深度解析：電磁波的原理和日常應用

電磁波(Electromagnetic wave)是由同相,且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)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(chǎng)，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(chǎng)與磁場(chǎng)構成的平面。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)現在****無(wú)線(xiàn)電波的這些天線(xiàn)都已經(jīng)變成了多根天線(xiàn)，或者說(shuō)像4G和5G信號塔一樣，變成了這種平板一樣的天線(xiàn)，甚至有很多無(wú)線(xiàn)設備的天線(xiàn)你都看不到了，都做到機身里面了，為什么會(huì )是這樣呢？你老是聽(tīng)到，但是其實(shí)你并不了解的概念。比如說(shuō)，相控陣天線(xiàn)「Phased Array Antenna」大規模多進(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(tīng)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(xiàn)，向不同的方向****無(wú)線(xiàn)電信號。有點(diǎn)像一個(gè)燈泡，不同方向的人 看到的光線(xiàn)都是一樣的亮度，家用的無(wú)線(xiàn)路由器頻率就高了很多，在2.4G赫茲頻段。也都是單天線(xiàn)全向****的家用寬帶，從幾兆到幾十兆的帶寬，承載了網(wǎng)頁(yè)、視頻、音樂(lè )這些業(yè)務(wù)。再后來(lái)隨著(zhù)高清視頻 還有聯(lián)網(wǎng)設備越來(lái)越多，無(wú)線(xiàn)通訊的需求越來(lái)越大，載波承載的數據量也越來(lái)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(lái)越大的信息量。通訊的電磁波頻率只能越來(lái)越高，家用的無(wú)線(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò )從2.4G赫茲頻段向5G赫茲發(fā)展。

手機用的蜂窩網(wǎng)絡(luò )也從幾百兆赫的頻段開(kāi)始向著(zhù)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(cháng)相應的就變短，電磁波的波長(cháng)就從廣播時(shí)代的幾百米，甚至幾公里的這么一個(gè)波長(cháng)縮短到了5G蜂窩網(wǎng)絡(luò )的厘米和毫米的級別頻率。高也導致了另一個(gè)問(wèn)題，就是傳播距離越來(lái)越近。低頻的電磁波傳播距離遠，因為傳播介質(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(wú)線(xiàn)電波在空氣中傳輸的距離比較近，因為空氣吸收了這些能量，這個(gè)道理很簡(jiǎn)單，你可以想象往湖里面丟一個(gè)石子，水波可以傳播很遠的距離，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。導致高頻的水波傳輸距離就很有限了，為了解決頻率高的無(wú)線(xiàn)電傳輸的距離問(wèn)題，只能通過(guò)增加功率，或者定向****來(lái)解決增加功率，只能在一定程度上彌補傳輸距離的短板，因為空氣中傳輸的全向****的電磁波能量會(huì )被空氣介質(zhì)吸收，導致電磁波衰減，依然很?chē)乐赝黄埔粋€(gè)閾值之后，能耗就大的沒(méi)有實(shí)際意義了。因為此時(shí)你通過(guò)高的離譜的****功率來(lái)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(lái)像是鍋蓋一樣的，或者是一排一排的這種天線(xiàn)陣子的定向天線(xiàn)，就可以解決傳輸距離問(wèn)題，這也就是為什么衛星通訊這種超遠距離的電磁波通訊都用的定向天線(xiàn)，但是隨著(zhù)家用無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展，定向天線(xiàn)也遇到了問(wèn)題，那就是無(wú)法快速和高效的轉向天線(xiàn)，當然你可以通過(guò)增加一個(gè)電機，讓定向天線(xiàn)通過(guò)機械結構轉向，但是在家用路由器的這種場(chǎng)景下

就不太現實(shí)了，轉向的轉速受限于機械結構，而且無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足多個(gè)用戶(hù)，同時(shí)使用的場(chǎng)景陣列天線(xiàn)就解決了這個(gè)問(wèn)題，陣列天線(xiàn)通常有很多的輻射組件「Radiating Elements」來(lái)組成每一個(gè) Radiating Element。這些小小的輻射組件共同組成了天線(xiàn)，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(wú)線(xiàn)設備的天線(xiàn)都做到機身里面，你看不到的原因，通過(guò)多個(gè)輻射組件之間的互相干涉，可以讓電磁波具有很強的方向性。比如說(shuō)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(guò)兩個(gè)并排的輻射組件，花費同樣的能量可以讓定向傳播的電磁波得到兩倍的增強，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4倍的向前傳輸的電磁波的能量，讓

