微波：波速、相速、群速和能量传输速度的区别与联系

波速、相速、群速、能量传输速度1、定义波速（wave celerity）：单位时间内波形传播的距离，以波长与波周期之比表示.V=入/T.相速(phase velocity)：相速度,单一频率的正弦电磁波波的等相面（例如波峰面或波谷面）在介质中传播的速度v=c/n，c为自由空间中的光速，n为介质对该频率电磁波的折射指数。

在理想介质中，电磁波的相速仅与介质参数有关.群速(group velocity)：（1）、波列作为整体的传播速度（2）波群传播的速度。

波的群速度，简称群速，是指波的包络传播的速度。

实际上就是波实际前进的速度。

群速是一个代表能量的传播速度。

概念引入原因：实用系统的信号总是由许多频率分量组成，在色散介质中，各单色分量将以不同的相速传播，因此要确定信号在色散介质中的传播速度就发生困难，为此引入群速的概念，它描述信号的能量传播速度。

能量传播速度：群速是波群的能量传播速度.2、相互关系（1）相关概念非色散介质：无线电波在介质中传播时，介电常数ε与频率无关，波的传播速度也与频率无关的介质；色散介质：与此相反，如果介电常数ε或传播速度v与频率有关的介质.正常色散：一切无色透明介质在可见光区域均表现为正常色散。

特点：波长变大时，由v=λf,频率不变，则V增大。

而n=c/v，则折射率值n变小，角色散率D变小。

反常色散：在某些波段会出现，波长变大时折射率值增大的现象，这称为反常色散。

反常色散同样是物质的普遍性质。

反常色散与选择吸收密切相关，即在发生物质的选择吸收波段附近出现反常色散。

角色散率：由夫琅和费衍射理论知，产生衍射亮条纹的条件（光栅方程）：dsinθ=kλ（k＝ 1， 2，…， n）光栅方程对λ微分，就可得到光栅的角色散率：ψ=Δθ/Δλ=k/dcos.角色散率是光栅、棱镜等分光元件的重要参数，随着k的增大，色散率也就越大。

它表示单位波长间隔内两单色谱线之间的角间距，当光栅常数d愈小时，角色散愈大；光谱的级次愈高，角色散也愈大。

射频/微波的特点: 1.频率高 2.波长短 3.大气窗口 4.分子谐振 微波频率：300MHz-3000GHz 波长：0.1mm-1m独特的特点：RF/MW 的波长与自然界物体尺寸相比拟在RF/MW 波段，由于导体的趋肤效应、介质损耗效应、电磁感应等影响，期间区域不再是单纯能量的集中区，而呈现分布特性。

长线概念：通常把RF/MW 导线（传输线）称为长线，传统的电路理论已不适合长线！ RF/MW 系统的组成：传输线：传输RF/MW 信号微波元器件：完成微波信号的产生、放大、变换等和功率的分配、控制及滤波 天线：辐射或接收电磁波微波、天线与电波传播的关系：（简答）微波： 对象：如何导引电磁波在微波传输系统中的有效传输目的：希望电磁波按一定要求沿微波传输系统无辐射的传输； 天线任务：将导行波变换为向空间定向辐射的电磁波，或将在空间传播的电磁波变为微波设备中的导行波 作用：1.有效辐射或接收电磁波；2.把无线电波能量转换为导行波能量 电波传播分析和研究电波在空间的传播方式和特点常用传输线机构：矩形波导 共面波导 同轴线 带状线微带线 槽线分析方法场分析法：麦克斯韦方程满足边界条件的波动解传输线上电磁场表达式分析传输特性等效电路法：传输线方程满足边界条件的电压电流波动方程的解沿线等效电压电流表达式分析传输特性 称为传输线的特性阻抗特性阻抗Z0通常是个复数, 且与工作频率有关。

它由传输线自身分布参数决定而与负载及信源无关, 故称为特性阻抗对于均匀无耗传输线, R=G=0, 传输线的特性阻抗为 此时, 特性阻抗Z0为实数, 且与频率无关。

