上天入地顯神通：探秘電波（簡體書）

作者：(日本)井上伸雄 譯者：烏日娜

井上伸雄 ，1936年出生，1959年畢業于名古屋大學工學部電氣工程系。畢業后進入日本電報電話公司(現在的NTT公司)研究所，開始從事數字網絡的研究開發，現任多摩大學客座教授。著作有《通信基礎》(SOFTBANK Creative)、《通信技術》、《IP網絡的體系結構》、《通信&網絡簡明辭典》、《最新通信常識》、《信息通信快速入門系列叢書》(合著，日經BP出版社)、《基礎通信網絡》(光電子公司)等。

井上伸雄編寫的《上天入地顯神通：探秘電波》是一本電波知識的入門書籍。為了更生動地說明不為人眼所見的電波，本書盡量舉一些我們身邊的例子，用通俗易懂的方式闡述了從電波產生的原理到利用方法等各方面內容。

電波被應用于各種領域，是我們日常生活中不可或缺的一部分。目前，電波主要用于手機、電視廣播、IC卡(如Suica和PASMO)、汽車導航和微波爐等領域。但電波不為人眼所見，從而使其成為一門非常深奧的學問。
本書未引用晦澀難懂的數學公式，而是盡量采用簡潔明了的圖表對電波的原理進行解釋，因此這是一本適合初學者的入門書籍。為了更生動地說明不為人眼所見的電波，本書盡量舉一些我們身邊的例子，用通俗易懂的方式闡述了從電波產生的原理到利用方法等各方面內容。
目前，我們使用的電波幾乎都是人工電波，然而自然界中也存在電波。自然界中的電波大部分都是電磁波，實際上電磁波也屬于電波的一種，電波與電磁波具有相同的性質。本書重點介紹電波的相關知識(包含電磁波)。
各種電波的區別在于其頻率的不同。可以說，電波頻率是一種非常寶貴的資源，因此我們不能將其白白浪費，而是應當盡量有效地進行利用。隨著社會的發展，電波的用途越來越廣泛，因此深入了解電波的相關知識，并有效利用電波是一件非常重要且很有意義的事情。
本書雖是一本電波知識的入門書籍，但筆者認為，讀過本書之后，再進一步閱讀專業的電波書籍，也能較容易理解。
井上伸雄

