetic wave and its application in signal transmission are introduced. The optical fiber communication, microwave communication and waveguide communication are introduced. Keywords electromagnetic wave 1; spectrum 2; optical fiber 3; communication 4 目录 一背景1 二定义1 三电磁波概述1 四电磁波普2 1电磁波普的定义2 2波普分类：2 五电磁波特性5 1电磁波特性5 2划分 :5
六光纤通信5 1光纤通信5 2光波特性6 3光纤原理及应用6 七微波通信6 1微波通信6 2微波波长7 3频带的划分7 4微波特征7 1）穿透性7 2）选择性加热7 3）热惯性小8 5微波原理8 八波导通信8 1波导历史8 2波导定义9 3毫米波9 4调制方式9 九电磁波在信号中传输的应用9 1背景 电磁波首先由詹姆斯·麦克斯韦于1865年预测出来，而后由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年至1888年间在实验中证实存在。麦克斯
电磁波在介质中的传播规律 电磁波的传播是电磁场理论的重要组成部分。我们只考虑电磁波在各向同性均匀线性介质中传播，分别对电磁波在线性介质和非线性介质中的传播规律进行讨论。 1、电磁场的波动方程 一般情况下，电磁场的基本方程是麦克斯韦方程，而我们讨论的介质是各向同性均匀线性的，即（0,j 0）的情形。麦克斯韦方程组的解既是空间的函数又是时间的函数，而我们只考虑随时间按正弦函数变化的解的形式。对于这种解，其形式可表示成一个与时间无关的复矢量和一个约定时因子ex） j t相乘，这里是角频率。在这种约定下，麦克斯韦方程组便可表示成1 (1) H j E （2） E 0 ⑶ H 0 ⑷ 对方程（1）两边同取旋度，并将式（2）代入便得 E 2E （5） 利用如下矢量拉普拉斯算子定义以及方程（3） (6) 方程（5）式变为 类似地，可得B所满足的方程为 k2B(9) 2E k2E 0
方程（7）和（9）式称为亥姆霍兹（Helmholtz）方程，是电磁场的波动方程。
2、平面波解 一般的电磁波总可用傅里叶分析方法展开成一系列。单色平面波的叠加。所以，对 单色平面波的研究具有重要的理论和实际意义。假定波动方程（ 7）和（8）式的单色平 面波的复式量解为3 E E 0 exp j t k r (10) B B °ex3 j t k r (11) 式中E 0, B 0分别为E , B 振幅， 为圆频率， k 为波矢量（即电磁波的传播方向）。 exp j kx t 代表波动的相位因子。 为了描述均匀平面波的相位在空间的变化快慢，在此引入相速的概念，即平面波等 相位的传播速度。很显然等相位面由下面方程决定 1 t kr const 方程（12）两边对时间t 求导可得 dr v dt k 由式（8）可知 1 v ----- 将（10）和（11）式代入我们上面给出的麦克斯韦方程组可得 3 由（17）和（18 ）可以看出，介质中传播的电磁波是横波，电场与磁场都与传播方向垂直;(12) (13) (14) E 。 k B o B 0 k k E o E o k B o 0 (15) (16) (17) (18)
实验室测量电磁波在导线中传播速度的一种方法 刘德力（lx760506@https://www.doczj.com/doc/3b16156485.html,） 电磁波在导线中的传播速度可以在实验室里测出。做这个实验需要的仪器设备要求比较高，但还是可以找到。电磁波在导线中的传播速度实际早已有定论，就是不超过自由空间里的光速。这个结论不管是在理论上还是实践中都早已证明了。但现在还是有很多人想通过这类实验来发现电磁波信号在导线中的传输会有超光速的现象。他们设计了所谓的实验，采取了错误的方法和手段，当然不可能得出正确的结论。 本文介绍一个有理论根据的，有说服力的实验方法来再次证明电磁波在导线中的传播速度不会超过光速。如果你手头有仪器的话，马上就可能验证一下导线中电磁波的传播速度不会超过光速。 1.实验方法 首先我们需要两台仪器，就目前一般实验室的水平最好选择一台宽带数字示波器和一台有短脉冲（单脉冲）输出功能的信号发生器。前者比较好找，后者有点困难。有条件的话可以自己动手做一个。也能用高频连续波信号发生器来代替一下，但在最终对结果分析计算会有点麻烦。 有了两台仪器再找一根铜导线，比如一根100米长，直径为1～2毫米的漆包线就可以做实验了。下面的分析可见导线长度越短对仪器要求越高，导线越长越容易测量，测量精度也越高。 1)把导线拉直并两端固定好，一端靠近测量仪器，一端远离仪器对地开路，如图1 所示连接。 图1 实验装置 2)设置信号发生器输出短脉冲方波，脉宽100ns，幅度大于200mV，重复周期1000ns, 即1μs ，输出信号波形如图2 。短脉冲信号经过功率分配器（三通）一路连接导 线一端，同时也是接示波器1通道，另一路直接接示波器2通道。