常用的平行双导线传输线的特性阻抗有250Ω, 400Ω和600Ω三种。

常用的同轴线的特性阻抗有50 Ω 和75Ω两种。

均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗及工作频率有关, 且一般为复数, 故不宜直接测量。

无耗传输线上任意相距λ /2处的阻抗相同, 一般称之为λ /2重复性。

信号速度，相速度及群速度的区别胡良深圳市宏源清实业有限公司摘要：光子具有波粒二象性，粒子具有波粒二象性，任何孤立量子体系都具有波粒二象性关键词：信号速度，相速度，群速度作者：总工，高工，硕士，副董事长1信号速度的内涵光子具有波粒二象性，粒子具有波粒二象性，任何孤立量子体系都具有波粒二象性；对于光子，粒子及孤立量子体系来说，其内禀的速度可表达为：p E p E k f V n ∂∂=∂∂=∂∂=)/()/( ，其中，n V ，孤立量子体系内禀的一维空间速度，或粒子内禀的一维空间速度或光子内禀的一维空间速度（光速），量纲是，[L^(1)T^(-1)]；E ，能量，量纲是，[L^(3)T^(-1)]*[L^(2)T^(-2)]；p ，动量，量纲是，[L^(3)T^(-1)]*[L^(1)T^(-1)]；，约化普朗克常数（或，固有的普朗克常数），量纲是，[L^(3)T^(0)]*[L^(2)T^(-2)]；f ，频率，量纲是，[L^(0)T^(-1)]；k ，波数，量纲是，[L^(-1)T^(0)]。

值得一提的是，最大的信号速度是真空中的光速，这意味着超光速通信是不可能实现的。

2群速度的内涵信号速度，相速度及群速度的内涵是有所不同的；但是，在绝对的真空中，则，信号速度，相速度及群速度是不可能区分的。

群速度（与选择的参考系相关），即，波的群速度，是指波振幅外形上的变化（波包）在空间中所传递的速度。

群速度可表达为：k f V g ∂∂= ，其中，g V ，群速度，量纲是，[L^(1)T^(-1)]；f ，波的角频率，量纲是，[L^(0)T^(-1)]；k ，波数（波矢），量纲是，[L^(-1)T^(0)]。

第一，如果波的角频率（f ）正比于波数（k ），即，k V f * =；则群速度等于相速度，波形在传播过程中不会被扭曲。

第二，如果波的角频率（f ）与波数（k ）体现为线性关系；此时，群速度及相速度不同；波包以群速度传播，而波包里的波峰及波谷以相速度传播。

§6-4 光的相速度和群速度折射率是光在真空中和介质中传播速度的比值，即v c n /=，通常可以通过测定光线方向的改变并应用折射定律()21sin /sin i i n =来求它，但原则上也可分别实测c 和v 来求它们的比值，用近代实验室方法，不难以任何介质中的光速进行精确的测定，例如水的折射率为，用这两种方法测得的结果是符合的，但对二硫化碳，用光线方向的改变的折射法测得的折射率为，而1885年迈克耳孙用实测光速求得的比值则为，其间差别很大，这绝不是由实验误差所造成的，瑞利找到了这种差别的原因，他对光速概念的复杂性进行了说明，从而引出了相速度和群速度的概念。

按照波动理论，这种通常的光速测定法相当于测定由下列方程所决定的波速的数值： ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=v r t A E ωcos 不难看出，这里v 所代表的是单色平面波的一定的位相向前移动的速度，因为位相不变的条件为 常量=-vr t 由此得到 01=-dr vdt 或 dt dr v = (6-1) 所以这个速度称为位相速度（简称相速），这速度的量值可用波长和频率来计算。

波的表达式部是t 和r 的函数,可以写成下列形式：()kr t A E -=ωcos式中v πω2= 和λπ/2=k 都是不随 t 和 r 而改变的量，故位相不变的条件为kr t -ω=常量0=-kdr dt ω由此得或 λωv kv dt dr === (6-2) （6-2）式表示的位相速度乃是严格的单色波地(ω有单一的确定值)所特有的一种速度，单色波以t 和r 的余弦函数表达,ω为常量，这种严格的单色波的空间延续和时间延续都是无穷无尽的余弦（或正弦）波，但是这种波仅是理想的极限情况，实际所到的永远是形式不同的脉动，这种脉动仅在空间某一有限范围内、在一定的时间间隔内发生，在时间和空间上都是有起点和终点的，任何形式的脉动都可看成是由无限多个不同频率、不同振幅的单色正弦波或余弦波叠加而成的，即可将任何脉动写成傅里叶级数或傅里叶积分的形式，在无色散介质中所有这些组成脉动的单色平面波都以同一相速度传播，那么该脉动在传播过程中将永远保持形状不变，整个脉动也永远以这一速度向前传播，但是除真空以外，任何介质通常都具有色散的特征，就是说，各个单色平面波各以不同的相速传播，其大小随频率而变，所以由它们叠加而成的脉动在传播过程中将不断改变其形状，在这种情况下，关于脉动的传播速度问题就变得比较复杂了，观察种脉动时，可以先认定它上面的某一特殊点，例如振幅最在大的一点，而把这一点在空间的传播速度看作是代表整个脉动的传播速度，但是由于脉动形状的改变，所选定的这一特殊点在脉动范围内也将不断改变其位置，因而该点的传播速度和任何一个作为组成部分的单针平面波的相速都将有所不同，按照瑞利的说法，这脉动称为波群，因而脉动的传播速度称为群速度，简称群速，现在仅就一个简化的例子来讨论两种速度的关系。