第1章 電波是什么
001 我們身邊的電波
002 看不見摸不著的電波是由正弦波組成的
003 電波由振幅、頻率和相位三個參數決定
004 所有的波都是由各種不同頻率的波復合而成
005 電磁波把電和磁聯系在一起① 有電流就能產生磁場
006 電磁波把電和磁聯系在一起② 有變化的磁場就能產生電流
007 根據電場的方向可將電波分為水平偏振波、垂直偏振波和圓偏振波
008 電波在真空中也能傳播的秘密
009 電波的傳播速度與光速相同30萬km/s
010 電波在傳播過程中逐漸減弱
011 電波能夠穿透哪些物質？電波無法穿透哪些物質？
012 電場強度用于表示電波強弱程度
013 電波的性質由其頻率決定
014 電波與電磁波的區別 光也是一種電磁波
015 沒有干擾的情況下，電波在空間以直線傳播
016 電波的重要性質① 電波的反射與散射
017 電波的重要性質② 電波的折射、衍射和干涉
018 根據傳播方式可分為地波、對流層電波與電離層電波
019 能夠反射電波的地球電離層
020 在電離層發生的各種異常現象 德林格爾現象與磁暴
021 超視距傳播的超視距通信
022 電波的衰落現象（電波的強度發生變化）
023 手機電波的多途徑傳播現象
024 防止電波的多徑衰落現象，可使用分集式天線（diversity antenna）
COLUMN分貝
第2章 電波的種類與利用
025 在日本，發射電波必須獲得無線電臺的授權許可證
026 電波的頻率及其用途 根據電波的使用目的決定其用途
027 甚長波與長波以地波的形式向遠處傳播
028 中波以地波和電離層波的形式傳播到遠方
029 短波被電離層反射到達地球的背面
030 甚高頻波以直達波、反射波和衍射波的形式傳播
031 特高頻波主要用于電視廣播和移動通信領域
032 超高頻波進行視距傳播時可傳送大量信息
033 毫米波主要用于極短距離通信和雷達技術
034 亞毫米波（太赫茲波）在無線電天文學和安全檢查領域的應用得到了進展
035 向通信和傳播以外的領域開放的ISM頻段
036 適用于手機的電波頻率手機可使用的電波頻率為700MHz~4GHz
037 分配給移動通信的電波頻率
038 用于電視廣播的電波頻率 無線電廣播用中波和短波，電視廣播用UHF
039 用于業余無線電的電波頻率短波的使用最早始于業余無線電
COLUMN馬可尼的實驗
第3章 電波的用途
040 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
041 電波在手機中的應用方式② 蜂窩有多種尺寸
042 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
043 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
044 電波在衛星廣播中的應用方式區別使用右旋圓偏振波和 左旋圓偏振波
045 用電波連接10m以內的超短距離 藍牙與UWB
046 電波在電子標簽與數據傳輸中的應用
047 利用電波提供電功率 非接觸型IC卡的構造
048 如何產生頻率精確的電波 原子振動產生頻率精確的電波
049 電波鐘通過接收標準電波信號進行高精度計時
050 船舶救援信號從SOS到GMDSS
051 利用電波測定船舶和飛機的位置
052 船舶無線電領航法 利用雙曲線測定位置的羅蘭C導航系統
053 為飛機的安全航行服務的電波VOR、DME、ILS等
054 GPS利用衛星發射的電波測定位置GPS用于汽車導航系統和手機導航
055 利用電波測定物體的方位與距離 雷達的原理
056 活躍在天氣預報領域的氣象雷達 用電波預測天氣活動
057 電波的多普勒效應 從頻率的變化測定物體的移動速度
058 利用電波測定物體的速度 測速器的原理
059 利用電磁感應對金屬進行加熱 高頻感應加熱的原理
060 利用電波加熱木材和塑料等物體
061 廚房中的電波① 微波爐的原理
062 廚房中的電波② 電磁爐的原理
COLUMN 寄托于衛星通信的科幻作家之夢
第4章 自然界中的電波
063 有溫度就能產生電磁波 溫度與頻率的關系
064 還是可見光的能量大 太陽輻射的電磁波①
065 由耀斑產生的太陽射電爆發 太陽輻射的電磁波②
066 宇宙所發射的電波、紅外線、光、紫外線、X射線和γ射線
067 大氣層會阻擋宇宙中的電磁波 射電窗口和光學窗口
068 無線電望遠鏡用于觀測宇宙所發射的電波
069 利用天體發射的電波測量地球觀測地球表面板塊的活動
070 雷電放電產生低頻電波
071 干擾通信和廣播的雜音電波
072 電磁波對人體產生熱作用和刺激作用
073 手機輻射電波對心臟起搏器產生干擾
COLUMN 無線電天文學的起源
第5章 天線的基本知識
074 天線的原理 發射和接收電波
075 最基本的半波長偶極子天線
076 單極子天線 垂直于地面的單極子天線
077 天線的指向性 向某個方向發射較強的電波
078 電視的接收天線 指向性強的八木?宇田天線
079 拋物面天線 其原理與反射望遠鏡相同
080 衛星廣播的接收天線 偏置拋物面天線和平面型天線
081 手機基站的天線① 向扇形蜂窩小區發射電波
082 手機基站的天線② 手機基站使用多個半波長偶極子天線
083 手機天線 手機使用兩根天線防止信號的衰落
084 iPhone 4的天線 iPhone 4外殼的金屬邊框就是其天線
COLUMN 八木?宇田天線
參考文獻