图2 信号发生器输出波形 3)设置示波器为正脉冲上升沿触发方式，触发源采用2通道信号，触发电平选50% 即可。正确选择示波器的扫描时基，选100ns/div ，两个通道的测量幅度选择 50mV/div 。 一切正确的话，我们可以在示波器上看到：通道1有两个脉冲信号，通道2只有一个脉冲信号。精确读出通道1的两个脉冲间隔时间，即两个脉冲的上升沿之间的时间间隔Δt 。 设导线长度为L ，那么我们可以计算出电磁波在导线中的传播速度为V=2×L/Δt 。如果L是75m，Δt在500ns左右。 2.实验原理描述 电磁波的传输必须要花一定的时间，在导线中传输也是一样，假定这个传输速度为V，从信号源输出的信号在导线上传输，信号到达导线末端因能量没有消耗会反向传回起始端，我们一般说这个现象是电磁波的反射。所以我们在示波器的1通道就看到了两个脉冲信号。两个脉冲的时间间隔是脉冲信号在导线上来回传输所花的时间，这样速度计算公式就应该为V=2×L/Δt 。 3.影响实验精度的因素 要精确得到电磁波在导线中传输的速度，必须精确测量Δt 。Δt的测量当然需要有高精度的计时仪器，所以要求这里的示波器性能很好。当Δt数值不够大，测量值精度不够高时，我们可以适当增加实验导线的长度。导线越长，Δt数值越大，越好测量。但是受示波器特性和显示范围的限制，导线继续加长，Δt数值虽然增大了但最小分辨率并不会得到提高。所以，实验导线的长度和计时精度要综合考虑，我们事先可以用2L/c来估计Δt的数量级，c就是自由空间的光速。 如果我们没有实验要求的脉冲信号发生器，那么只能用高频正弦波信号发生器，反射波和入射波在导线输入端会产生叠加，叠加的结果以至我们发现不了反射波的存在。这时，我们可以在功率分配器的两个输出端都串上一个50～100欧的电阻。示波器1，2通道都是显示一个连续正弦波，但它们会有一个较小的相位差。不难理解这个相位差就是经反射信号叠加造成的。除了产生相位差外，正弦信号幅度也会变大许多（近一倍）。测出这个相位时间差，反算出反射波的真实延时值，就得到了前面的Δt ，我们一样可以计算出电磁波在导线中的传输速度。考虑到入射和反射信号叠加结果的信号其相位延迟为ΔΦ，是纯反射波信号相位延迟的1/2，所以时间延时是Δt=ΔΦ/πf。
开题报告 应用物理 电磁波在左手材料中的传输特性 一、选题的背景与意义 近几十年来，物理学在先进材料领域的研究发展取得了巨大的不可思议的令人欢庆鼓舞的成就，如果在几十年前你很难想象哈利波特里才有的隐形衣材料在理论上已经发展成熟并且实验室里已经能初步有了实物雏形。这就是在近十年间横空出世掀起研究狂潮的一种具有不可思议性能的人工复合材料，俗称左手材料。 左手材料的研究要追溯到上世纪60年代前苏联科学家的假想。 物理学中，介电常数ε和磁导率μ是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量。在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数ε和磁导率μ都为正值，电场、磁场和波矢三者构成右手关系,这样的物质被称为右手材料(right-handed materials,RHM)。这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规，但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。1967年，前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即：当ε和μ都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。他称这种假想的物质为左手材料(left-handed materials,LHM)，同时指出，电磁波在左手材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等等。 然而左手材料的研究发展并不一帆风顺。