最最最通俗易懂的电磁波基础

云脑智库 2022-02-07 00:07

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来源 | 射频学堂

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作者： RF小木匠

离开无线，就无所谓射频。我们今天所说的Radio Frequency RF就是指电磁波中这段能够用于无线通信的电磁波频谱。无线信号能够以电磁波为载体进行传输，就像光线一样，脱离实物载体，实现无线传输，唯一不同的是频率和波长。

那么，我们今天就重新来认识一下电磁波。

什么是电磁波？

现在的人们对电磁波已经不再陌生，但是在150年前，电磁波这个词还没有发明，但是电磁波确实真真实实的存在着。麦克斯韦（链接）通过总结前人的实验结果，推导出了麦克斯韦方程，进而在数学上预言了电磁波的存在，而且光也是一种电磁波。直到了120多年前，赫兹的实验证明了电磁波的存在。至此人类才知道真的有这玩意存在，而且传播速度和光速一样。马可尼把电报信号加载到电磁波上，实现了无线电报跨大西洋通信。谁能想到，电磁波已经融入到我们生活的方方面面，Wifi，5G，无人机，无人驾驶，卫星通信，等等，都离不开电磁波这个载体。

那么什么是电磁波呢？电磁波也就是电磁辐射，电场能量和磁场能量这对好兄弟互不分离，互相垂直，以光速前进，如下图所示。而且有趣的是，电磁波传输的最佳载体是真空，哪怕空气都会对它造成影响，遇金属则反射，遇介质则衰减。堪称最为理想的信号载体，可在自由空间传输，无拘无束；亦可在金属传输线中传输，控制自如。无线世界也由此而来。

电磁波的三个特征量：波长，频率和波速。这三个特征量是相互依存的，波长等于波速除以频率。

也就是说，波长定了，频率也就定了；频率定了，波长也知道了。但是要注意这个是自由空间的波长和波速。介质中的又不一样了。

电磁波的波速：

自由空间的电磁波的波速就是光速。在一般的计算中，光速通常被认为是每秒300 000 000 米，但是更精确的值是每秒 299 792 500 米。确实够快，已经是人类能够制造的最快速度，但是它仍然需要一定的时间来传输给定的距离，使用现代无线电技术，需要考虑信号在特定距离上传播的时间。例如，雷达利用信号需要一定时间传播的事实来确定目标的距离。其他应用（例如移动电话）也需要考虑信号传播所用的时间，以确保系统中的关键时序不会被打乱且信号不会重叠。

电磁波的波长：

这是一个周期的给定点与下一个周期的同一点之间的距离，如图所示。最容易选择的点是峰，因为它们最容易定位。在无线电或无线的早期，波长用于确定信号在设备表盘上的位置。虽然它今天不用于此目的，但它仍然是任何无线电信号或任何电磁波的重要特征。无线电设备表盘上信号的位置或其在无线电频谱内的位置现在由其频率确定，因为这提供了一种更准确、更方便的方法来确定信号的特性。

电磁波的频率

这是波上特定点在给定时间内（通常为一秒）上下移动的次数。频率单位是赫兹Hz，等于每秒一个周期。这个单位以发现无线电波的德国科学家赫兹的名字命名。无线电中使用的频率通常非常高。因此，经常看到前缀k（kilo）、M（Mega ）和G（Giga）。

1 kHz 是 1000 Hz

1 MHz 是一百万赫兹

1 GHz 是一亿赫兹，即 1000 MHz。

最初没有给频率单位命名，而是使用每秒周期数 (c/s)。一些较旧的书籍可能会显示这些单位及其前缀：kc/s；用于更高频率的 Mc/s 等。

无线电频谱

电磁波的频率范围很广，从几Hz的超长波到可见光，再到极短的各种射线都属于电磁波（链接）。其实很奇怪，这么宽的电磁波频谱内，只有可见光部分能够被人们最早识别，人的视觉器官就是为这段电磁波而生的，那么有没有人能够看到可见光频谱以外的电磁波？或者其他动物的视觉频谱有没有可能比人类更广？

不同频率的电磁波对应着不同的波长，而这个电磁波的波长才是人类感知的罪魁祸首，但是谁让电磁波的频率和波长都对应着一个常数C呢？所以我们既可以只说波长，也可以只说频率。而人类目前应用的最佳无线电频谱就是下面这一段，从频率极低的VLF到EHF，对应的波长从超长波，到厘米波再到毫米波。但是太赫兹会不会被用到无线电上来呢？

电磁波的极化

电磁波的另一个重要特征是极化。那什么是极化呢？就是电磁波中电场最大值的变化路径。电磁波的极化对电磁波的传输影响及其重要，不同极化方式的电磁波可用在不同的无线场景，比如卫星通信，更多的是采用圆极化波，而移动通信目前最常用的是±45°的线极化波。电磁波极化不仅对发射天线和接收天线很重要，对信号的传输也及其重要。

电磁波的极化类型

电磁波极化最常见的就是圆极化和线极化，但是椭圆极化才是普遍类型。

圆极化是指电磁波电场最大值以圆的形式变化，也就是电磁波在传输中，电场转着圈圈唱个歌往前跑，如下图所示。当然既然转了，就有个正转反转的区别：电场方向符合右手定则的就是右旋圆极化，符合左手定则的就是左旋圆极化。

圆极化波可以分解成两个正交的线极化波，如下图所示，这也是我们通常用来实现圆极化天线的一种方式：以两个正交馈线对天线进行馈电。谈到线极化波，也要有个方向，通常我们以水平面为参考，电场变化方向与水平面垂直的称为垂直线极化，平行的称为水平线极化。现在天线设计最为流行的±45°，也是以水平面为参考的。

我们上文讲到，椭圆极化才是电磁波最常见的极化方式，为什么呢？参考上面那幅图圆极化波的合成图，当两个正交的线极化波等幅的时候，合成波才是圆极化，但凡有一点点不等幅，那合成波就是椭圆极化啦，相等很难，不等才是常态。

到这儿，你对电磁波是不是有了更清晰的认识？

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