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內容簡介

　　在我們生活的世界中，各種各樣形形色色的事物和現象，其中都必定包含著科學的成分。在這些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你還一知半解的。麵對未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！“形形色色的科學”趣味科普叢書，把我們身邊方方麵麵的科學知識活靈活現、生動有趣地展示給你，讓你在暢快閱讀中收獲這些鮮活的科學知識！
　　從電視機到收音機、手機、微波爐等，現代人在生活中享受著電波帶來的種種便捷。井上伸雄編寫的這本《上天入地顯神通：探秘電波》以圖解的形式講解瞭電波的入門基礎知識，對於想瞭解電波知識的初學者來說，是一本形式新穎、易讀易記的讀物。從産生原理到使用方法，就讓這書逐一解開你心中對電波的睏惑和疑問吧！
　　《上天入地顯神通：探秘電波》適閤青少年讀者、科學愛好者以及大眾讀者閱讀。

作者簡介

　　井上伸雄，齣生於1936年。1959年畢業於日本名古屋大學工學係電力工學專業。工學博士。在日本電信電話公社（現NTT）研究所從事數字傳輸、數字網絡的研究開發。現任日本多摩大學客座教授。主要著作有《通信&網絡百科詞典》、《通信較新常識》、《通信的原理》（日本實業齣版社）、《信息通信簡明講座》（閤著、日經BP社）、《通信網絡基礎》（OPTRONICS社）、《多媒體通信》（日本經濟新聞社）等多部。

目錄

第1章 電波是什麼
我們身邊的電波
看不見摸不著的電波是由正弦波組成的
電波由振幅、頻率和相位三個參數決定
所有的波都是由各種不同頻率的波復閤而成
電磁波把電和磁聯係在一起① 有電流就能産生磁場
電磁波把電和磁聯係在一起② 有變化的磁場就能産生電流
根據電場的方嚮可將電波分為水平偏振波、垂直偏振波和圓偏振波
電波在真空中也能傳播的秘密
電波的傳播速度與光速相同萬30km/s
電波在傳播過程中逐漸減弱
電波能夠穿透哪些物質？電波無法穿透哪些物質？
電場強度用於錶示電波強弱程度
電波的性質由其頻率決定
電波與電磁波的區彆 光也是一種電磁波
沒有乾擾的情況下，電波在空間以直綫傳播
電波的重要性質① 電波的反射與散射
電波的重要性質② 電波的摺射、衍射和乾涉
根據傳播方式可分為地波、對流層電波與電離層電波
能夠反射電波的地球電離層
在電離層發生的各種異常現象 德林格爾現象與磁暴
超視距傳播的超視距通信
電波的衰落現象(電波的強度發生變化)
手機電波的多途徑傳播現象
防止電波的多徑衰落現象，可使用分集式天綫(diversity antenna)
COLUMN分貝
第2章 電波的種類與利用
在日本，發射電波必須獲得無綫電颱的授權許可證
電波的頻率及其用途 根據電波的使用目的決定其用途
甚長波與長波以地波的形式嚮遠處傳播
中波以地波和電離層波的形式傳播到遠方
短波被電離層反射到達地球的背麵
甚高頻波以直達波、反射波和衍射波的形式傳播
特高頻波主要用於電視廣播和移動通信領域
超高頻波進行視距傳播時可傳送大量信息
毫米波主要用於極短距離通信和雷達技術
亞毫米波(太赫茲波)在無綫電天文學和安全檢查領域的應用得到瞭進展
嚮通信和傳播以外的領域開放的ISM頻段
適用於手機的電波頻率手機可使用的電波頻率為7MHz-4GHz
分配給移動通信的電波頻率
用於電視廣播的電波頻率 無綫電廣播用中波和短波，電視廣播用UHF
用於業餘無綫電的電波頻率短波的使用最早始於業餘無綫電
COLUMN馬可尼的實驗
第3章 電波的用途
電波在手機中的應用方式① 以蜂窩通信的方式高效利用電波頻率
電波在手機中的應用方式② 蜂窩有多種尺寸
電波在電視廣播中的應用方式① 數字電視廣播可使用所有的頻道
電波在電視廣播中的應用方式② 在相鄰的區域也能使用頻率相同的電波
電波在衛星廣播中的應用方式區彆使用右鏇圓偏振波和 左鏇圓偏振波
用電波連接10m以內的超短距離 藍牙與UWB
電波在電子標簽與數據傳輸中的應用
利用電波提供電功率 非接觸型IC卡的構造
如何産生頻率精確的電波 原子振動産生頻率精確的電波
電波鍾通過接收標準電波信號進行高精度計時
船舶救援信號從SOS到GMDSS
利用電波測定船舶和飛機的位置
船舶無綫電領航法 利用雙麯綫測定位置的羅蘭C導航係統
為飛機的安全航行服務的電波VOR、DME、ILS等
GPS利用衛星發射的電波測定位置GPS用於汽車導航係統和手機導航
利用電波測定物體的方位與距離 雷達的原理
活躍在天氣預報領域的氣象雷達 用電波預測天氣活動
電波的多普勒效應 從頻率的變化測定物體的移動速度
利用電波測定物體的速度 測速器的原理
利用電磁感應對金屬進行加熱 高頻感應加熱的原理
利用電波加熱木材和塑料等物體
廚房中的電波① 微波爐的原理
廚房中的電波② 電磁爐的原理
COLUMN 寄托於衛星通信的科幻作傢之夢
第4章 自然界中的電波
有溫度就能産生電磁波 溫度與頻率的關係
還是可見光的能量大 太陽輻射的電磁波①
由耀斑産生的太陽射電爆發 太陽輻射的電磁波②
宇宙所發射的電波、紅外綫、光、紫外綫、X射綫和γ射綫
大氣層會阻擋宇宙中的電磁波 射電窗口和光學窗口
無綫電望遠鏡用於觀測宇宙所發射的電波
利用天體發射的電波測量地球觀測地球錶麵闆塊的活動
雷電放電産生低頻電波
乾擾通信和廣播的雜音電波
電磁波對人體産生熱作用和刺激作用
手機輻射電波對心髒起搏器産生乾擾
COLUMN 無綫電天文學的起源
第5章 天綫的基本知識
天綫的原理 發射和接收電波
最基本的半波長偶極子天綫
單極子天綫 垂直於地麵的單極子天綫
天綫的指嚮性 嚮某個方嚮發射較強的電波
電視的接收天綫 指嚮性強的八木?宇田天綫
拋物麵天綫 其原理與反射望遠鏡相同
衛星廣播的接收天綫 偏置拋物麵天綫和平麵型天綫
手機基站的天綫① 嚮扇形蜂窩小區發射電波
手機基站的天綫② 手機基站使用多個半波長偶極子天綫
手機天綫 手機使用兩根天綫防止信號的衰落
iPhone 4的天綫
iPhone 4外殼的金屬邊框就是其天綫
COLUMN 八木·宇田天綫
參考文獻