在这一具有颠覆性的概念被提出后的三十年里，尽管它有很多新奇的性质，但由于只是停留在理论上，而在自然界中并未发现实际的左手材料，所以，这一怪诞的假设并没有立刻被人接受，而是处于几乎无人理睬的境地，直到时光将近本世纪时才开始出现转机。直至 1998~1999年英国科学家Pendry等人提出了一种巧妙的设计结构可以实现负的介电系数与负的磁导率，从此以后，人们开始对这种材料投入了越来越多的兴趣。2001年的突破，使左手材料的研究在世界上渐渐呈现旋风之势。 2001年，美国加州大学San Diego分校的David Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，利用以铜为主的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，他们使一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质，微波
信息与通信工程学院 电磁场与电磁波实验报告 题目：校园信号场强特性的研究 姓名班级学号序号薛钦予2011210496 201121049621
一、实验目的 1.掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法； 2.研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律； 3.掌握在室内环境下场强的正确测量方法，理解建筑物穿透损耗的概念； 4.通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系； 5.研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系。 二、实验原理 1、电磁波的传播方式 无线通信系统是由发射机、发射天线、无线信道、接收机、接收天线所组成。对于接受者，只有处在发射信号的覆盖区内，才能保证接收机正常接受信号，此时，电波场强大于等于接收机的灵敏度。因此基站的覆盖区的大小，是无线工程师所关心的。决定覆盖区的大小的主要因素有：发射功率，馈线及接头损耗，天线增益，天线架设高度，路径损耗，衰落，接收机高度，人体效应，接收机灵敏度，建筑物的穿透损耗，同播，同频干扰等。 电磁场在空间中的传输方式主要有反射﹑绕射﹑散射三种模式。当电磁波传播遇到比波长大很多的物体时，发生反射。当接收机和发射机之间无线路径被尖锐物体阻挡时发生绕射。当电波传播空间中存在物理尺寸小于电波波长的物体﹑且这些物体的分布较密集时，产生散射。散射波产生于粗糙表面，如小物体或其它不规则物体﹑树叶﹑街道﹑标志﹑灯柱。 2、尺度路径损耗 在移动通信系统中，路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。大尺度平均路径损耗：用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落，即定义为有效发射功率和平均接受功率之间的（dB）差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内或室外信道，平均接受信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛的使用。对任意的传播距离，大尺度平均路径损耗表示为： ()[]()() =+（式1） 010log/0 PL d dB PL d n d d 即平均接收功率为： ()[][]()()()[]() =--=- Pr010log/0Pr010log/0 d dBm Pt dBm PL d n d d d dBm n d d （式2）其中，定义n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度，d0为近地参考距离，d为发射机与接收机之间的距离。公式中的横杠表示给定值d的所有可能路径损耗的综合平均。坐标为对数－对数时，平均路径损耗或平均接收功率可以表示为斜率10ndB /10 倍程的直线。n依赖于特定的传播环境，例如在自由空间，n为2；当有阻挡物时，n比2大。
信号分析与处理答案第 二版 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