微波：波速、相速、群速和能量传输速度的区别与联系波速、相速、群速、能量传输速度1、定义波速（wave celerity）：单位时间内波形传播的距离，以波长与波周期之⽐表⽰.V=⼊/T.相速(phase velocity)：相速度,单⼀频率的正弦电磁波波的等相⾯（例如波峰⾯或波⾕⾯）在介质中传播的速度v=c/n，c为⾃由空间中的光速，n为介质对该频率电磁波的折射指数。

在理想介质中，电磁波的相速仅与介质参数有关.群速(group velocity)：（1）、波列作为整体的传播速度（2）波群传播的速度。

波的群速度，简称群速，是指波的包络传播的速度。

实际上就是波实际前进的速度。

群速是⼀个代表能量的传播速度。

概念引⼊原因：实⽤系统的信号总是由许多频率分量组成，在⾊散介质中，各单⾊分量将以不同的相速传播，因此要确定信号在⾊散介质中的传播速度就发⽣困难，为此引⼊群速的概念，它描述信号的能量传播速度。

能量传播速度：群速是波群的能量传播速度.2、相互关系（1）相关概念⾮⾊散介质：⽆线电波在介质中传播时，介电常数ε与频率⽆关，波的传播速度也与频率⽆关的介质；⾊散介质：与此相反，如果介电常数ε或传播速度v与频率有关的介质.正常⾊散：⼀切⽆⾊透明介质在可见光区域均表现为正常⾊散。

特点：波长变⼤时，由v=λf,频率不变，则V增⼤。

⽽n=c/v，则折射率值n变⼩，⾓⾊散率D变⼩。

反常⾊散：在某些波段会出现，波长变⼤时折射率值增⼤的现象，这称为反常⾊散。

反常⾊散同样是物质的普遍性质。

反常⾊散与选择吸收密切相关，即在发⽣物质的选择吸收波段附近出现反常⾊散。

⾓⾊散率：由夫琅和费衍射理论知，产⽣衍射亮条纹的条件（光栅⽅程）：dsinθ=kλ（k＝ 1， 2，…， n）光栅⽅程对λ微分，就可得到光栅的⾓⾊散率：ψ=Δθ/Δλ=k/dcos.⾓⾊散率是光栅、棱镜等分光元件的重要参数，随着k的增⼤，⾊散率也就越⼤。

它表⽰单位波长间隔内两单⾊谱线之间的⾓间距，当光栅常数d愈⼩时，⾓⾊散愈⼤；光谱的级次愈⾼，⾓⾊散也愈⼤。

相速度与群速度群速度和相速度是导波理论中的重要概念，也是导波的主要参数。

群速度（c g ）是指脉冲波的包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度，它是波群的能量传播速度。

通俗的说，群速度是关于一族频率相近的波的传播速度。

而相速度（c p ）是波上相位固定的一点传播方向的传播速度。

值得注意的是，导波以其群速度向前传播。

Lord Rayleigh 曾说过：“群速度的概念常用下面这个例子说明，即当一族波列到达一个静止水面时，波群的速度比它所包含的每一个子波的速度都要小；这些子波仿佛通过波群前进，当达到其内部极限时而消失。

”群速度和相速度的意义可以通过波的叠加引出。

谐波是最简单的波，一个谐波的振动方程可以表示成式（2.1）的形式。

()t kx Acos u ω-=（2.1）式中： u----质点振动的位移A----振幅k----波数，k=2π/λ，λ为波长 ω---振动的角频率 x----波传播的位置矢量 t----时间变量最简单的分析法是考虑两个振幅相同，频率ω1和ω2略有差异的谐波的传播问题，有)()t x k Acos t x k Acos u 2211ωω-+-=（2.2）式中，k 1=ω1/c 1；k 2=ω2/c 2。

通过三角变换和如下代换 △ω=ω2-ω1 △k=k 2-k 1 ωA V =1/2(ω2+ω1) k A V =1/2(k 2+k 1) c A V =ωA V /k A V则()t x k cos t21kx 212Acos uAV AV ωω-⎪⎭⎫⎝⎛∆-∆=注意到低频项有一传播速度，群速度定义为 C g =△ω/△k 取极限为C g =d ω/dk 。

