电波的频率波长传输距离传输速率等问题总结

本文介绍了电磁波的基础知识,包括波长、频率与波速的关系,不同电磁波的传播特性,以及无线电频谱的划分。详细解释了从极低频到极超高频各频段的名称、频率范围及特点,探讨了频率与波长对于电磁波穿透性和传播距离的影响。

原文地址:http://blog.youkuaiyun.com/g1036583997/article/details/17791193

基础知识:


1.波的频率和波长满足关系式:波速=波长×频率,所以频率不同的电磁波在真空中具有不同的波长。

2.电磁波在空间是向各个方向传播的,所有这些电磁波仅在波长(或频率)上有所差别,而在本质上完全相同,且波长不同的电磁波在真空中的传播速度都是电磁波的传播速度,即等于光速,是3x10e8米/秒。在空气中和在真空中近似。

3.不同频率(或不同波长)的电磁波的传播速度都相同,电磁波的频率愈高,相应的波长就越短。所以频率较大的电磁波,波长较短。无线电波的波长最长(频率最低),而射线的波长最短(频率最高)。

4.无线电频谱:通常无线电波所指的是从极低频10KHz到极超高频的顶点30GHz(Giga Hertz),因为超出这个范围以外的无线电频谱,其特性便有很大不同了,例如光线、X射线等,而在上述10KHz到30GHz,通常划分成七个区域,参看下表,其中高频3~30MHz就是我们通常所说的短波。

无线电频谱的划分:
极低频 VLF Very Low Frequency频率范围 10KHz - 30KHz
低频 LF(俗称长波LW)Low Frequency 频率范围 30KHz - 300KHz
中频 MF (俗称中波MW)Medium Frequency 频率范围 30KHz - 3000KHz
高频 HF (俗称短波SW)High Frequency 频率范围 3MHz - 30MHz
极高频 VHF(俗称超短波,而频率在88-108MHZ范围的民用广播则俗称为调频电台FM)Very High Frequency 频率范围 30MHz - 300MHz
超高频 UHF Ultra High Frequency 频率范围 300MHz - 3000MHz
极超高频 SHF Super High Frequency 频率范围 3000MHz - 30000MHz

5. 关于穿透性,波长越长,频率越低,穿透性越好(衍射,入和出不是同一个微波粒子)。

7.频率越高,波长越短,能量越大,穿刺能力越强(同物体内部穿过,入和出是同一个微波粒子,如X射线Y射线)。且频率高带宽大,传输速率高,传播距离近(衍射能力弱,能量在穿刺工程中消耗)。

备注:

       由于微波频率很高,所以在不大的相对带宽下,其可用的频带很宽(时域中时间相对越短,频域中相对越宽),可达数百甚至上千兆赫兹。这是低频无线电波无法比拟的。这意味着微波的信息容量大,所以现代多路通信系统,包括卫星通信系统,几乎无例外都是工作在微波波段。另外,微波信号还可以提供相位信息,极化信息,多普勒频率信息。这在目标检测,遥感目标特征分析等应用中十分重要
       微波的频率范围分为:
米波:波长10m→1m。频率30MHz→300MHz。
分米波:波长10dm→1dm。频率300MHz→3000MHz。
厘米波:波长10cm→1cm。频率3000MHz→30000MHz。
毫米波:波长10mm→1mm。频率3ooooMHz→300000MHz。

       沿地面传播的无线电波叫地波,又叫表面波。电波的波长越短,越容易被地面吸收,因此只有长波和中波能在地面传播。地波不受气候影响,传播比较稳定可靠。但在传播过程中,能量被大地不断吸收,因而传播距离不远。所以地波适宜在较小范围里的通信和广播业务使用。
在无线信道通信中,频率较低的电磁波趋于沿弯曲的地球表面传播,有一定的绕射能力。这种传播方式成为地波传输。在低频和甚低频段,地波能够传播超过数百千米或数千千米
        沿地面传播的无线电波叫地波。当天线架设较低,且其沿地面方向为最大辐射方向时,主要是地波传播。地波传播的特点是信号比较稳定,基本上不受天气的影响,但随着电波频率的升高,传输损耗迅速增大。因此,这种方式更加适合长波的低频传输。
信号的频率带宽是指信号所占据的频率范围,通常定义为信号中最高频率成分与最低频率成分之间的差值。频率带宽是衡量信号传输能力的重要参数之一,它直接影响信号的传输速率传输质量。在通信系统中,带宽的大小决定了系统能够支持的数据传输速率[^2]。 ### 信号的传输方式 信号的传输方式可以分为**有线传输**和**无线传输**两大类: 1. **有线传输**: - **同轴电缆**:常用于电视信号和早期的以太网通信,具有较好的屏蔽性能和较高的带宽。 - **双绞线**:广泛应用于局域网(LAN)中,通过将两根导线绞合在一起减少电磁干扰。 - **光纤**:利用光脉冲传输数据,具有极高的带宽和较低的损耗,适用于长距离、高速率的数据传输。例如,在量子密钥分发(QKD)系统中,1550 nm波长用于传输量子信号,而1310 nm波长用于传输经典信号,通过波分复用器(WDM)实现信号的结合与分离[^3]。 2. **无线传输**: - **无线电波**:用于广播、电视、移动通信等领域,频率范围从几千赫兹到几百吉赫兹。 - **微波**:用于卫星通信、移动通信和无线局域网(WLAN),具有较高的频率和较短的波长。 - **红外线**:用于短距离通信,如遥控器和红外数据交换(IrDA)。 ### 信号传输中的关键因素 - **信号强度**:信号在传输过程中会因距离、介质损耗等因素而衰减,因此需要考虑信号的初始强度和传输路径中的损耗。 - **噪声**:环境噪声和其他干扰会影响信号的质量,因此需要采取措施提高信噪比。 - **增益控制**:为了保证信号的稳定性和避免饱和,通常采用程序可控的放大增益来调整信号强度[^2]。 - **滤波**:通过滤波器选择特定的频率范围,以去除不需要的噪声和干扰信号,确保信号的纯净度。 ### 信号的频率波长关系 信号的频率波长之间存在反比关系,即频率越高,波长越短。这一关系可以用公式表示为: $$ \lambda = \frac{c}{f} $$ 其中,$\lambda$ 是波长,$c$ 是光速(约为 $3 \times 10^8$ 米/秒),$f$ 是频率。 ### 信号传输效率 信号的传输效率受到种因素的影响,包括传输介质的特性、信号的频率传输距离等。在无线传输中,信号的传播方式(如直射、反射、折射、散射)也会影响传输效率。 ### 示例代码 以下是一个简单的 Python 代码示例,用于计算给定频率波长: ```python def calculate_wavelength(frequency): c = 3e8 # Speed of light in meters per second wavelength = c / frequency return wavelength # Example usage frequency = 2.4e9 # 2.4 GHz wavelength = calculate_wavelength(frequency) print(f"The wavelength for a frequency of {frequency} Hz is {wavelength} meters.") ```
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