第二章习题参考解答 求下列系统的阶跃响应和冲激响应。 (1) 解当激励为时，响应为，即： 由于方程简单，可利用迭代法求解： ，， …， 由此可归纳出的表达式： 利用阶跃响应和冲激响应的关系，可以求得阶跃响应： (2) 解 (a)求冲激响应 ，当时，。 特征方程，解得特征根为。所以： …(2.1.2.1) 通过原方程迭代知，，，代入式(2.1.2.1)中得：解得，代入式(2.1.2.1)： …(2.1.2.2) 可验证满足式(2.1.2.2)，所以： (b)求阶跃响应 通解为 特解形式为，，代入原方程有，即 完全解为 通过原方程迭代之，，由此可得 解得，。所以阶跃响应为： (3)
解 (4) 解 当t>0时，原方程变为：。 …(2.1.3.1) …(2.1.3.2) 将(2.1.3.1)、式代入原方程，比较两边的系数得： 阶跃响应： 求下列离散序列的卷积和。 (1) 解用表 格法求 解 (2) 解用表 格法求 解 (3) 和 如题图2.2.3所示 解用表 格法求 解
(4) 解 (5) 解 (6) 解参见右图。 当时： 当时： 当时： 当时： 当时： (7) ， 解参见右图： 当时： 当时： 当时： 当时： 当时： (8) ，解参见右图
当时： 当时： 当时： 当时： (9) ， 解 (10) ， 解 或写作：
求下列连续信号的卷积。 (1) ， 解参见右图： 当时： 当时： 当时： 当时： 当时： 当时： (2) 和如图2.3.2所示 解当时： 当时： 当时： 当时： 当时： (3) ， 解 (4) ， 解 (5) ， 解参见右图。当时：当时： 当时：
电磁场与微波技术实验报告 （二） 课程实验：电磁波在介质中传播规律 班级： 姓名： 指导老师： 实验日期：
电磁波在介质中的传播规律 一、实验目的： 1、用MATLAB 程序演示了电磁波在无损耗、较小损耗和较大损耗情况下的传播博规律； 2、结合图像探讨了电磁波在有耗介质中电场强度和磁场强度的能量变化情况； 3、学会使用Matlab 进行数值计算，并绘出相应的图形，运用MATLAB 对其进行可视化处理。 二、实验原理 1、电磁场的波动方程 一般情况下，电磁场的基本方程是麦克斯韦方程，而我们讨论的介质是各向同性均匀线性的，即（0,0==j ρ）的情形。麦克斯韦方程组的解既是空间的函数又是时间的函数，而我们只考虑随时间按正弦函数变化的解的形式。对于这种解，其形式可表示成一个与时间无关的复矢量和一个约定时因子()t j ωex p 相乘，这里ω是角频率。在这种约定下，麦克斯韦方程组便可表示成[]1 ΗE ωμj -=?? (1) ΕΗωεj =?? (2) 0=??Ε (3) 0=??Η (4) 对方程（1）两边同取旋度，并将式(2)代入便得 ΕΕεμω2=???? （5） 利用如下矢量拉普拉斯算子定义以及方程（3） ()ΕΕΕ????-???=?2 （6） 方程（5）式变为[]2
022=+?ΕΕk （7） μεω=k （8） 类似地，可得Β所满足的方程为 022=+?ΒΒk （9） 方程（7）和（9）式称为亥姆霍兹（Helmholtz ）方程，是电磁场的波动方程。 2、平面波解 一般的电磁波总可用傅里叶分析方法展开成一系列。单色平面波的叠加。所以，对单色平面波的研究具有重要的理论和实际意义。假定波动方程（7）和（8）式的单色平面波的复式量解为[]3 ()[]r k ΕΕ?-=t j ωex p 0 （10） ()[]r k ΒΒ?-=t j ωex p 0 （11） 式中0Ε,0Β分别为Ε,Β振幅，ω为圆频率，k 为波矢量（即电磁波的传播方向）。 ()[]t kx j ω-ex p 代表波动的相位因子。 为了描述均匀平面波的相位在空间的变化快慢，在此引入相速的概念，即平面波等相位的传播速度。很显然等相位面由下面方程决定[]1 const kr t =-ω （12） 方程（12）两边对时间t 求导可得 k dt dr v ω == (13) 由式（8）可知 εμ 1 = v （14） 将（10）和（11）式代入我们上面给出的麦克斯韦方程组可得[]3
4.3 电磁波的发射和接收作业 1．关于无线电波的发射过程，下列说法正确的是()． A．必须对信号进行调制 B．必须使信号产生电谐振 C．必须把传输信号加到高频电流上 D．必须使用调幅的方法 解析电磁波的发射过程中，为了将低频信号发射出去，一定要对发射的电磁信号进行调制，调制的方法有两种，一是调幅、二是调频，故A、C正确．答案AC 2．下列关于无线电广播的叙述中，不正确的是()． A．发射无线电广播信号必须采用调频方式 B．发射无线电广播信号必须进行调制 C．接收无线电广播信号必须进行调谐 D．接收到无线电广播信号必须进行解调才能由扬声器播放 解析发射无线电广播信号必须经过调制，可以采用调频，也可以采用调幅，所以A错误，B正确；接收无线电信号必须经过调谐也就是选台，C正确； 由于无线电波中有高频信号，所以要经过解调将低频信号检出，才能由扬声器播放，D正确．答案 A 3．下列对无线电广播要对电磁波进行调制的原因的说法正确的是()．A．经过调制后的高频电磁波向外辐射能量的本领更强 B．经过调制后的电磁波在空间传播得更快 C．经过调制后的电磁波在空间传播波长才能不变 D．经过调制后的高频电磁波才能把我们要告知对方的信号有效地传递出去解析要将电磁波有效地发射出去，必须有足够高的频率，而需要传递的声音信号通常频率较低，无法直接发射，必须借助于载波携带，因此必须通过调制将信号加到载波上才能有效地向远处传递，从而把我们要告知对方的信