電磁波的方向性更強，同時(shí)減少周?chē)男孤杜园甑碾姶挪ㄓ脕?lái)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」，旁瓣覆蓋的區域也是有信號的，只不過(guò)相對主波瓣范圍小了很多，強度也小了很多。多個(gè)輻射組件組成的天線(xiàn)陣列，增強電磁波傳播的方向，這個(gè)就叫做「Array Gain」「陣列增益」，多個(gè)輻射組件因為在空間里的位置有些許的差異，通過(guò)多個(gè)輻射組件之間協(xié)調****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。 通過(guò)這種方式可以實(shí)現電磁波轉向。比如說(shuō)現在的5G****的相控陣天線(xiàn)就可以同時(shí)****多條電磁波，給不同的終端主動(dòng)的把信號最強的主波瓣送到我們的手機天線(xiàn)上，輻射組件可以有很多個(gè)，通過(guò)輻射組件之間的配合，可以實(shí)現單一電磁波束變窄，然后傳輸距離變得很遠，也可以實(shí)現多條不同方向的電磁波波束朝著(zhù)不同方向同時(shí)傳輸，同時(shí)滿(mǎn)足多個(gè)用戶(hù)，這個(gè)就叫做「Massive MIMO」大規模多進(jìn)多出。

因為相控陣天線(xiàn)是通過(guò)數字信號控制不同的輻射組件，實(shí)現電磁波的方向，所以不用像機械結構的定向天線(xiàn)一樣，需要通過(guò)機械結構。比如說(shuō)馬達的這種旋轉天線(xiàn)振子來(lái)調整電磁波****的方向，同時(shí)通過(guò)不同的輻射組件可以****多條電磁波束。同時(shí)跟多臺設備同時(shí)通訊，這個(gè)就解決了機械結構轉向定向天線(xiàn)做不到這種同時(shí)滿(mǎn)足多個(gè)方向****電磁波的問(wèn)題，這種通過(guò)多個(gè)輻射組件來(lái)控制電磁波傳播方向的天線(xiàn)就叫做相控陣天線(xiàn)。轉向電磁波****并且增強某個(gè)方向傳播的技術(shù)就叫做波束賦形。這些就是為什么現在的天線(xiàn)不管是手機信號塔， 還是家用的無(wú)線(xiàn)路由器的天線(xiàn)形態(tài)都跟傳統的單根全方向射頻的天線(xiàn)不一樣的根本原因。因為現在的業(yè)務(wù)數據量太大了，電磁波頻率越來(lái)越高，導致全向****的電磁波的功耗太高，傳輸效率太低，而且衰減也大，所以現在的定向天線(xiàn)都是通過(guò)陣列天線(xiàn)來(lái)增強信號的，把全方向射頻的電磁波聚攏起來(lái)，朝著(zhù)一個(gè)方向****。

舉幾個(gè)生活中的例子。比如說(shuō)，現在的家用無(wú)線(xiàn)路由器的天線(xiàn)都是這種面板，或者是多根天線(xiàn)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)現更遠的距離和更精準的信號傳輸，無(wú)人駕駛的汽車(chē)用到的毫米波雷達，也是通過(guò)窄波束的電磁波來(lái)探測，很快速的****這種窄帶電磁波來(lái)探測周邊的車(chē)輛的信息，毫米波無(wú)線(xiàn)HDMI圖傳設備為了達到跟用HDMI信號線(xiàn)同等的傳輸量，需要在空氣介質(zhì)中每秒傳輸500兆左右的數據量，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(guò)去，這些實(shí)際應用都用到了陣列天線(xiàn)，實(shí)現的集中電磁波波束的技術(shù)。電磁波因為是看不見(jiàn)的，如果說(shuō)你理解起這些抽象的概念很困難，你可以結合電磁波譜來(lái)消化我剛才說(shuō)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(shuō)到底光也是電磁波的一種形態(tài)，所以當頻率越高，達到5G的毫米波的頻段和剛才提到的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(lái)越接近光的性質(zhì)。比如說(shuō)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(wú)線(xiàn)設備的時(shí)候。比如說(shuō)無(wú)線(xiàn)路由器、手機、平板、還有這些智能電視之類(lèi)的雖然說(shuō)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(guò)講述的介紹可以腦補出這些無(wú)線(xiàn)設備，大概是怎么工作的還有設備之間是怎么通訊的 大概是怎么實(shí)現的。