精彩書摘

　　我們身邊的電波
　　日常生活中，我們利用電波纔能用手機、用微波加熱食物和看電視。1831年，英國科學傢法拉第首次發現瞭電磁感應現象，人類發現電波的曆史就起源於法拉第的這一重大發現。1854年，另一位英國科學傢麥剋斯韋建立瞭電磁波理論。1886年，德國著名物理學傢赫茲發現電波，並用實驗證實瞭電波的存在。大約十年之後的1895年，意大利人馬可尼利用電波進行無綫電通信試驗，並獲得瞭成功，從此開拓瞭無綫電通信實用化的道路。一個多世紀之後的今天，電波已經成為我們日常生活中不可或缺的一部分。
　　提到電波，人們會立刻想到手機和電視廣播等通信與廣播領域的應用。實際上，電波在如下領域都得到瞭廣泛應用，如要1所示。
　　(1)通信與廣播領域：手機、電視廣播和微波傳輸電路等。
　　(2)物體探測與定位領域：雷達、GPS等。
　　(3)電波能量：微波爐、電磁炊具等。
　　另外，電波(確切地說是電磁波)在學術領域也得到瞭非常廣泛的應用。
　　以前，人類利用電波的目的是將信號傳播到盡量遠的地方。但現在人們能夠利用電波在極短的距離內傳播信號。以手機為代錶的移動通信利用電波就能連接2～3km的距離。更有甚者，短短數米的距離也能利用無綫電進行聯係。
　　電波在多個領域得到瞭廣泛的應用，並且其重要性日漸凸顯。電波頻率是一種寶貴且有限的資源，因此我們不能將其白白浪費，而是應當盡量有效地加以利用。
　　看不見摸不著的電波是由正弦波組成的
　　顧名思義，電波是與電有關的一種波。由於電波不可見，為便於理解，我們可以看一下湖麵的波紋。當我們嚮平靜的湖麵投一顆石子，石子落水瞬間，以石子落水點為中心，水麵會泛起一層層的漣漪，波紋從中心嚮四麵八方擴散，但不久就會消失。如果以一定的時間間隔在水麵的同一點持續投石子，水麵上的波紋就不會消失，而會以石子的落水點為中心嚮四麵八方形成一圈圈圓形的波紋(瞬)。
　　波剖麵是垂直於波峰綫或沿波嚮綫垂直切割波浪的剖麵，即圖2a中沿波嚮綫A-A1垂直於水麵的截麵，從波剖麵上能夠看到規則的波形，這種波形的麯綫可用三角函數中的正弦函數(sin)或者餘弦函數(cos)來錶達，這種波形是最基本的波形，稱為正弦波或者餘弦波。波長是波剖麵上兩個波峰之間的距離。波長越長，兩個波峰之間的距離就越長。
　　波浪湧來時，湖麵會上下波動形成波紋。通過研究水麵的高度隨時間的變化，可得到如圖2b所示的正弦波。圖2a中的橫軸錶示從某點到石子落水點的距離，如果將橫軸變成時間，也能得到與圖2b相同的波形。實際上由於風等因素的存在，水麵上不可能形成如此規則的波紋，但是圖所示的正弦波是非常重要波的基本形。
　　其實，聲音也是波的一種(聲波)。水麵波是通過水麵有規律地起伏傳播，而聲波傳播時，空氣的密度會隨時間和空間發生變化。如果對空氣密度隨時間的變化作圖，可得到與圖2相同的波形(圖3)。唯一的區彆在於，圖3中的波峰和波榖錶示的不是水麵高度，而是空氣密度的最高值與最低值。圖2和圖3錶示的都是正弦波，但實際上大部分聲音波形都非常復雜。
　　電波由振幅、頻率和相位三個參數決定
　　如(002)中所述，最基本的電波(一般指波)都能用正弦函數或者餘弦函數進行錶達。那麼，如何區分這些形狀相同的波呢？這時需要三個非常重要的參數，它們分彆是振幅、頻率和相位。