号有效地传递出去．故D选项正确．答案 D 4．一台最简单的收音机，除了接收天线和扬声器外，至少还必须具备下列哪几个单元电路()． A．调谐电路B．调制电路 C．振荡电路D．检波电路 解析最简单的收音机具有调谐电路和检波电路．答案AD 5．关于电视信号的发射，下列说法正确的是()． A．摄像管输出的电信号可以直接通过天线向外发射 B．摄像管输出的电信号必须“加”在高频等幅振荡电流上，才能向外发射C．伴音信号和图像信号是同步向外发射的 D．摄像管摄取景物并将景物反射的光转化为电信号，实现光电转换 解析摄像管输出的电信号频率低，不易直接发射出去，必须“加”在高频等幅振荡电流上才能发射出去；伴音信号和图像信号是同步发射的；摄像过程实现的是光电转换．故正确答案为B、C、D.答案BCD 6．下列关于信息传递的说法中，正确的是()． A．声、光和电磁波中，只有电磁波能够传递信息 B．固定电话、移动电话、广播和电视都是利用导线中的电流传递信息的C．摄像机拍得的物体图像，直接通过发射天线发射传播信息 D．微波通信、卫星通信、光纤通信、网络通信都可以用传递信息 解析声音可以传递信息，人们非常的熟悉，光也可以传递信息，所以A项错；移动电话、无线电广播和电视都是无线传递的，所以B项错；摄像机拍得的物体图像，通过调制高频的无线电波到发射天线发射传播信息，C项错； 只有D项对．答案 D 7．一位观众在某剧场观看演出，他的座位离扬声器有20 m远；另一位观众在家里的电视机旁收看实况转播，他的家离剧场20 k m远，那么，他们两人谁先听到演员的歌声？(声速约为340 m/s)
无线电波的传播特性 1、无线电波的传播特性及信号分析 甚低频VLF 3-30KHz 超长波1KKm-100Km 空间波为主海岸潜艇通信;远距离通信;超远距离导航低频LF 30-300KHz 长波10Km-1Km 地波为主越洋通信;中距离通信;地下岩层通信;远距离导航中频MF 0.3-3MHz 中波1Km-100m 地波与天波船用通信;业余无线电通信;移动通信;中距离导航高频HF 3-30MHz 短波100m-10m 天波与地波远距离短波通信;国际定点通信 甚高频VHF 30-300MHz 米波10m-1m 空间波电离层散射（30-60MHz）;流星余迹通信;人造电离层通信（30-144MHz）;对空间飞行体通信;移动通信 超高频UHF 0.3-3GHz 分米波1m-0.1m 空间波小容量微波中继通信;（352-420MHz）;对流层散射通信（700-10000MHz）;中容量微波通信（1700-2400MHz） 特高频SHF 3-30GHz 厘米波10cm-1cm 空间波大容量微波中继通信（3600-4200MHz）;大容量微波中继通信（5850-8500MHz）;数字通信;卫星通信;国际海事卫星通信（1500-1600MHz） ELF 极低频3~30Hz SLF 超低频30~300Hz ULF 特低频 300~3000Hz VLF 甚低频3~30kHz LF 低频30~300kHz 中波，长波 MF 中频300~3000kHz 100m~1000m 中波 AM广播 HF 高频 3~30MHz 10~100m 短波短波广播 VHF 甚高频 30~300MHz 1~10m 米波FM广播 UHF 特高频 300~3000MHz 0.1~1m 分米波 SHF 超高频3~30GHz 1cm~10cm 厘米波 EHF 极高频30~300GHz 1mm~1cm 毫米波 无线电波按传播途径可分为以下四种：天波—由空间电离层反射而传播；地波—沿地球表面传播；直射波—由发射台到接收台直线传播；地面反射波—经地面反射而传播。无线电波离开天线后，既在媒介质中传播，也沿各种媒介质的交界面（如地面）传播，具有一定的规律性，但对它产生影响的因素却很多。 无线电波在传播中的主要特性如下： （1）直线传播均匀媒介质（如空气）中，电波沿直线传播。 （2）反射与折射电波由一种媒介质传导另一种媒介质时，在两种介质的分界面上，传播方向要发生变化。