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无线电

(自由空间传播的电磁波)

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无线电是指在所有自由空间(包括空气和真空)传播的电磁波,是其中的一个有限频带,上限频率在3THz(太赫兹),下限频率较不统一, 在各种射频规范书, 常见的有3KHz~3THz(ITU国际电信联盟规定),9KHz~3THz,10KHz~3THz [1] 
中文名
无线电
外文名
Radio
类    别
电磁波
应    用
电子通讯
学    科
物理
领    域
数理科学

无线电发展历程

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无线电电磁波的发现

19世纪60年代,麦克斯韦提出电磁场的理论,并从理论上推测到电磁波的存在,可惜他英年早逝,只活了48岁,未能用实验来证明自己推测的正确性 [2] 
1887年,年仅29岁的德国人赫兹首先发现并验证了电磁波的存在。赫兹的重大发现,不但为无线电通信创造了条件,而且确定电磁波和光波一样,具有反射、折射和偏振等性质,验证了麦克斯韦关于光是一种电磁波的理论推测 [2] 
赫兹发现,电磁波可以毫无阻碍地穿过墙壁,不过遇到大而薄的金属片便被阻挡住了。他还测定了电磁波的波长,并计算了电磁波的传播速度,发现它在真空中的传播速度和光一样快。现在我们常说的无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波 [2] 
人们为了纪念这位年轻的科学家为人类做出的巨大贡献,就用他的名字来命名物理学和数学的一些概念,如“赫兹波”、 “赫兹”、“矢量”、 “赫兹函数”等,并采用“赫兹”作为频率的单位 [2] 

无线电无线电的发明

1895年意大利人马可尼( Guglielmo Marchese Marconi,1874-1937)成功进行了以无线电波传播信号的实验,次年即前往英国申请专利。他于1897年成立“无线电报及电信有限公司”( WirelessTelegraph&Signal Co.,Ltd.,1900年改名为Marconi's WirelessTelegraph Co.,Ltd.),1899年建立起了跨越英吉利海峡的英法之间的无线电通信。1901年12月又在加拿大用风筝牵引天线,成功接收到了大西洋彼岸的无线电报,这一试验成功的消息轰动世界。自此,多个国家的军事要塞、海港船舰上开始配置无线电通讯设备,并在远洋航行的船舶与陆地保持联络,保障海上安全以及军事通讯方面发挥了重要作用 [3] 

无线电无线电技术的传播

光绪二十三年四月一日(1897年5月2日)《时务报》第25册刊出译文《无线电报》,这是无线电报一词在中国的最早出现。自此,拉开了无线电报经由期刊传播的序幕。早期的无线电报技术传播主要以综合类期刊为主,多为介绍新鲜事物的文章,随后才出现了介绍原理的科技类论文,其中不乏最新的技术及发明的篇目。随着无线电报技术的发展,在期刊中传播的内容也有所变化,出现了诸多法令性的文章。从晚清后期期刊中传播的文章来看,已自成体系,为其今后专业期刊的出现以及学科建制的形成奠定了理论基础 [3] 

无线电原理简介

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无线电无线电技术原理

无线电是指在自由空间(包括空气和真空)中传播的电磁波,无线电技术则是通过无线电波传播信号的技术。无线电技术的原理基于电磁波理论,即导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象,通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端,电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来,就达到了信息传递的目的 [4] 

无线电无线电频率

无线电波含有迅速振动的磁场。振动的速度就是波的频率,以赫兹(Hz)为单位。1赫兹等于每秒振动一下。一千赫(kHz)等于1000赫兹。不同频率的波段用来发射各种不同的信息 [5] 

无线电无线电频带

无线电按波长和频率分为:
长波:波长>1000米,频率300KHz~30KHz;
中波:波长100米~1000米,频率300KHz~3000KHz;
短波:波长100米~10米,频率3MHz~30MHz;
超短波:波长1米~10米,频率30MHz~300MHz,亦称甚高频(VHF)波、米波;
微波:波长1米~0.1毫米,频率300MHz~3THz [5] 

无线电应用

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无线电的最早应用于航海中,使用摩尔斯电报在船与陆地间传递信息。无线电有着多种应用形式,包括无线数据网,各种移动通信以及无线电广播 [6] 
以下是一些无线电技术的主要应用:

无线电广播

调幅广播可以传播音乐和声音。调幅广播采用幅度调制技术,即话筒处接受的音量越大,电台发射的能量也越大。这样的信号容易受到诸如闪电或其他干扰源的干扰。调频广播能以比调幅广播更高的保真度传播音乐和声音。对频率调制而言,话筒处接受的音量越大,对应发射信号的频率也就越高。调频广播频段越高,其所拥有的频率带宽也越大,因而可以容纳更多的电台。同时,波长越短的无线电波的传播也越接近于光波直线传播的特性。调频广播的边带可以用来传播数字信号,如电台标志、节目简介、网址、股市信息等 [6] 

无线电电视

通常的模拟信号将图像调幅、伴音调频合成在同一信号中传播。数字电视采用MPEG -2图像压缩技术,由此大约仅需模拟信号一半的带宽 [6] 

无线电电话

蜂窝电话或移动电话是当前最普遍的无线通信方式。蜂窝电话覆盖范围通常分为多个区,每个区由一个基站发射机覆盖;通常每个区的形状为蜂窝状六边形,这也是蜂窝电话名称的来源。当前广泛使用的移动电话模式包括GSM、CDMA、TDMA等 [7] 

