什么是電磁波？重新來認(rèn)識(shí)一下電磁波

離開無線，就無所謂射頻。我們今天所說的Radio Frequency RF就是指電磁波中這段能夠用于無線通信的電磁波頻譜。無線信號(hào)能夠以電磁波為載體進(jìn)行傳輸，就像光線一樣，脫離實(shí)物載體，實(shí)現(xiàn)無線傳輸，唯一不同的是頻率和波長。

那么，我們今天就重新來認(rèn)識(shí)一下電磁波。

什么是電磁波？

現(xiàn)在的人們對(duì)電磁波已經(jīng)不再陌生，但是在150年前，電磁波這個(gè)詞還沒有發(fā)明，但是電磁波確實(shí)真真實(shí)實(shí)的存在著。麥克斯韋（鏈接）通過總結(jié)前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推導(dǎo)出了麥克斯韋方程，進(jìn)而在數(shù)學(xué)上預(yù)言了電磁波的存在，而且光也是一種電磁波。直到了120多年前，赫茲的實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。

至此人類才知道真的有這玩意存在，而且傳播速度和光速一樣。馬可尼把電報(bào)信號(hào)加載到電磁波上，實(shí)現(xiàn)了無線電報(bào)跨大西洋通信。誰能想到，電磁波已經(jīng)融入到我們生活的方方面面，Wifi，5G，無人機(jī)，無人駕駛，衛(wèi)星通信，等等，都離不開電磁波這個(gè)載體。

那么什么是電磁波呢？電磁波也就是電磁輻射，電場能量和磁場能量這對(duì)好兄弟互不分離，互相垂直，以光速前進(jìn)，如下圖所示。而且有趣的是，電磁波傳輸?shù)淖罴演d體是真空，哪怕空氣都會(huì)對(duì)它造成影響，遇金屬則反射，遇介質(zhì)則衰減?？胺Q最為理想的信號(hào)載體，可在自由空間傳輸，無拘無束；亦可在金屬傳輸線中傳輸，控制自如。無線世界也由此而來。

電磁波的三個(gè)特征量：波長，頻率和波速。這三個(gè)特征量是相互依存的，波長等于波速除以頻率。

也就是說，波長定了，頻率也就定了；頻率定了，波長也知道了。但是要注意這個(gè)是自由空間的波長和波速。介質(zhì)中的又不一樣了。

電磁波的波速 ： 自由空間的電磁波的波速就是光速。在一般的計(jì)算中，光速通常被認(rèn)為是每秒300 000 000 米，但是更精確的值是每秒 299 792 500 米。確實(shí)夠快，已經(jīng)是人類能夠制造的最快速度，但是它仍然需要一定的時(shí)間來傳輸給定的距離，使用現(xiàn)代無線電技術(shù)，需要考慮信號(hào)在特定距離上傳播的時(shí)間。例如，雷達(dá)利用信號(hào)需要一定時(shí)間傳播的事實(shí)來確定目標(biāo)的距離。其他應(yīng)用（例如移動(dòng)電話）也需要考慮信號(hào)傳播所用的時(shí)間，以確保系統(tǒng)中的關(guān)鍵時(shí)序不會(huì)被打亂且信號(hào)不會(huì)重疊。

電磁波的波長： 這是一個(gè)周期的給定點(diǎn)與下一個(gè)周期的同一點(diǎn)之間的距離，如圖所示。最容易選擇的點(diǎn)是峰，因?yàn)樗鼈冏钊菀锥ㄎ?。在無線電或無線的早期，波長用于確定信號(hào)在設(shè)備表盤上的位置。雖然它今天不用于此目的，但它仍然是任何無線電信號(hào)或任何電磁波的重要特征。無線電設(shè)備表盤上信號(hào)的位置或其在無線電頻譜內(nèi)的位置現(xiàn)在由其頻率確定，因?yàn)檫@提供了一種更準(zhǔn)確、更方便的方法來確定信號(hào)的特性。

