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，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，都做到機身里面了，為什么會是這樣呢？你老是聽到，但是其實你并不了解的概念。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」。

在我七八歲的時候，那個時候大家還在聽廣播，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，那個時候的廣播塔都是全向天線，向不同的方向****無線電信號。有點像一個燈泡，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代的幾百米，甚至幾公里的這么一個波長縮短到了5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的厘米和毫米的級別頻率。高也導(dǎo)致了另一個問題，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)就是指空氣高頻無線電波在空氣中傳輸?shù)木嚯x比較近，因為空氣吸收了這些能量，這個道理很簡單，你可以想象往湖里面丟一個石子，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傳輸距離的短板，因為空氣中傳輸?shù)娜?***的電磁波能量會被空氣介質(zhì)吸收，導(dǎo)致電磁波衰減，依然很嚴(yán)重突破一個閾值之后，能耗就大的沒有實際意義了。因為此時你通過高的離譜的****功率來提升一點點的傳輸距離，這種交換并不劃算這個時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電機，讓定向天線通過機械結(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)實了，轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)速受限于機械結(jié)構(gòu)，而且無法同時滿足多個用戶，同時使用的場景陣列天線就解決了這個問題，陣列天線通常有很多的輻射組件「Radiating Elements」來組成每一個 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)備的天線都做到機身里面，你看不到的原因，通過多個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。比如說單一輻射組件配合一個反射面板之后 ****的電磁波的形狀通過兩個并排的輻射組件，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，同時減少兩邊****的電磁波，4個并排的輻射組件，可以加強4倍的向前傳輸?shù)碾姶挪ǖ哪芰?，?/p>

電磁波的方向性更強，同時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)域也是有信號的，只不過相對主波瓣范圍小了很多，強度也小了很多。多個輻射組件組成的天線陣列，增強電磁波傳播的方向，這個就叫做「Array Gain」「陣列增益」，多個輻射組件因為在空間里的位置有些許的差異，通過多個輻射組件之間協(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****多條電磁波，給不同的終端主動的把信號最強的主波瓣送到我們的手機天線上，輻射組件可以有很多個，通過輻射組件之間的配合，可以實現(xiàn)單一電磁波束變窄，然后傳輸距離變得很遠(yuǎn)，也可以實現(xiàn)多條不同方向的電磁波波束朝著不同方向同時傳輸，同時滿足多個用戶，這個就叫做「Massive MIMO」大規(guī)模多進(jìn)多出。

因為相控陣天線是通過數(shù)字信號控制不同的輻射組件，實現(xiàn)電磁波的方向，所以不用像機械結(jié)構(gòu)的定向天線一樣，需要通過機械結(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，同時通過不同的輻射組件可以****多條電磁波束。同時跟多臺設(shè)備同時通訊，這個就解決了機械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向定向天線做不到這種同時滿足多個方向****電磁波的問題，這種通過多個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****并且增強某個方向傳播的技術(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信號塔， 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。因為現(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信號的，把全方向射頻的電磁波聚攏起來，朝著一個方向****。

舉幾個生活中的例子。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，實現(xiàn)更遠(yuǎn)的距離和更精準(zhǔn)的信號傳輸，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，這些實際應(yīng)用都用到了陣列天線，實現(xiàn)的集中電磁波波束的技術(shù)。電磁波因為是看不見的，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)備的時候。比如說無線路由器、手機、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 大概是怎么實現(xiàn)的。