　　波的強度用振幅錶示，對電波來說，其振幅錶示電壓或者電功率，振幅越大，電波的能量越大。
　　一秒鍾內完成周期性變化(一個周期)的次數稱為頻率，頻率的單位是Hz(赫茲)。如圖2所示，一個周期內隻有一個波峰和一個波榖。圖2a中，一秒鍾內完成一個周期，故波的頻率為1Hz，圖2b中，一秒鍾內完成三個周期，故波的頻率為3Hz。一般來說，由於電波的頻率數值較大，經常在國際單位前加上k(韆)、M(兆)、G(韆兆)、T(太)等接頭詞來錶示，有效避免瞭數字位數過多的問題。德國物理學傢赫茲首先用實驗證實瞭無綫電波的存在，因此為紀念赫茲，1960年國際度量衡總會決定，以德國物理學傢赫茲的名字命名頻率的國際單位製單位(日本從1972年開始全麵采用赫茲這個單位)。在此之前使用的頻率單位是c／s(周期/秒或者周期)。由於頻率能夠較好地錶達波的特性，因此一般用頻率區彆各種電波。
　　如圖3所示，相位是描述波形變化的參數，可用360。角錶示波的一個周期。振幅和頻率的概念都很好理解，但僅從一列波無法理解相位的概念。隻有將兩列以上的波進行比較，纔能理解相位差的概念。以一列波為基準(相位為0)，利用其他波與基準波的相位差就能將它們加以區彆。利用這種相位上的差異，可完成數字信號的調製。兩列以上相位不相同的電波相遇疊加時發生乾涉現象，其閤成波在某些區域總加強，在另外一些區域總減弱，並齣現明暗相間的條紋。
　　所有的電波都是由各種不同頻率的波復閤而成
　　電波的波形並非總是正弦波形或者餘弦波形。其實，絕大多數情況下，電波的波形都是以更為復雜的形式齣現。比如，如圖1所示，用於數字通信的脈衝波形是方形的波形(矩形波)，這種波形是由許多不同頻率的正弦波復閤而成。
　　在如圖2所示的正弦波a上疊加振幅為原來的三分之一、頻率為原來三倍的正弦波b②之後，得到如b③所示的波形，繼續在b③上疊加振幅為原來的五分之一、頻率為原來五倍的正弦波c④之後，得到如c⑤所示的波形。與最初的正弦波a相比，我們可發現c中的波形⑤與方形的脈衝波形相當接近，再繼續疊加振幅為原來的七分之一、頻率為原來七倍的正弦波，再進一步疊加振幅為原來的九分之一、頻率為原來九倍的正弦波，以此類推，最終就能夠得到方形的脈衝波形。
　　用上述方法，將多個正弦波進行復閤之後，就能得到各種復雜的波形。這種復雜波形所包含的正弦波的最高頻率與最低頻率之差被稱為頻譜帶寬。用電波傳送這種復雜波形時，必須傳送復雜波形中所包含的所有頻率的波。
　　一般來說，電波的頻率比所傳送信號的頻率要大得多。例如，收音機播送的聲音和音樂信號就屬於復雜波形，其頻率通常為30Hz～7.5kHz，但這種頻率範圍的波不能就這樣作為電波使用。例如，日本NHK(東京第一廣播)的電波頻率為594kHz。這是因為，聲音和音樂信號都需要進行調製處理纔能使用載波進行傳播。調製是指，把原始信號頻率轉變成適於傳輸的信號頻率的一種技術，利用電波傳輸信息信號時，必須對其進行調製處理。
　　……

前言/序言

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