深度解析：電磁波的原理和日常應(yīng)用

電磁波(Electromagnetic wave)是由同相,且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生****的震蕩粒子波，是以波動(dòng)的形式傳播的電磁場，具有。由同相振蕩且互相垂直的與在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面。電磁波在真空中速率固定，速度為。

在二三十年的技術(shù)演進(jìn)現(xiàn)在****無線電波的這些天線都已經(jīng)變成了多根天線，或者說像4G和5G信號(hào)塔一樣，變成了這種平板一樣的天線，甚至有很多無線設(shè)備的天線你都看不到了，都做到機(jī)身里面了，為什么會(huì)是這樣呢？你老是聽到，但是其實(shí)你并不了解的概念。比如說，相控陣天線「Phased Array Antenna」大規(guī)模多進(jìn)多出「Massive MIMO」，還有波束賦形「Beamforming」。

在我七八歲的時(shí)候，那個(gè)時(shí)候大家還在聽廣播，廣播的FM和AM這些頻段，這些電磁波的頻率在幾千赫到幾兆赫之間，在之前講到的電磁波譜中處于頻率比較低的范圍，那個(gè)時(shí)候的廣播塔都是全向天線，向不同的方向****無線電信號(hào)。有點(diǎn)像一個(gè)燈泡，不同方向的人 看到的光線都是一樣的亮度，家用的無線路由器頻率就高了很多，在2.4G赫茲頻段。也都是單天線全向****的家用寬帶，從幾兆到幾十兆的帶寬，承載了網(wǎng)頁、視頻、音樂這些業(yè)務(wù)。再后來隨著高清視頻 還有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來越多，無線通訊的需求越來越大，載波承載的數(shù)據(jù)量也越來越，大家用寬帶從幾十兆也變成了幾百兆，甚至千兆網(wǎng)絡(luò)。載波頻率需要足夠高才能承載這些越來越大的信息量。通訊的電磁波頻率只能越來越高，家用的無線WiFi網(wǎng)絡(luò)從2.4G赫茲頻段向5G赫茲發(fā)展。

手機(jī)用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)也從幾百兆赫的頻段開始向著更高頻段 信道資源，更加豐富的高頻段發(fā)展，甚至5G的毫米波頻段用上了24G赫茲的高頻頻段，頻率越高波長相應(yīng)的就變短，電磁波的波長就從廣播時(shí)代的幾百米，甚至幾公里的這么一個(gè)波長縮短到了5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的厘米和毫米的級(jí)別頻率。高也導(dǎo)致了另一個(gè)問題，就是傳播距離越來越近。低頻的電磁波傳播距離遠(yuǎn)，因?yàn)閭鞑ソ橘|(zhì)吸收的能量小，在大氣層中傳播的介質(zhì)就是指空氣高頻無線電波在空氣中傳輸?shù)木嚯x比較近，因?yàn)榭諝馕樟诉@些能量，這個(gè)道理很簡單，你可以想象往湖里面丟一個(gè)石子，水波可以傳播很遠(yuǎn)的距離，但是如果水波的頻率很高，大部分的能量就被水吸收掉了，影響到了傳播。導(dǎo)致高頻的水波傳輸距離就很有限了，為了解決頻率高的無線電傳輸?shù)木嚯x問題，只能通過增加功率，或者定向****來解決增加功率，只能在一定程度上彌補(bǔ)傳輸距離的短板，因?yàn)榭諝庵袀鬏數(shù)娜?***的電磁波能量會(huì)被空氣介質(zhì)吸收，導(dǎo)致電磁波衰減，依然很嚴(yán)重突破一個(gè)閾值之后，能耗就大的沒有實(shí)際意義了。因?yàn)榇藭r(shí)你通過高的離譜的****功率來提升一點(diǎn)點(diǎn)的傳輸距離，這種交換并不劃算這個(gè)時(shí)候看起來像是鍋蓋一樣的，或者是一排一排的這種天線陣子的定向天線，就可以解決傳輸距離問題，這也就是為什么衛(wèi)星通訊這種超遠(yuǎn)距離的電磁波通訊都用的定向天線，但是隨著家用無線電技術(shù)的發(fā)展，定向天線也遇到了問題，那就是無法快速和高效的轉(zhuǎn)向天線，當(dāng)然你可以通過增加一個(gè)電機(jī)，讓定向天線通過機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向，但是在家用路由器的這種場景下

就不太現(xiàn)實(shí)了，轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)速受限于機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且無法同時(shí)滿足多個(gè)用戶，同時(shí)使用的場景陣列天線就解決了這個(gè)問題，陣列天線通常有很多的輻射組件「Radiating Elements」來組成每一個(gè) Radiating Element。這些小小的輻射組件共同組成了天線，甚至很多輻射組件直接做在電路板上，這就是為什么很多無線設(shè)備的天線都做到機(jī)身里面，你看不到的原因，通過多個(gè)輻射組件之間的互相干涉，可以讓電磁波具有很強(qiáng)的方向性。比如說單一輻射組件配合一個(gè)反射面板之后 ****的電磁波的形狀通過兩個(gè)并排的輻射組件，花費(fèi)同樣的能量可以讓定向傳播的電磁波得到兩倍的增強(qiáng)，同時(shí)減少兩邊****的電磁波，4個(gè)并排的輻射組件，可以加強(qiáng)4倍的向前傳輸?shù)碾姶挪ǖ哪芰浚?/p>