由第一种介质射向第二中介质，在分界面上出现两种现象。一种是射线返回第一种介质，叫做反射； 另一种现象是射线进入第二种介质，但方向发生了偏折，叫做折射。一般情况下反射和折射是同时发生的。 入射角等于反射角，但不一定等于折射角。反射和折射给测向准确性带来很大的不良影响；反射严重是，测向设备误指反射体，给干扰查找造成极大困难。 （3）绕射电波在传播途中，有力图绕过难以穿透的障碍物的能力。绕射能力的强弱与电波的频率有关，又和障碍物大小有关。频率越低的电波，绕射能力越弱；障碍物越大，绕射越困难。工作于80米（375MHZ）波段的电波，绕射能力是较强的，除陡峭高山（相对高度在200米以上）外，一般丘陵均可逾越。2米波段的电波绕射能力就很差了，一座楼房，或一个小山丘，都可能使信号难以绕过去。 （4）干涉直射波与地面反射波或其它物体的反射波在某处相遇时，测向收到的信号为两个电波合成后的信号，其信号强度有可能增强（两个信号跌叠加）也可能减弱（两个信号相互抵消）。这种现象称为波的干涉。产生干涉的结果，使得测向机在某些接收点收到的信号强，而某些接收点收到的信号弱，甚至收不到信号，给判断干扰信号距离造成错觉。天线发射到空间的电波的能量是一定的，随着传播距离的增大，不仅在传播途中能量要损耗，而且能量的分布也越来越广，单位面积上获得的能量越来越小。反之，
实验二-电磁波在介质中的传播规律
电磁场与微波技术实验报告 （二） 课程实验：电磁波在介质中传播规律 班级： 姓名： 指导老师： 实验日期： 2015.11.21
电磁波在介质中的传播规律 一、实验目的： 1、用MATLAB 程序演示了电磁波在无损耗、较小损耗和较大损耗情况下的传播博规律； 2、结合图像探讨了电磁波在有耗介质中电场强度和磁场强度的能量变化情况； 3、学会使用Matlab 进行数值计算，并绘出相应的图形，运用MATLAB 对其进行可视化处理。 二、实验原理 1、电磁场的波动方程 一般情况下，电磁场的基本方程是麦克斯韦方程，而我们讨论的介质是各向 同性均匀线性的，即（0,0==j ρ）的情形。麦克斯韦方程组的解既是空间的函数又是时间的函数，而我们只考虑随时间按正弦函数变化的解的形式。对于这种解，其形式可表示成一个与时间无关的复矢量和一个约定时因子()t j ωex p 相乘，这里ω是角频率。在这种约定下，麦克斯韦方程组便可表示成[]1 ΗE ωμj -=?? (1) ΕΗωεj =?? (2) 0=??Ε (3) 0=??Η (4) 对方程（1）两边同取旋度，并将式(2)代入便得 ΕΕεμω2=???? （5） 利用如下矢量拉普拉斯算子定义以及方程（3） ()ΕΕΕ????-???=?2 （6） 方程（5）式变为[]2
022=+?ΕΕk （7） μεω=k （8） 类似地，可得Β所满足的方程为 022=+?ΒΒk （9） 方程（7）和（9）式称为亥姆霍兹（Helmholtz ）方程，是电磁场的波动方程。 2、平面波解 一般的电磁波总可用傅里叶分析方法展开成一系列。单色平面波的叠加。所以，对单色平面波的研究具有重要的理论和实际意义。假定波动方程（7）和（8）式的单色平面波的复式量解为[]3 ()[]r k ΕΕ?-=t j ωex p 0 （10） ()[]r k ΒΒ?-=t j ωex p 0 （11） 式中0Ε,0Β分别为Ε,Β振幅，ω为圆频率，k 为波矢量（即电磁波的传播方向）。 ()[]t kx j ω-ex p 代表波动的相位因子。 为了描述均匀平面波的相位在空间的变化快慢，在此引入相速的概念，即平面波等相位的传播速度。很显然等相位面由下面方程决定[]1 const kr t =-ω （12） 方程（12）两边对时间t 求导可得 k dt dr v ω== (13) 由式（8）可知 εμ1 =v （14） 将（10）和（11）式代入我们上面给出的麦克斯韦方程组可得[]3
电磁波传输损耗及远场区的场强预测 广播电视无线电波的频段较高，电磁波信号传输时以直射波为主，但是也存在反射、绕射和散射等。电磁波在空间传播时，向外传输的电磁波以球面波的形式向外发射，距离越大，球面半径就越大，单点的电磁信号就越小，空间损耗也就越大。另外，电磁波在空间传播的过程中会受到空气中的尘埃、水滴、水汽等物质的影响，造成反射和散射；电磁波在接近地表传输时，会由于地表不是绝对光滑，而是存在高低起伏、树木遮挡、建筑物遮挡、大型水面或湖面的影响，而产生反射、绕射等情况，这样，电磁波信号到达接收天线时就会由各种传播方式传播到的所有信号叠加而成。因为各个地区的地形存在很大差异，同一地区各个方向上的建筑物、树木、河流湖泊等情况也不尽相同，因此这种不是由于空间球面扩散而产生的损耗就是很难预测的；同时，由于各个区域的电磁覆盖情况都不一样，随之带来的电磁干扰情况也不一样，这就更为场强覆盖预测带来难度。 一、球面传播的电磁波的空间损耗
