电磁波发射原理与方法

电磁波发射原理与方法

一、基本原理

电磁波的发射基于麦克斯韦的电磁理论，即变化的电场会产生变化的磁场，而变化的磁场又会产生变化的电场，这种交替变化的电场和磁场就会形成电磁波并向空间传播。

从微观角度来看，当导体中的电荷做加速运动时，就会在其周围激发变化的电场和磁场，从而产生电磁波。例如，在天线中，交变的电流会使电荷在导体中做往复的加速运动，进而向外辐射电磁波。

二、发射所需条件

（一）要有足够高的振荡频率

根据公式 (E = h\nu)（其中 (E) 是能量，(h) 是普朗克常量，(\nu) 是频率），频率越高，辐射的能量就越大，电磁波传播得也就越远。而且高频振荡电流产生的电场和磁场变化更快，更容易形成电磁波并有效地辐射出去。

（二）采用开放电路

普通的 LC 振荡电路（由电感 (L) 和电容 (C) 组成的振荡电路），电场和磁场主要集中在电容器和电感线圈内部，不利于电磁波的发射。为了将电磁波有效地发射出去，需要把 LC 振荡电路改造为开放电路，让电场和磁场尽可能地分散到空间中。

三、发射过程

（一）产生高频振荡电流

通常使用振荡器来产生高频振荡电流。振荡器是一种能将直流电转换为具有一定频率的交流电的电子电路。常见的振荡器有 LC 振荡器、晶体振荡器等。以 LC 振荡器为例，它利用电感和电容之间的能量交换来产生高频振荡。

（二）信号调制

在实际应用中，我们需要将需要传输的信息（如声音、图像等）加载到高频振荡电流上，这个过程称为调制。调制的目的主要有便于信号传输、实现多路复用以及提高抗干扰能力。以下是常见的调制方式：

模拟调制

• 调幅（AM）
  • 原理：使载波的振幅随调制信号的变化而变化，而载波的频率和相位保持不变。例如，在广播电台中，声音信号（调制信号）通过麦克风转换为电信号，然后对高频载波进行调幅，使得载波的振幅反映声音信号的变化。
  • 优点：实现简单，设备成本低，适用于中波和短波广播等。
  • 缺点：抗干扰能力较差，容易受到噪声和其他干扰信号的影响，而且功率利用率较低。
• 调频（FM）
  • 原理：让载波的频率随调制信号的变化而变化，载波的振幅保持不变。调频广播就是利用这种调制方式，通过改变载波的频率来传输声音信息。
  • 优点：抗干扰能力强，音质好，适用于高质量的音频广播和一些对信号质量要求较高的通信系统。
  • 缺点：占用的频带较宽，设备相对复杂，成本较高。
• 调相（PM）
  • 原理：使载波的相位随调制信号的变化而变化，载波的振幅和频率保持不变。调相在数字通信和一些特殊的通信系统中应用较为广泛。
  • 优点：相位变化能够携带更多的信息，在一定程度上可以提高通信的效率和可靠性。
  • 缺点：实现相对复杂，对系统的稳定性要求较高。

数字调制

• 移幅键控（ASK）
  • 原理：用载波的不同振幅来表示二进制数字信号的“0”和“1”。例如，当发送“0”时，载波的振幅为 0；当发送“1”时，载波具有一定的振幅。
  • 优点：实现简单，设备成本低。
  • 缺点：抗干扰能力较差，容易受到噪声的影响。
• 移频键控（FSK）
  • 原理：通过改变载波的频率来表示二进制数字信号。通常用两个不同的频率分别表示“0”和“1”。例如，在一些低速数据传输系统中，常用 FSK 调制方式。
  • 优点：抗干扰能力比 ASK 强，实现相对简单。
  • 缺点：占用频带较宽，频谱利用率较低。
• 移相键控（PSK）
  • 原理：利用载波相位的变化来表示二进制数字信号。常见的有二进制移相键控（BPSK）和四相移相键控（QPSK）等。BPSK 用载波的 0°和 180°相位分别表示“0”和“1”；QPSK 用四种不同的相位来表示两个二进制比特的组合。
  • 优点：抗干扰能力强，频谱利用率高，在高速数字通信中得到广泛应用，如现代的无线通信系统（如 4G、5G）中大量使用了 PSK 及其衍生的调制方式。
  • 缺点：对系统的同步要求较高，实现相对复杂。

（三）通过天线发射

经过调制的高频振荡电流被输送到天线上。天线是发射和接收电磁波的重要装置，它的作用是将高频电流的能量转换为电磁波的能量并向空间辐射出去。天线的形状和尺寸与发射的电磁波频率有关，不同频率的电磁波需要使用不同类型的天线。例如，长波和中波广播通常使用垂直天线，而短波广播和电视广播则常用半波振子天线等。

综上所述，要发射电磁波，首先要产生高频振荡电流，然后将需要传输的信息通过合适的调制方式加载到高频振荡电流上，最后通过合适的天线将电磁波辐射到空间中。

华秋电子电磁波发射原理介绍