无线电波的发射和接收

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电磁振荡天线原理调制解调

无线电波的发射和接收

看清振荡电路如何向空间辐射电磁波，以及天线如何把空间电磁波还原为电信号

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电磁振荡天线原理调制解调

无线电波的发射和接收

看清振荡电路如何向空间辐射电磁波，以及天线如何把空间电磁波还原为电信号

1第 1 页 · 无线电波的发射和接收

运用电谐振选择信号

接收天线捕获的是无数电台叠加在一起的电磁波。想从这一锅「杂烩」里挑出某个频率的电波，靠的就是电谐振——让电路只对目标频率「特别来电」。

电谐振
LC 回路对自身固有频率的信号产生最强振荡响应
调谐
改变 L 或 C 的值，就把回路「调」到不同频率
品质因数 Q
Q 越高，谐振曲线越尖锐，选频能力越强
选频结果
共振信号被有效放大，其他频率被大幅抑制
音叉共鸣对应 →LC 回路谐振

一支 C 调音叉只对 C 调声音起反应，其他频率几乎不动

f0=12πLCf_0 = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
2第 2 页 · 运用电谐振选择信号

电磁波的发射条件

上一页讲了怎么「选」出想要的信号——但信号首先得被「发」出来。什么样的电路才能把电磁能量真正送进空间？

高频振荡电流
频率足够高才能有效辐射，50Hz工频几乎不发
开放电路
把LC回路打开成天线，让场扩散到远区
足够强的振荡
振荡幅度要够，否则辐射太弱传不远
在旷野上大声喊话对应 →电磁波的发射

喊得响=能量足、声调高=高频、开阔地=开放空间，缺一传不远

P∝f4⋅I02P \propto f^4 \cdot I_0^2
3第 3 页 · 电磁波的发射条件

开放电路

上一页讲到发射条件之一是高频振荡电流——但如果电流只在闭合LC回路里跑，电场、磁场被关在元件之间，能量根本辐射不出去。怎么让电磁能量真正"飞"出来？这就需要开放电路。

开放LC电路
把闭合回路中电容的两极板拉开，使电路"敞口"，L、C沿导线分布
"开放"的含义
不再是闭合环路，电磁能量向空间辐射而非在元件间来回振荡
结构特点
由直导线或对称双臂构成，两端形成分布电容，中间段提供电感
典型应用
实际天线——发射时辐射电磁波，接收时将空间电磁波转为电流
在大湖面上扔石子对应 →开放电路

水波自由地向四面八方扩散传播——电磁能量也向空间辐射

4第 4 页 · 开放电路

天线与地线

开放电路需要一个具体的物理形态才能高效辐射——这就是天线。而早期无线电发现，单靠天线不够，还需要一根「地线」作为它的镜像搭档。

天线是开放电路的物理化身
把高频电流变成向空间辐射的电磁波，接收时则相反；典型尺寸与波长挂钩，如半波振子取 λ/2
地线是天线的镜像搭档
天线高架空中，地线埋入大地土壤，二者构成不对称偶极子，使回路「张开」，大幅提升辐射效率
形态随频率与方向需求演进
长波用巨型线天线，中短波用对称振子，微波用抛物面——形状直接决定增益与方向图
尺寸与土壤的物理边界
极低频（VLF）波长可达数十公里，工程上难架 λ/2 天线；地线效率也受土壤电导率制约
一只手鼓掌对应 →天线与地线

一只手拍不响——地线提供「另一半」，让电流的来回振动形成完整的开放回路

5第 5 页 · 天线与地线

载波

载波：定义、要点与典型应用

载波
载波：定义、要点与典型应用
6第 6 页 · 载波

调幅（AM）

上一页我们有了高频载波——一根稳定的正弦波。但它本身不带声音。怎么把音频「装」上去？最简单的方法：让振幅随音频变化。这就是调幅（AM）。

AM 定义
保持载波频率不变，让振幅按音频信号强弱起伏
波形特征
高频波的波峰高度形成「包络线」，包络即原音频波形
调制指数 mₐ
mₐ = Eₘ/Ec，取值 0~1；>1 过调制，包络顶部被切平
典型应用
中波广播（约 531–1602 kHz）、航空与海事通讯、短波越洋广播
优劣
设备简单、覆盖远；但噪声也表现为幅度变化，抗扰性差
固定节奏敲鼓，每次力度不同对应 →AM 波频率与振幅

敲击频率固定（载波频率），但每次敲击的力度（振幅）按声音信号变化

e(t)=Ec(1+macos⁡Ωt)cos⁡ωte(t) = E_c(1 + m_a\cos\Omega t)\cos\omega t
7第 7 页 · 调幅（AM）

调频（FM）

上一页讲AM——让载波的'高矮'随声音变化。FM换了个思路：不让高矮变，改让'疏密'变。这一改，带来了截然不同的性能。

调频定义
载波的瞬时频率随调制信号变化，振幅保持不变；相位相应连续变化
频偏
瞬时频率偏离中心频率的最大值称频偏，FM广播常取±75kHz
抗干扰优势
噪声多叠加在幅度上，FM用限幅器削掉幅度波动，抗干扰能力强
典型应用
FM广播(88-108MHz)、电视伴音、对讲机、无线麦克风
救护车警笛声对应 →调频(FM)