Pr ：接收信号功率 Pt ：发射信号功率 Gt ：发射天线增益 Gr ：接收天线增益 d ：接收和发射天线之间的距离 λ：射频信号波长 有球面面积可计算得 自由空间传播路径损耗（发射天线和接收天线都为点源天线）可写为： 可以看出，传输距离越大，空间损耗越大，频率越高，传输损耗越大。 二、 实际电磁波的传播损耗 电磁波在空间传播时，都会受到空气中的粒子、地面建筑物、地面植被等其他物体的影响，而产生反射、折射、绕射、散射等。电磁波通常不会按照球面波的传输损耗到达接收天线。这样，实际电磁波的传播损耗，在自由空间传播路径损耗的基础上还要加上一些修正值。传播损耗按照性质分类可分为：经验模型、半经验模型、确定性模型。 MHZ mi MHZ Km r t fs f d f d d d P P dB L 1010222log 20log 2058.36log 20log 2045.324log 20)4(log 10log 10)(1010++=++=??????=??????-==λππλ()/24t r r t G G P P d πλ=
实验11.5 电磁波传播特性 Part 1 电磁波参量的测量 一、实验目的 1. 研究电磁波在良导体表面的反射。 2. 利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长λ，确定电磁波的相位常数K 和波速v 。 二、实验仪器 （1）三厘米固态信号发生器1台； （2）电磁波综合测试仪1套； （3）反射板（金属板）2块； （4）半透射板（玻璃板）1块。 三、实验原理和方法 1. 自由空间电磁波参量的测量 当两束等幅，同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内沿相同或相反方向传播时，由于相位不同发生干涉现象，在传播路程上可形成驻波场分布。本实验正是利用相干波原理，通过测定驻波场节点的分布，求得自由空间中电磁波波长λ值，再由 2K v f K πλλω=?? ==? 得到电磁波的主要参数K 和v 等。 电磁波参量测试原理如图1所示，P T 和P R 分别表示发射和接收喇叭天线，A 和B 分别表示固定和可移动的金属反射板，C 表示半透射板（有机玻璃板）。由P T 发射平面电磁波，在平面波前进的方向上放置成45°角的半透射板，由于该板的作用，将入射波分成两束波，一束向A 板方向传播，另一束向B 板方向传播。由于A 和B 为金属全反射板，两列波就再次返回到半透射板并达到接收喇叭天线P R 处。于是P R 收到两束同频率，振动方向一致的两个波。如果这两个波的相位差为π的偶数倍，则干涉加强；如果相位差为π的奇数倍，则干涉减弱。
移动反射板B ，当P R 的表头指示从一次极小变到又一次极小时，则反射板B 就移动了λ/2的距离，由这个距离就可以求得平面波的波长。 设入射波为垂直极化波 0j i E E e φ-= 当入射波以入射角θ1向介质板C 斜入射时，在分界面上产生反射波r E 和折射波t E 。设C 板的反射系数为R ，T 0为由空气进入介质板的折射系数，T c 为由介质板进入空气的折射系数。固定板A 和可移动板B 都是金属板，反射系数均为-1。在一次近似的条件下，接收喇叭天线P R 处的相干波分别为 12100200j r c j r c E RT T E e E RT T E e φφ--=-=- 这里 ()()()1131 223132 K l l KL K l l K l l L KL φφ=+==+=++?= 其中，ΔL =|L 2-L 1|为B 板移动距离，而1r E 与2r E 传播的路程差为2ΔL 。 由于1r E 与2r E 的相位差为21=2K L φφφ?-=?，因此，当2ΔL 满足 ()20,1,2, L n n λ?== 1r E 与2r E 同相相加，接收指示为最大。 当2ΔL 时满足 图1 电磁波参量测试原理图