高频项同样有一传播速度，相速度定义为 C p =ω/k频率相近的一族波的叠加导致了图 2.2中的典型结果。

不同的谐波以不同的相速度C p 传播，但叠加起来之后的波群以群速度C g 传播。

超声导波总是以群速度传播的，但由于实际应用中往往只能得到导波的相速度，群速度C g 可以由相速度C p ，利用公式dkd c g ω=得到，将k=ω/c p 代入上式，得图2-2 群速度、相速度示意图)fd (d dc)fd (c c d dcc c c dc cd d c d d c p2p 2ppp 2p2ppppg -=-=-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ωωωωωωω因此)fd (d dc)fd (c c c p2p 2pg -=(2.3)此时就可以通过式 2.3得到导波的群速度[51]。

电磁波的波速、相速、群速、能速为了方便介绍，我们考虑最简单的电磁波形式：简谐均匀平面波。

通常可以写成形式：E=E0*exp(jωt-jk*r)，理论上E0为复矢量，其中包含的初始相位，不妨假设为0。

这个涉及了两个主要参量：1、时间参量ω，称为角频率。

与周期T，频率f的关系是：ω=2πf=2π / T。

2、空间参量k（矢量，表示传播方向），称相位系数或角波数，与波长λ的标量关系是：k=2π / λ。

这个参量的关系是：k=ω*sqrt（εμ），ε：介电常数，μ：磁导率。

1、波速（Wave Velocity）波传播的示意图波速是指单位时间内，（电磁）波形传播的距离，即V=λ / T=λf。

真空中电磁波波速为光速c。

这里需要注意的是周期和频率只取决于波源的振动频率；波速与介质的物理性质相关；波长取决于波速和频率，两者任意一个变化，波长也随之变化。

2、相速（Phase Velocity）相速是指等相位面的传播速度，相速说的是某一频率的波形在介质中的传播速率，只代表相位变化的快慢，不能真正反映电磁波能量的传播速度。

对简谐均匀平面波而言，等相位面是指jωt-jk*r=0，相速Vp=dr/dt=ω / k=1/sqrt(εμ)。

在均匀各向同性的介质中，相速与波速相等与电磁波的频率无关。

而对于色散介质来说，其介电常数ε是复数还与频率相关，传播系数也是复数，电磁波在这种介质传播时相速会随频率变化，这种现象称为材料色散，在色散介质中，相速可能大于光速。

相速与群速的示意图见下图。

3、群速（Group Velocity）相速、群速示意图以上讲的简谐均匀平面波是一种单色波，具有单一、确定的频率ω和波数k。

但这种单色波不携带任何信号，任何信号都是由不同频率的单色波组成，形成一个波谱。

在真空或非色散介质中，信号中所有频率分量都以同一速率传播。

群速就是一群不同频率的波包络传播的速度，Vg=dω / dk。

一般情况下，群速也代表能速，表示能量传播速度。

关于相速度、群速度、信号速度作者：自出洞来读了"对《这是编译还是胡编？--评新浪科技的一则新闻》的说明"一文后，觉得有些内容，特别是文中故儒的附文"误解可能来自一些量子力学课本"的描述，给广大读者造成了混乱。

在此觉得有必要澄清一下概念。

首先声明本人是著名（或曾经很著名）重点大学物理系毕业，如所言有错，欢迎广大新语丝网友批评指正。

关于到底是相速度还是群速度可以超过真空中的光速（以下简称c），正确答案是复杂的，这里涉及到反常色散（和介质的吸收带有关）的问题。

所谓相速度，指的是单一频率的波的传播速度，在正常色散的情况下它不可能超过c。

但是实际存在的波不是单频的，媒质对这个（或这些）波必然是色散的，那么，传播中的波由于各不同频率的成分运动快慢不一致，会出现扩散，但假若（注意这个假设）这个波是由一群频率差别不大的简谐波组成，这时在相当长的传播途程中总的波仍将维持为一个整体，以一个固定的速度运行。

这个特殊的波群称为"波包"，这个速度称为群速度。

与相速度不同，群速度的值比波包的中心相速度要小，并且二者的差值同中心相速度随波长而变化的平均率成正比。

群速度是波包的能量传播速度，也是波包所表达信号的传播速度（这是在上述假设的基础上）。

这也是Bohm的《量子理论》中写的（见故儒的附文）：In general, the phase velocity has little physical significance; for example, the speed of transmission of a signal through a dielectric is given by the group velocity, as is also the speed of transport of energy.Bohm写得没错，在一般情况下确实如此，他并没有混淆群速度与信号传送速度。