電磁波的方向性更強(qiáng)，同時(shí)減少周圍的泄露旁瓣的電磁波用來描述電磁波傳輸方向的范圍，主要的電磁波傳播的范圍叫做「Main Lobe」主波瓣，周邊****的電磁波叫做旁瓣「Side Lobe」，旁瓣覆蓋的區(qū)域也是有信號(hào)的，只不過相對(duì)主波瓣范圍小了很多，強(qiáng)度也小了很多。多個(gè)輻射組件組成的天線陣列，增強(qiáng)電磁波傳播的方向，這個(gè)就叫做「Array Gain」「陣列增益」，多個(gè)輻射組件因?yàn)樵诳臻g里的位置有些許的差異，通過多個(gè)輻射組件之間協(xié)調(diào)****電磁波的延遲，也就是電磁波相位可以使得電磁波的主波瓣的****角度發(fā)生變化，發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)電磁波轉(zhuǎn)向。比如說現(xiàn)在的5G****的相控陣天線就可以同時(shí)****多條電磁波，給不同的終端主動(dòng)的把信號(hào)最強(qiáng)的主波瓣送到我們的手機(jī)天線上，輻射組件可以有很多個(gè)，通過輻射組件之間的配合，可以實(shí)現(xiàn)單一電磁波束變窄，然后傳輸距離變得很遠(yuǎn)，也可以實(shí)現(xiàn)多條不同方向的電磁波波束朝著不同方向同時(shí)傳輸，同時(shí)滿足多個(gè)用戶，這個(gè)就叫做「Massive MIMO」大規(guī)模多進(jìn)多出。

因?yàn)橄嗫仃囂炀€是通過數(shù)字信號(hào)控制不同的輻射組件，實(shí)現(xiàn)電磁波的方向，所以不用像機(jī)械結(jié)構(gòu)的定向天線一樣，需要通過機(jī)械結(jié)構(gòu)。比如說馬達(dá)的這種旋轉(zhuǎn)天線振子來調(diào)整電磁波****的方向，同時(shí)通過不同的輻射組件可以****多條電磁波束。同時(shí)跟多臺(tái)設(shè)備同時(shí)通訊，這個(gè)就解決了機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向定向天線做不到這種同時(shí)滿足多個(gè)方向****電磁波的問題，這種通過多個(gè)輻射組件來控制電磁波傳播方向的天線就叫做相控陣天線。轉(zhuǎn)向電磁波****并且增強(qiáng)某個(gè)方向傳播的技術(shù)就叫做波束賦形。這些就是為什么現(xiàn)在的天線不管是手機(jī)信號(hào)塔， 還是家用的無線路由器的天線形態(tài)都跟傳統(tǒng)的單根全方向射頻的天線不一樣的根本原因。因?yàn)楝F(xiàn)在的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量太大了，電磁波頻率越來越高，導(dǎo)致全向****的電磁波的功耗太高，傳輸效率太低，而且衰減也大，所以現(xiàn)在的定向天線都是通過陣列天線來增強(qiáng)信號(hào)的，把全方向射頻的電磁波聚攏起來，朝著一個(gè)方向****。

舉幾個(gè)生活中的例子。比如說，現(xiàn)在的家用無線路由器的天線都是這種面板，或者是多根天線的形態(tài)，就是為了將電磁波波束賦形成比較窄的波束，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的距離和更精準(zhǔn)的信號(hào)傳輸，無人駕駛的汽車用到的毫米波雷達(dá)，也是通過窄波束的電磁波來探測，很快速的****這種窄帶電磁波來探測周邊的車輛的信息，毫米波無線HDMI圖傳設(shè)備為了達(dá)到跟用HDMI信號(hào)線同等的傳輸量，需要在空氣介質(zhì)中每秒傳輸500兆左右的數(shù)據(jù)量，那就必須上更高頻率的載波，更集中的

把電磁波能量以很窄的波束傳輸過去，這些實(shí)際應(yīng)用都用到了陣列天線，實(shí)現(xiàn)的集中電磁波波束的技術(shù)。電磁波因?yàn)槭强床灰姷?，如果說你理解起這些抽象的概念很困難，你可以結(jié)合電磁波譜來消化我剛才說到的這些概念，頻率越高的電磁波性質(zhì)就越接近光，其實(shí)說到底光也是電磁波的一種形態(tài)，所以當(dāng)頻率越高，達(dá)到5G的毫米波的頻段和剛才提到的無線HDMI圖傳器的工作，在60G赫茲的載波的頻段，你就可以理解成陣列天線把電磁波集中成一條很窄的一束，就好像一束激光一樣，從****端打到接收端，其實(shí)高頻的電磁波真的越來越接近光的性質(zhì)。比如說穿透能力差，但是能量比較集中。

我希望大家今后再看到家里的這些無線設(shè)備的時(shí)候。比如說無線路由器、手機(jī)、平板、還有這些智能電視之類的雖然說電磁波你看不到，其實(shí)電磁波的世界是很神奇的，希望你可以通過講述的介紹可以腦補(bǔ)出這些無線設(shè)備，大概是怎么工作的還有設(shè)備之間是怎么通訊的 大概是怎么實(shí)現(xiàn)的。