群速度(grqup velocity),為某種調制波的包絡傳播速度。它是與一群正弦分量組成的前進波相關的能量傳輸速度,即波的包絡上某一特征(如波峰)的傳輸速度。
群速度決定了許多重要的波的特性,包括能量傳播的速度等,它與能量傳輸有關,可由式求得,其中為電磁波載波的角頻率;為載波頻率的相位變化系數。在非色散媒質中群速度與相速度相同。在色散媒質中群速度小于相速度。群速度也可用求出,其中為真空中光速,為媒質的群折射率。
相速
單色波傳播速度的公式是從等相面的傳播導出的,因此稱為相速。
相速度:單一頻率的正弦電磁波波的等相面(例如波峰面或波谷面)在介質中傳播的速度v=c/n,c為自由空間中的光速,n為介質對該頻率電磁波的折射指數。
群速
實用系統的信號總是由許多頻率分量組成,在色散介質中,各單色分量將以不同的相速傳播,因此要確定信號在色散介質中的傳播速度就發生困難,為此引入群速的概念,它描述信號的能量傳播速度。對于電離層(地球大氣由下往上分為對流層、平流層、電離層、磁層),因折射指數n〈1,所以無線電波的相速度大于光速c,這一結論和相對論的理論并不矛盾,因為相速度只代表相位變化的快慢,并不代表電磁波能量的真正傳播速度。群速則總小于自由空間的光速c。
群速度:許多不同頻率的正弦電磁波的合成信號在介質中傳播的速度。不同頻率正弦波的振幅和相位不同,在色散介質中,相速不同,故在不同的空間位置上的合成信號形狀會發生變化。群速是一個代表能量的傳播速度。
計算
由波動方程所確定的光波速度v=c/n,反映了光波波面相位的傳播速度。由于色散的存在,在同一介質中傳播的不同頻率的光波具有不同的相速度,也就是說,同一光信號所包含的不同光譜成分在色散介質中不能同步傳播。這樣就出現一個問題,當我們在距離光源較遠的空間某點觀察來自該點發出的光信號時,在同一時刻接收到的不同頻率的光信號實際是光源在不同時刻發出的?,F假設某個沿z軸方向傳播的光信號由兩種頻率成分的單色平面波組成,兩光波的振幅和振動方向相同,其在空間某點(t時刻)的光振動可分別振動為:
若取△ω=(ω2-ω1)/2,△k=(k2-k1)/2,
ω0=(ω2+ω1)/2,k0=(k2+k1)/2,分別表示兩單色光波的圓頻率、波數差、平均圓頻率和平均波數,.
可見合振動是一個受△ω低頻調制且平均頻率為ω0的復色平面波。隨著該平面波以相速度ω0/?k0向前傳播,調制波也以△ω/△k的速度向前優越傳播。該速度反映了光波能量度的傳播速度,故稱之為光波在色散介質中的群速度。并表示為vg。為示區別,常常又將相速度用vP表示。顯然,當頻差△ω很小時,群速度實際上就是時間圓頻率對空間圓頻率(波數)的導數
由(1)式與(2)式可以看出:在色散介質中,群速度不等于相速度(dvp/dλ≠0,vg≠vp),并且在正常色散區域
(dvp/dλ>0,dn/d?λ<0),群速度小于相速度(vg0),群速度則大于相速度(vg>vp)。只有在無色散介質或真空中(dvp/dλ=0,dn/d?λ=0),群速度才等于相速度(vg=vp)。
以下內容摘自《電磁場與波》?西安交通大學出版社,1999年1月1版?馮恩信編著?142頁
根據電磁波在空間傳播時相位不變點的軌跡可以計算相位變化的速度,即相速。在理想介質中,電磁波的相速僅與介質參數有關.
以下摘自《電波傳播》65頁?西北工業大學出版社出版?高建平?張芝賢編
通對研究單一頻率SUPW(正弦均勻平面電磁波)在空間(介質或導體)中的傳播特性,結果表明,在介質中,波的相速與頻率無關且等于能量傳播速度;在導體中,波的相速與頻率有關。
在通信系統中,為傳遞信息,必須以一定的方式對單頻SUPW(稱為載頻波)進行調制,調制波(含有多種頻率成份)帶著要傳遞的信息經信息道傳輸到接收端。
參考資料 >