深度解析：电磁波的原理和日常应用

IC老和尚 · 发表于 2021-4-29 15:16

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深度解析：电磁波的原理和日常应用

EDA365原创作者：巢影字幕组

电磁波(Electromagnetic wave)是由同相,且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。

在二三十年的技术演进现在发射无线电波的这些天线都已经变成了多根天线，或者说像4G和5G信号塔一样，变成了这种平板一样的天线，甚至有很多无线设备的天线你都看不到了，都做到机身里面了，为什么会是这样呢？你老是听到，但是其实你并不了解的概念。比如说，相控阵天线「Phased Array Antenna」大规模多进多出「Massive MIMO」，还有波束赋形「Beamforming」。

在我七八岁的时候，那个时候大家还在听广播，广播的FM和AM这些频段，这些电磁波的频率在几千赫到几兆赫之间，在之前讲到的电磁波谱中处于频率比较低的范围，那个时候的广播塔都是全向天线，向不同的方向发射无线电信号。有点像一个灯泡，不同方向的人看到的光线都是一样的亮度，家用的无线路由器频率就高了很多，在2.4G赫兹频段。也都是单天线全向发射的家用宽带，从几兆到几十兆的带宽，承载了网页、视频、音乐这些业务。再后来随着高清视频还有联网设备越来越多，无线通讯的需求越来越大，载波承载的数据量也越来越，大家用宽带从几十兆也变成了几百兆，甚至千兆网络。载波频率需要足够高才能承载这些越来越大的信息量。通讯的电磁波频率只能越来越高，家用的无线WiFi网络从2.4G赫兹频段向5G赫兹发展。

手机用的蜂窝网络也从几百兆赫的频段开始向着更高频段信道资源，更加丰富的高频段发展，甚至5G的毫米波频段用上了24G赫兹的高频频段，频率越高波长相应的就变短，电磁波的波长就从广播时代的几百米，甚至几公里的这么一个波长缩短到了5G蜂窝网络的厘米和毫米的级别频率。高也导致了另一个问题，就是传播距离越来越近。低频的电磁波传播距离远，因为传播介质吸收的能量小，在大气层中传播的介质就是指空气高频无线电波在空气中传输的距离比较近，因为空气吸收了这些能量，这个道理很简单，你可以想象往湖里面丢一个石子，水波可以传播很远的距离，但是如果水波的频率很高，大部分的能量就被水吸收掉了，影响到了传播。导致高频的水波传输距离就很有限了，为了解决频率高的无线电传输的距离问题，只能通过增加功率，或者定向发射来解决增加功率，只能在一定程度上弥补传输距离的短板，因为空气中传输的全向发射的电磁波能量会被空气介质吸收，导致电磁波衰减，依然很严重突破一个阈值之后，能耗就大的没有实际意义了。因为此时你通过高的离谱的发射功率来提升一点点的传输距离，这种交换并不划算这个时候看起来像是锅盖一样的，或者是一排一排的这种天线阵子的定向天线，就可以解决传输距离问题，这也就是为什么卫星通讯这种超远距离的电磁波通讯都用的定向天线，但是随着家用无线电技术的发展，定向天线也遇到了问题，那就是无法快速和高效的转向天线，当然你可以通过增加一个电机，让定向天线通过机械结构转向，但是在家用路由器的这种场景下就不太现实了，转向的转速受限于机械结构，而且无法同时满足多个用户，同时使用的场景阵列天线就解决了这个问题，阵列天线通常有很多的辐射组件「Radiating Elements」来组成每一个 Radiating Element。这些小小的辐射组件共同组成了天线，甚至很多辐射组件直接做在电路板上，这就是为什么很多无线设备的天线都做到机身里面，你看不到的原因，通过多个辐射组件之间的互相干涉，可以让电磁波具有很强的方向性。比如说单一辐射组件配合一个反射面板之后发射的电磁波的形状通过两个并排的辐射组件，花费同样的能量可以让定向传播的电磁波得到两倍的增强，同时减少两边发射的电磁波，4个并排的辐射组件，可以加强4倍的向前传输的电磁波的能量，让电磁波的方向性更强，同时减少周围的泄露旁瓣的电磁波用来描述电磁波传输方向的范围，主要的电磁波传播的范围叫做「Main Lobe」主波瓣，周边发射的电磁波叫做旁瓣「Side Lobe」，旁瓣覆盖的区域也是有信号的，只不过相对主波瓣范围小了很多，强度也小了很多。多个辐射组件组成的天线阵列，增强电磁波传播的方向，这个就叫做「Array Gain」「阵列增益」，多个辐射组件因为在空间里的位置有些许的差异，通过多个辐射组件之间协调发射电磁波的延迟，也就是电磁波相位可以使得电磁波的主波瓣的发射角度发生变化，发生偏转。通过这种方式可以实现电磁波转向。比如说现在的5G基站的相控阵天线就可以同时发射多条电磁波，给不同的终端主动的把信号最强的主波瓣送到我们的手机天线上，辐射组件可以有很多个，通过辐射组件之间的配合，可以实现单一电磁波束变窄，然后传输距离变得很远，也可以实现多条不同方向的电磁波波束朝着不同方向同时传输，同时满足多个用户，这个就叫做「Massive MIMO」大规模多进多出。

因为相控阵天线是通过数字信号控制不同的辐射组件，实现电磁波的方向，所以不用像机械结构的定向天线一样，需要通过机械结构。比如说马达的这种旋转天线振子来调整电磁波发射的方向，同时通过不同的辐射组件可以发射多条电磁波束。同时跟多台设备同时通讯，这个就解决了机械结构转向定向天线做不到这种同时满足多个方向发射电磁波的问题，这种通过多个辐射组件来控制电磁波传播方向的天线就叫做相控阵天线。转向电磁波发射并且增强某个方向传播的技术就叫做波束赋形。这些就是为什么现在的天线不管是手机信号塔，还是家用的无线路由器的天线形态都跟传统的单根全方向射频的天线不一样的根本原因。因为现在的业务数据量太大了，电磁波频率越来越高，导致全向发射的电磁波的功耗太高，传输效率太低，而且衰减也大，所以现在的定向天线都是通过阵列天线来增强信号的，把全方向射频的电磁波聚拢起来，朝着一个方向发射。

举几个生活中的例子。比如说，现在的家用无线路由器的天线都是这种面板，或者是多根天线的形态，就是为了将电磁波波束赋形成比较窄的波束，实现更远的距离和更精准的信号传输，无人驾驶的汽车用到的毫米波雷达，也是通过窄波束的电磁波来探测，很快速的发射这种窄带电磁波来探测周边的车辆的信息，毫米波无线HDMI图传设备为了达到跟用HDMI信号线同等的传输量，需要在空气介质中每秒传输500兆左右的数据量，那就必须上更高频率的载波，更集中的把电磁波能量以很窄的波束传输过去，这些实际应用都用到了阵列天线，实现的集中电磁波波束的技术。电磁波因为是看不见的，如果说你理解起这些抽象的概念很困难，你可以结合电磁波谱来消化我刚才说到的这些概念，频率越高的电磁波性质就越接近光，其实说到底光也是电磁波的一种形态，所以当频率越高，达到5G的毫米波的频段和刚才提到的无线HDMI图传器的工作，在60G赫兹的载波的频段，你就可以理解成阵列天线把电磁波集中成一条很窄的一束，就好像一束激光一样，从发射端打到接收端，其实高频的电磁波真的越来越接近光的性质。比如说穿透能力差，但是能量比较集中。