音调忽高忽低=频率变化；响度始终一致=振幅恒定

$$f_i(t) = f_c + k_f \cdot m(t)$$
8第 8 页 · 调频（FM）

电谐振

荡秋千时，大人按你摆动的节奏推，越荡越高；节奏不对，反而越荡越乱。LC 电路里的'电谐振'本质一样——L 和 C 配合到某个特定频率，能量才能被不断叠加。

谐振条件
感抗等于容抗，电场能与磁场能高效互换
固有频率
由 L 和 C 共同决定，改任一个就能调它
电流最大化
信号频率等于 f₀ 时电流最大，其他被抑制
调台即调频
旋钮改变 C 或 L，让 f₀ 对准目标电台
荡秋千对应 →LC 谐振

秋千有固有节奏，推的节奏对上才越荡越高；LC 有固有频率，信号对上电流才放大

f0=12πLCf_0 = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
9第 9 页 · 电谐振

调谐

上一页说，电谐振能让某个频率的信号被强烈接收——但天空中同时飞着无数个频率的电磁波，怎么只挑出 100.3 MHz 那个？答案就在「调」字里。

定义
改变接收回路的固有频率，使其对准想要接收的载波频率
实现方式
调节可变电容器的 C 或线圈的 L，从而改变 LC 回路的固有频率
选频原理
空中频率众多，只有 LC 固有频率 = 载波频率时才电谐振，该信号被选出
典型应用
收音机/电视选台、示波器选通道、无线电接收机的频道切换
调吉他弦对应 →调谐接收电路

拧弦改张力→改固有频率；转旋钮改 C/L→改固有频率；都只对目标频率产生强响应

f0=12πLCf_0 = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}
10第 10 页 · 调谐

调制

载波自己是「空的」——它只负责高速跑腿，本身不携带任何声音或图像。要让信息跟着电磁波跑到远方，必须把信息「刻」到载波的某个特征上。这一步，就叫调制。

调制定义
用低频信息信号控制高频载波的某一参数，让载波「带着」信息向外传播
为何需要调制
低频信号直接发射效率极低——波长可达几十公里，天线做不出来，也无法远距离辐射
载波三参数
振幅、频率、相位——载波只有这三个可变的「抓手」，任选其一作为调制对象
三种基本调制
调幅 AM（改振幅）、调频 FM（改频率）、调相 PM（改相位）——对应三个抓手
多路复用
不同电台选不同频率的载波，各载波互不干扰，共享同一空间同时广播
信纸装进信封寄出对应 →调制

信纸是低频信息，裸露会散失；装入高频载波这个「信封」后，才能远距离送达

s(t)=[A0+m(t)]⋅cos(ωct)s(t) = [A_0 + m(t)]·cos(\omega_c t)
11第 11 页 · 调制

解调

上一节我们把声音"装"进载波——调制。收音机收到载波后，要把声音原封不动地"拆"出来给扬声器。这一步就是解调。

解调的本质
从已调波中还原出原始调制信号（音频或数据），是调制的逆过程
为什么必须解调
载波频率高达数百kHz以上，远超人耳和扬声器的响应范围，必须还原成低频信号
AM解调：包络检波
二极管削去负半周，电容跟随包络起伏，输出即原始音频
FM解调：鉴频
先由鉴频器把频率变化转为幅度变化，再经包络检波取出音频
拆快递包裹对应 →解调

调制是打包贴单发出，解调是拆包取物；载波是快递车，调制信号才是真正要送的东西

12第 12 页 · 解调

本节要点

  • ✓高频开放电路才能有效辐射：频率↑、电路开放→电磁场脱体传播
  • ✓谐振是能量传递的最优条件：发射时馈电、接收时选频都靠它
  • ✓调制的本质是'频谱搬迁'：把信息从低频搬到高频才能发射
  • ✓AM牺牲带宽换简单，FM牺牲带宽换抗噪
  • ✓解调需还原原信号的变化模式，本质是调制的逆运算
延伸主题：数字调制：QAM与PSK无线电波段与传播特性超外差接收机原理
13第 13 页 · 本节要点

课后思考

先自己想，再看参考答案，三个问题对应回顾、应用与迁移。

1为什么发射电磁波要用开放电路，而不是一个闭合的 LC 振荡回路？

参考答案开放电路让电场延伸到空间中去，而闭合回路的电场被束缚在电容内部，无法向外辐射能量。

2调幅（AM）改变载波的幅度，调频（FM）改变载波的频率。哪种调制方式更容易受到雷电等突发干扰的影响？为什么？

参考答案AM 更易受影响。雷电是叠加在载波幅度上的瞬时尖峰，AM 把信息放在幅度里会被污染；FM 把信息放在频率里，幅度干扰影响小。

3今天的 WiFi 和手机通信用的也是电磁波，那本节讲的载波、调制、解调这套思路，还适用吗？

参考答案适用，只是形式更复杂。WiFi 用更高频载波，调制方式换成 QAM、OFDM 等数字方式，但「载波+调制+解调」的骨架没变。

14第 14 页 · 课后思考