一、填空题 ▲1．矢量的通量物理含义是矢量穿过曲面的矢量线的总和； 散度的物理意义是矢量场中任意一点处通量对体积的变化率； 散度与通量的关系是散度一个单位体积内通过的通量。 2．散度在直角坐标系z A y A x A A div Z Y X ??+??+??=散度在圆柱坐标系z A A r r rA r A div Z r ??+??+??=??1)(1 ▲3，矢量函数的环量定义 ??=l l d A C ；旋度的定义MAX l S S l d A A rot ??=?→?lim 0； 二者的关系 ???=???l S l d A S d A )(；旋度的物理意义：最大环量密度和最大环量密度方向。 4．旋度在直角坐标系下的表达式)()()(y A x A e x A z A e z A y A e z y z z x y y Z x ??-??+??-??+??-?? ▲5．梯度的物理意义:函数最大变化率和最大变化率方向 ； 等值面、方向导数与梯度的关系是:方向导数是标量场中某一点沿某一方向等值面的变化率，梯度是方向导数的最大值。 6．用方向余弦cos α 、cos β、cos γ写出直角坐标系中单位矢量l e 的表达式γβαcos cos cos z y x l e e e e ++= ▲7．直角坐标系下方向导数l u ??的数学表达式 γβαcos cos cos z u y u x u ??+??+??；梯度γβαcos cos cos z y x e e e ++ ▲8．亥姆霍茨定理表述在有限区域的任一矢量场由它的散度，旋度以及边界条件唯一地确定； 说明的问题是要确定一个矢量或一个矢量描述的场，须同时确定其散度和旋度 ▲9．麦克斯韦方程组的积分表达式分别为 1.?=?S Q S d D ;2.S d t B l d E l S ????-=?;3.0=??S S d B ;4.?????+=?S l S d t D J l d H )( 其物理描述分别为1.电荷是产生电场的通量源 2.变换的磁场是产生电场的漩涡源 3.磁感应强度的散度为0，说明磁场不可能由通量源产生； 4.传导电流和位移电流产生磁场，他们是产生磁场的漩涡源。 ▲10．麦克斯韦方程组的微分表达式分别为 1.ρ=??D ;2.t B E ??-=??; 3.0=??B ; 4.t D J H ??+=?? 其物理描述分别为同第九题 11．时谐场是激励源按照单一频率随时间作正弦变化时所激发的也随时间按照正弦变化的场； 一般采用时谐场来分析时变电磁场的一般规律，是因为1.任何时变周期函数都可以用正弦函数表示的傅里叶级数来描述 2.在线性条件下可以使用叠加原理 ▲12．坡印廷矢量的数学表达式 H E S ?=； 其物理意义 电磁能量在空间的能流密度； 表达式??S S d H E )(的物理意义单位时间内穿出闭合曲面S 的电磁能流大小 ▲13．电介质的极化是指在外电场作用下，电介质中出现有序排列的电偶极子，表面上出现束缚电荷的现象。 两种极化现象分别是 位移极化（无极分子的极化） ；转向极化（有极分子的极化）。
无线电传输途径对传输的影响 无线电波实际上是在各种空间场所内(如沿地表面，电寓层等)传播的。在传播过程中，各种媒质必然要对所传输的电信号产生影响。此外，由于某些媒质的电参数具有明显的随机性，使得通过它传输的电信号也是一个随机信号，故必须考虑实际媒质对电波传播的影响。 1.传输损耗 无线电波在媒质中传播是有能量损耗的。这种能量损耗可能由于大气层对电波的吸收或散射引起，也可能由于电波绕过球形地面或障碍物的绕射而引起。这些损耗都会使收信点的场强小于发信点的场强。 2.衰落现象 所谓衰落，一般是指信号电平随时间的随机起伏。它一般分为吸收型衰落和干涉型衰落两种。 (1)吸收型衰落它是指衰落主要是由于传输媒质电参数的变化，使得信号在媒质中的衰减发生相应的变化而引起的(例如水汽、雨雪等都对无线电波能量有吸收作用)。由于天气情况是随机的，则吸收强弱也有起伏，形成信号的衰落。 (2)干涉型衰落主要是由随机多径干涉现象引起的。在某些传播方式中，收、发两点之间信号有去干条传播途径，由于传输媒质的随机性，使得到达收信点的各条途径的时延随机变化，则合成信号的幅度和相位都发生随机起伏。信号的衰落现象严重地影响电波传播的稳定性和通信系统可靠性。 3．传输失真 无线电波通过媒质传输还会产生失真(振幅失真和相位失真)。产生失真原因一般有两个：一是多径传输效应，另一是媒质的色散效应。 (1)多径传输效应多径传输会引起信号畸变。这是因为无线电波在传播时通过两个以上不同长度的途径到达收信点，收信天线检拾的信号是几个不同途径传来的电波场强之和。由于途径长度有差别，它们到达收信点的时间延迟不同，若多径时延过大，则会引起较明显的信号失真。 (2)色散效应它是由于不同频率的无线电波在媒质中的传播速度有差别而引起的信号失真。载有信息的无线电信号总占据一定频带，当电波通过媒质传播到达收信点时，由于各频率成分传播速度不同而不能保持原信号中的相位关系，引起波形失真。 4．干扰与噪声影响 任何一个收信系统的最小可用信号电平是由系统的噪声(又称噪音)电子决定的。尤其在发信