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電磁波的頻率

這是波上特定點(diǎn)在給定時(shí)間內(nèi)（通常為一秒）上下移動(dòng)的次數(shù)。頻率單位是赫茲Hz，等于每秒一個(gè)周期。這個(gè)單位以發(fā)現(xiàn)無線電波的德國科學(xué)家赫茲的名字命名。無線電中使用的頻率通常非常高。因此，經(jīng)?？吹角熬Yk（kilo）、M（Mega ）和G（Giga）。 1 kHz 是 1000 Hz 1 MHz 是一百萬赫茲 1 GHz 是一億赫茲，即 1000 MHz。 最初沒有給頻率單位命名，而是使用每秒周期數(shù) (c/s)。一些較舊的書籍可能會(huì)顯示這些單位及其前綴：kc/s；用于更高頻率的 Mc/s 等。

無線電頻譜

電磁波的頻率范圍很廣，從幾Hz的超長波到可見光，再到極短的各種射線都屬于電磁波。其實(shí)很奇怪，這么寬的電磁波頻譜內(nèi)，只有可見光部分能夠被人們最早識(shí)別，人的視覺器官就是為這段電磁波而生的，那么有沒有人能夠看到可見光頻譜以外的電磁波？或者其他動(dòng)物的視覺頻譜有沒有可能比人類更廣？



不同頻率的電磁波對(duì)應(yīng)著不同的波長，而這個(gè)電磁波的波長才是人類感知的罪魁禍?zhǔn)?，但是誰讓電磁波的頻率和波長都對(duì)應(yīng)著一個(gè)常數(shù)C呢？所以我們既可以只說波長，也可以只說頻率。而人類目前應(yīng)用的最佳無線電頻譜就是下面這一段，從頻率極低的VLF到EHF，對(duì)應(yīng)的波長從超長波，到厘米波再到毫米波。但是太赫茲會(huì)不會(huì)被用到無線電上來呢？



電磁波的極化

電磁波的另一個(gè)重要特征是極化。那什么是極化呢？就是電磁波中電場最大值的變化路徑。電磁波的極化對(duì)電磁波的傳輸影響及其重要，不同極化方式的電磁波可用在不同的無線場景，比如衛(wèi)星通信，更多的是采用圓極化波，而移動(dòng)通信目前最常用的是±45°的線極化波。電磁波極化不僅對(duì)發(fā)射天線和接收天線很重要，對(duì)信號(hào)的傳輸也及其重要。

電磁波的極化類型

電磁波極化最常見的就是圓極化和線極化，但是橢圓極化才是普遍類型。



圓極化

是指電磁波電場最大值以圓的形式變化，也就是電磁波在傳輸中，電場轉(zhuǎn)著圈圈唱個(gè)歌往前跑，如下圖所示。

當(dāng)然既然轉(zhuǎn)了，就有個(gè)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的區(qū)別：電場方向符合右手定則的就是右旋圓極化，符合左手定則的就是左旋圓極化。

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圓極化波可以分解成兩個(gè)正交的線極化波，如下圖所示，這也是我們通常用來實(shí)現(xiàn)圓極化天線的一種方式：以兩個(gè)正交饋線對(duì)天線進(jìn)行饋電。談到線極化波，也要有個(gè)方向，通常我們以水平面為參考，電場變化方向與水平面垂直的稱為垂直線極化，平行的稱為水平線極化?，F(xiàn)在天線設(shè)計(jì)最為流行的±45°，也是以水平面為參考的。

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我們上文講到，橢圓極化才是電磁波最常見的極化方式，為什么呢？參考上面那幅圖圓極化波的合成圖，當(dāng)兩個(gè)正交的線極化波等幅的時(shí)候，合成波才是圓極化，但凡有一點(diǎn)點(diǎn)不等幅，那合成波就是橢圓極化啦，相等很難，不等才是常態(tài)。



到這兒，你對(duì)電磁波是不是有了更清晰的認(rèn)識(shí)？ 還有什么不清楚的地方呢？






審核編輯：劉清