1.1 电磁波- -麻雀减少之谜

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老子说："常无，欲以观其妙"。无形的事物总足给人玄妙不易掌握的感觉。远古的时候，人类没有远距离传送信息的方式，远程沟通是一件奇妙且不可想象的事情。

人类在不断地探索，文字的出现使得人类的意图有了直观的表现形式，通过书信远距离传送信息成为现实。"常有,欲以观其樣(橄，jiao，边界）"，有形的事物必然会有其边界，自然就会有局限性，书信传达信息的局限性很明显，最显著的特点就是慢，用时较长，不便于反复确认。人类自然就会想到:如果声音可以像书信那样远传就好了。

人类还是在不断地探索。1875年，贝尔的"沃森特先生，快来帮帮我"成为人类通过电话传送的第一句话，标志着有线电话的诞生。

但是"有无相生"，人类自然在想：有线还不是很方便，能否通过无线的方式传送话音呢？人类一思考，上帝就会发笑，心说，"通过电闪雷鸣的现象我告诉你们很多遍了，你们还是不知道！”

无形的东西确实很玄妙，掌握起来也确实比较困难。我们伟大的祖先发现了人体中存在一种无形的气血运行通道，就是经络；西方解剖学无法证实，很长时间怀疑它的存在。

麦克斯韦预言电磁波的存在，最初也遭到了学者的怀疑，正如经络学遭到质疑一样。智者眼里看到的，普通受众无法理解，有时还称智者为胡言乱语。

1887年赫兹证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言，才找到了话音远距离无线传送的载体。那么，我们首先来了解一下电磁波是什么，其在空间传播有怎样的特点，如何度量其在自然空间的传播损耗，电磁波的传播损耗随空间距离的变化规律是怎样的，工程上如何建立传播模型等概念。

1.1 电磁波- -麻雀减少之谜

电磁波：Electromagnetic Wave

重要程度：***** 难易程度：*

趣闻：英国曾有2400万只"家养"麻雀。这些麻雀都在房屋阁楼处做窝，每天在各家花园内嬉戏，成为英国一道风景线，然而，近年来，英国麻雀数量突然急剧减少。英国科学家对此百思不得其解。有人认为是猫吃了麻雀；有人认为是无铅汽油影响了虫子的生存，而麻雀就靠这种虫子来喂养小麻雀；还有人认为是建筑阁楼被封闭，使得麻雀无法做窝。最近，英国的科学家和动物学家指出，手机发出的电磁波是造成麻雀失踪的罪魁祸首：英国人从1994年开始大量使用手机。正是在这些年中，英国麻雀开始大量减少。研究表明，电磁波影响麻雀的方向感。麻雀依靠地球磁场来辨别方向，电磁波会干扰麻雀找路的能力。研究还表明，电磁波还会影响动物的精子數量和排卵功能。

电磁波首先是-种波，这里简单回顾下描述波的基本特征的参量:幅值(A）、相位、波速（v）、波长（入）、频率(f） 和周期（T），如图1-1所示。

波的参量之间存在如下关系：

f=1/T (1-1)；

v=入/T=入f （1-2）；

电磁波是电磁场的一种运动形态，是在空间传播的周期性变化的电磁场。电场和磁场的振动方向相互垂直，二者和波的传播方向也垂直，所以电磁波是横波。电与磁可以说是一体两面，变化的电流会产生磁场，变化的磁场又会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分隔的统一的场。电磁波在自由空间的速度是光速c=3*10的八次方m/s，因此描述电磁波的基本特征有3个量就可以了，即幅值、频率、 相位，如图1-2所示。周期是频率的倒数，波长由速度和频率决定，不是一个独立 的量。

在低频的电破振荡中，电磁之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有辐射出去；在高频的电磁振荡中，电磁互变很快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场，与磁场的周期变化会以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释放出电磁波。电磁波无影无踪（除光波外），但无处不在；电磁波功在千秋（承载信息）、但又罪在不赦（干扰辐射〉。电磁波脾气古怪，但又踏实肯干。