001 我們身邊的電波
日常生活中，我們利用電波才能用手機、用微波加熱食物和看電視。1831年，英國科學家法拉第首次發現了電磁感應現象，人類發現電波的歷史就起源于法拉第的這一重大發現。1854年，另一位英國科學家麥克斯韋建立了電磁波理論。1886年，德國著名物理學家赫茲發現電波，并用實驗證實了電波的存在。大約十年之后的1895年，意大利人馬可尼利用電波進行無線電通信試驗，并獲得了成功，從此開拓了無線電通信實用化的道路。一個多世紀之后的今天，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了廣泛應用，如圖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）在學術領域也得到了非常廣泛的應用。
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。以手機為代表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線電進行聯系。
電波在多個領域得到了廣泛的應用，并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。
除通信廣播領域之外，電波在物體探測與定位領域也得到了廣泛的應用。
電波本身就是一種能量形式，可作為能源進行利用。
圖1 電波樹
名詞解釋
電磁感應 變化的磁場在空間激發電流的現象稱為電磁感應現象。
002 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。由于電波不可見，為便于理解，我們可以看一下湖面的波紋。當我們向平靜的湖面投一顆石子，石子落水瞬間，以石子落水點為中心，水面會泛起一層層的漣漪，波紋從中心向四面八方擴散，但不久就會消失。如果以一定的時間間隔在水面的同一點持續投石子，水面上的波紋就不會消失，而會以石子的落水點為中心向四面八方形成一圈圈圓形的波紋（圖1）。
波剖面是垂直于波峰線或沿波向線垂直切割波浪的剖面，即圖2a中沿波向線A-A'垂直于水面的截面，從波剖面上能夠看到規則的波形，這種波形的曲線可用三角函數中的正弦函數（sin）或者余弦函數（cos）來表達，這種波形是最基本的波形，稱為正弦波或者余弦波。波長是波剖面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。
波浪涌來時，湖面會上下波動形成波紋。通過研究水面的高度隨時間的變化，可得到如圖2b所示的正弦波。圖2a中的橫軸表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。
實際上由于風等因素的存在，水面上不可能形成如此規則的波紋，但是圖2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）。水面波是通過水面有規律地起伏傳播，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）。唯一的區別在于，圖3中的波峰和波谷表示的不是水面高度，而是空氣密度的最高值與最低值。圖2和圖3表示的都是正弦波，但實際上大部分聲音波形都非常復雜。
電波、水面波和聲波都是由相同的波組成。
波的基本形可用正弦函數或者余弦函數表達式進行表達。
圖1 湖面上形成的波紋
圖2 湖面上所形成的水面波的高度
圖3 聲波引起空氣壓力的變化
名詞解釋
正弦波 波形能用y=sinx表達的波。
聲波 空氣中質點的振動方向與聲波的傳播方向一致，故聲波是一種縱波。
003 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余弦函數進行表達。那么，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，它們分別是振幅、頻率和相位。
波的強度用振幅表示，對電波來說，其振幅表示電壓或者電功率，振幅越大，電波的能量越大。
一秒鐘內完成周期性變化（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，一個周期內只有一個波峰和一個波谷。圖2a中，一秒鐘內完成一個周期，故波的頻率為1Hz，圖2b中，一秒鐘內完成三個周期，故波的頻率為3Hz。一般來說，由于電波的頻率數值較大，經常在國際單位前加上k（千）、M（兆）、G（千兆）、T（太）等接頭詞來表示，有效避免了數字位數過多的問題。德國物理學家赫茲首先用實驗證實了無線電波的存在，因此為紀念赫茲，1960年國際度量衡總會決定，以德國物理學家赫茲的名字命名頻率的國際單位制單位（日本從1972年開始全面采用赫茲這個單位）。在此之前使用的頻率單位是c/s（周期/秒或者周期）。
由于頻率能夠較好地表達波的特性，因此一般用頻率區別各種電波。
如圖3所示，相位是描述波形變化的參數，可用360°角表示波的一個周期。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。只有將兩列以上的波進行比較，才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別。
利用這種相位上的差異，可完成數字信號的調制。兩列以上相位不相同的電波相遇疊加時發生干涉現象，其合成波在某些區域總加強，在另外一些區域總減弱，并出現明暗相間的條紋。
振幅、頻率和相位三個參數用于區分各種電波。
電波的頻率能夠較好地表達其特性。
圖1 正弦波的波形、振幅、頻率與相位的概念
圖2 波的頻率
圖3 兩列波的振幅和頻率都相同，那么這兩列波的相位一定不相同
名詞解釋
Ф 希臘字母，是表示相位的符號。
Asin (2πft+Ф) 2π就是指360°。