无线电数据传输

数字微波传输设备和卫星等通常采用正交幅度调制。QAM调制方式同时利用信号幅度和相位加载信息。这样,可以在同样的带宽上传递更大的数据量 [7] 

无线电蓝牙

蓝牙是一种短距离无线通信技术。它可以支持便携式计算机、移动电话以及其他移动设备之间的通信或数据传输 [7] 

无线电辨识

利用主动或被动无线电装置可以辨识或表明物体身份。RFID,即射频识别,俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术广泛应用于物流、零售、仓储、交通、防伪、安防、医疗和军事等各个领域 [7] 

无线电业余无线电

业余无线电是指无线电爱好者参与的无线电台通信。业余无线电台可以使用整个频谱上很多开放的频带。爱好者们使用的很多技术,有些后来成为商用技术,比如调频、上边带调幅、数字分组无线电和卫星信号转发器,都是由业余爱好者首先应用的 [7] 

无线电导航

几乎所有的卫星导航系统都使用装备了精确时钟的卫星,导航卫星播发其位置和定时信息,接收机同时接受多颗导航卫星的信号。接收机通过测量电波的传播时间得出它与各个卫星的距离,然后计算出其精确位置 [7] 

无线电雷达

通过测量反射无线电波的延迟来推算目标的距离,并通过反射波的极化和频率感应目标的表面类型 [8] 

无线电加热

微波炉利用高功率的微波对食物进行加热 [8] 

无线电生物学应用

一种能够对昆虫进行无线遥控的新技术 [8] 

无线电动力

无线电波可以产生微弱的静电力和磁力。在微重力条件下,可以被用来固定物体 [8] 

无线电宇航动力

有方案提出可以使用高强度微波辐射产生的压力作为星际探测器的动力 [8] 

无线电天文学应用

用通过射电天文望远镜接收到的宇宙天体所发射的无线电波信号可以研究天体的物理结构和化学性质。这门学科叫射电天文学 [8] 

无线电各波段的应用

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波段(频段)符号波长范围频率范围应用范围
超长波(甚低频)VLF100000-10000m3-30kHz
海岸:潜艇通信
海上导航
长波(低频)LF10000-1000m30-300kHz
大气层内中等距离通信
地下岩层通信
海上导航
中波(中频)MF1000-100m300-3000kHz
广播
海上导航
短波(高频)HF100-10m3-30MHz
远距离短波通信
短波广播
超短波(甚高频)VHF10-1m30-300MHz
电离层散射通信(30-60MHz)
流星余迹通信(30-100MHz)
人造电离层通信(30-144MHz)
对大气层内、外空间飞行体(飞机、导弹、卫星)的通信
对大气层内电视、雷达、导航、
分米波(特高频)UHF1-0.1m300-3000MHz
对流层工散射通信(700-1000MHz)
小容量(8-12路)微波接力通信(352-420MHz)
中容量(120路)微波接力通信(1700-2400MHz)
移动通信
厘米波(超高频)SHF10-1cm3-30GHz
大容量(2500路、6000路)微波接力通信(3600-4200MHz,5850-8500MHz)
数字通信
卫星通信
波导通信
毫米波(极高频)EHF10-1mm30-3THz穿入大气层时的通信

无线电展望

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1、通信领域
无线电最早的应用就是在通信领域,人们可以借助无线电首次远距离传递信息。现代无线通信技术更为发达,空间通信技术日趋成熟。在日常生活中,移动通信已经必不可少。移动通信经历了1G(模拟)、2G(数字)、3G(高速)时代,目前正处于发展4G和5G的时期。从3G时代开始,移动通信真正将人们带人多媒体通信时代,网页、音乐、图片、视频等都可以在智能手机上实现很好的客户体验 [9] 
2、无线局域网
无线局域网络( Wireless Local Area Networks,WLAN)在医疗、企业网络覆盖、仓储管理、餐饮零售、视频监控等方面都有广泛的应用,在日常生活中WiFi(Wireless Fidelity)热点网络的标识更是随处可见。事实上WiFi是WLANA(无线局域网联盟)的一个商标,WiFi是WLAN技术标准中的一个;WiFi的覆盖半径可达300英尺左右(约合90m),WIAN(加天线)则可达到5km [9] 
3、物联网(智慧家庭)
在信息技术飞速发展的时代,物联网( Intemet of things,loT)呼之欲出,从字面上可以理解为物物相连的网络,通俗地讲就是将所有物体通过网络连接起来,显然如果通过有线网络连接,此情景是不可想象的。物联网用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。在当前日常生活中,智慧家庭就是典型的物联网应用之一,其应用前景非常广阔 [9] 
参考资料
  • 1.    柯南迷工作室编著,柯南大辞典 下,航空工业出版社,2015.05,第41页
  • 2.    雅风斋编著,强大的电世界,金盾出版社,2012.06,第72页
  • 3.    金光耀,栾景河主编,民族主义与近代外交,上海古籍出版社,2014.01,第328页
  • 4.    黄虎等编著,电子系统设计 专题篇,北京航空航天大学出版社,2009.02,第215页
  • 5.    徐振华著,无线网络安全现状及对策研究,知识产权出版社,2016.01,第6页
  • 6.    楚江亭主编,法拉第和物理知识,山西教育出版社,2015.07,第163页
  • 7.    楚江亭主编,法拉第和物理知识,山西教育出版社,2015.07,第164页
  • 8.    楚江亭主编,法拉第和物理知识,山西教育出版社,2015.07,第165页
  • 9.    徐振华著,无线网络安全现状及对策研究,知识产权出版社,2016.01,第4页
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