下面介绍一些和电磁波相关的知识。

麦克斯韦方程组---传大的理论、孤独的灵魂

重要程度：* 难易程度：****

麦克斯韦方程组：Maxwell's Equations

趣闻：麦克斯韦晚年的生活充满了烦恼，他的学说没有人理解，妻子又久病不愈。这双重的不幸，压得他筋疲力尽。为了看护妻子，他曾经连续3个星期没有在床上睡觉。尽管这样，他的演讲，他的实验室工作，却从来没有中断过。1879年是麦克斯韦生命的最后一年，他仍然坚持不懈地宣传电磁理论。这时，他只有两个听众，一个是来自美国的研究生，另一个是后来发明电子管的弗莱明。空旷的阶梯教室里，只有后排坐着两个学生。麦克斯韦夹着讲义，照样步履坚定地走上讲台，他面孔消瘦，表情严肃而庄重，仿佛他不是在向两个听众，而是在向全世界解释自己的理论，如图1-3所示。

1879年11月5日，麦克斯韦因患癌症去世，终年只有49岁。他的功绩，在它活着的时候没有得到人们的重视。在赫兹证明了电磁波存在以后，人们才公认麦克斯韦是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。

了解麦克斯韦方程组之前首先需要了解一下通量的概念。假若高速公路上有一排收费站，进入收费站多少辆车，就从收费站出来多少辆车，则在收费站净停留的车辆数为0，也就是净通量为0。假若进入收费站5辆车，从收费站只出来4辆车，在收费站坏了一辆车，这叫净通量为1，如图1-4所示。

麦克斯韦方程组用精确的数学公式描述出了电场、磁场的性质及电场、磁场互变的规律。具体来说包括以下电磁波的规律：

1)变化的磁场激发电场，变化的电场激发磁场；

2)磁场激发的感应电场是旋涡场，它的电力线是闭合的.封闭曲面的电场净通量为零，也就是说进入封闭曲面多少电场通量，就从封闭曲面出来多少电场通量，如图1-5所示。

3）变化的电场激发的磁场也是旋涡场，磁感应线是闭合线，封闭曲面的磁场净通量为零，也就是说进入封闭曲面多少磁场通量，就从封闭曲面出来多少磁场通量，如图1-5所示。

赫兹---戴维也是这么想的

重要程度：*** 难易程度：*

赫兹：Hertz

插曲：比赫兹实验早7年，一位叫戴维的人也接收到了电磁波信号，他随即向英国皇家协会会长斯托克斯汇报，但斯托克斯认为这只是普通的电磁感应现象，戴維过于迷信权威，对于这一天賜良机未给予重視，他的发现就这样被埋没了，如图1-6所示。

赫兹，德国物理学家，对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在。1888年1月，赫兹将自己的研究成果总结在《论动电效应的传播速度》文屮。赫兹实验公布 后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创，斯韦总结的电磁理论，至此才取得决定性的胜利。为了纪念赫兹，国际单位制中频率的单位被定义为赫兹，它是每秒中的周 期性变动重复次数的计量。

UHF---和军事上的长波不一样

重要程度：** 难易程度：***

UFH：Ultra High Frequency ， 超高频

参考：长波通信是波长为1000~10000m（频率为30~300kHz）的无线电通信。长波通信主要用于军事上，如潜艇通信、地下通信及导航等。在一定范围内，长波通信以地波传播为主，当通信距离大于地波的最大传播距离时，则靠天波来传播信号。长波通信的优点是，通信距离远，能透过山体、海水一定的深度，通信比较稳定可靠。其缺点是，由于波长超长，收发设备及天线系统庞大，造价高；通频带窄，不适于多路和快速通信；易受天电干扰。

无线电波分布于3Hz~3000GHz，在这个频谱内划分为12个带。在不同频段内的频率传播特性不同。频率越小，传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力越强。但低频段频率资源紧张，系统容量有限，因此主要应用于广播、电视、寻呼等系统。高频段频率资源丰富，系统容量大；但频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越小，绕射能力越弱，实现的技术难度越大，系统的成本也相应提高。

超高频（UHF），分米波段，是频率为300~3000MHz的特高频无线电波。移动通信系统选择所用频段要综合考虑覆盖和容量效果。频段与其他频段相比，在覆盖效果和容量之间折中得比较好，被广泛应用于移动通信领域。