① 射頻從這里出發(fā)——麥克斯韋方程組！

　　② 如何從麥克斯韋方程推導(dǎo)出電磁波？

　　大家好，這里是【射頻學(xué)堂】今天我們繼續(xù)射頻入門的學(xué)習(xí)。 在前面的學(xué)習(xí)中，我們復(fù)習(xí)了麥克斯韋方程組的相關(guān)內(nèi)容：高斯電場(chǎng)定律，高斯磁場(chǎng)定律，安培環(huán)路定理和法拉第電磁感應(yīng)定律。電磁波從麥克斯韋的奇妙構(gòu)思中這里來到人類的世界，在赫茲的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)并走入千家萬(wàn)戶。但實(shí)際中電磁波一直就存在——以光的形式讓人看見，以熱的形式讓人感受，以無形無色無味的形式構(gòu)建我們現(xiàn)在的無線世界。 對(duì)于現(xiàn)代的我們，可以明確給出電磁波的定義：電磁波（Electromagnetic wave）是由方向相同且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波動(dòng)的形式傳播的電磁場(chǎng)，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面。電磁波在真空中速率固定，速度為光速。

　　通過上面定義，我們知道電磁波是一種電磁能，電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩位親兄弟彼此垂直，不需要借助任何載體，以光速傳播。真空是它的最佳活動(dòng)場(chǎng)所，遇金屬則反射，遇介質(zhì)則衰減，即使空氣也會(huì)受到影響。電磁波作為最佳的信號(hào)載體，既可以在空間不受限制地傳播，也可以在導(dǎo)波系統(tǒng)中按照既定的路線前進(jìn)。堪稱完美的電磁波，值得讓我們每一個(gè)射頻人為之奮斗。

　　接下來我們通過電磁波的幾個(gè)主要特征，一起來重新認(rèn)識(shí)一下它。

　　① 電磁波的頻譜

　　當(dāng)我們談到這個(gè)電磁波，首先要知道它的頻率，頻率，波長(zhǎng)和波速是三個(gè)互相關(guān)聯(lián)的量，滿足下面的等式關(guān)系：波長(zhǎng)等于波速除以頻率。在開放空間中，波速就是光速，一般我們以300，000，000 m/s 來計(jì)算，更精確的數(shù)值是299，792，500 m/s. 但是當(dāng)電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，這個(gè)速度會(huì)受介質(zhì)體的影響而改變，波速等于光速除以介質(zhì)體的相對(duì)介電常數(shù)這個(gè)相對(duì)介電常數(shù) Er 恒大于1，所以在介質(zhì)體中的波速會(huì)小于光速，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)也會(huì)變小，介質(zhì)體對(duì)波速和波長(zhǎng)的影響在設(shè)計(jì)中一定要注意到。

　　所以呢，鑒于波長(zhǎng)λ和頻率 f 的對(duì)應(yīng)關(guān)系，電磁波根據(jù)波長(zhǎng)和頻率有兩種對(duì)應(yīng)的分類方法。比如按照波長(zhǎng)劃分：長(zhǎng)波，中波，短波，超短波，米波，分米波，厘米波，毫米波，亞毫米波等，按照頻率劃分有甚低頻，低頻，中頻，高頻，甚高頻，特高頻，超高頻，極高頻，超極高頻等。而我們所說的微波通常是指頻率在300MHz到3000GHz的電磁波，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是1米到0.1毫米的范圍。而射頻呢，Radio Frequency，指我們?nèi)祟惸壳皯?yīng)用的用來做信號(hào)發(fā)射接收的電磁波頻譜，IEEE給的定義的的是3kHz到300GHz。有的更定義為整個(gè)甚低頻到超級(jí)高頻都是射頻頻段。我覺得，隨著技術(shù)的發(fā)展，肯定有越來越多的電磁波頻譜資源被我們射頻人所用。到時(shí)候，RF的規(guī)模還會(huì)擴(kuò)大。

　　② 電磁波的功率

　　通過之前的學(xué)習(xí)，我們知道電磁波其實(shí)是一種電磁能的波動(dòng)形式，傳遞的是電磁能，而這個(gè)電磁能的大小就是功率。這里有一個(gè)標(biāo)注的功率定義：我們把單位時(shí)間內(nèi)通過與波傳播方向垂直的單位面積的電磁場(chǎng)能量叫做電磁能量密度。而這個(gè)電磁能量密度有一個(gè)專有名詞坡印廷矢量S，這個(gè)坡印廷矢量更是把電磁波中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩兄弟的關(guān)系結(jié)合的更加緊密。 S=E x H，坡印廷矢量的方向就是電磁波的傳播方向，與電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H呈右手螺旋關(guān)系。

　　當(dāng)然對(duì)于不同的用途，電磁波的功率也不同，比如在我們常用的移動(dòng)通信領(lǐng)域，基站的發(fā)射功率通常為10W~80W 不等，手機(jī)的發(fā)射功率則通常為 1mW到2W。那么調(diào)頻廣播的發(fā)射功率則會(huì)高達(dá)20kW（猶記當(dāng)年抱著20KW的大腔體取暖的艱苦歲月）。當(dāng)然，在軍事上的微波武器中，功率則更為重要，利用微波武器瞬間燒毀敵方的電子設(shè)備。 ③ 電磁波的極化 極化是電磁波的一個(gè)重要特征，電磁波的極化是指電磁波的最大電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)電場(chǎng)最大方向運(yùn)動(dòng)軌跡的不同，電磁波可以分為線極化波和圓極化波，線極化波與水平面的關(guān)系又分為垂直極化波和水平極化波；圓極化波按照電場(chǎng)最大值旋轉(zhuǎn)的方向又分為左旋圓極化波和右旋圓極化波。這兩種波都是電磁波的極化的特殊情況，最為一般的是橢圓極化波，當(dāng)橢圓的軸比為1時(shí)就是圓極化波，而當(dāng)橢圓的軸比為無窮大時(shí)就是線極化波。

　　電磁波的傳播很大程度上受電磁波極化的影響。不同極化模式的電磁波可用于各種無線應(yīng)用，例如衛(wèi)星通信，通常用圓極化波而移動(dòng)通信通常用到±45 °的線極化波。電磁波的極化不僅對(duì)發(fā)送和接收天線至關(guān)重要，而且對(duì)信號(hào)傳輸也很重要。

　　④ 電磁波應(yīng)用 電磁波目前已經(jīng)被應(yīng)用于現(xiàn)代生活的方方面面，我們比較熟悉的無線通信，wifi ，藍(lán)牙，GPS，雷達(dá)等都是電磁波應(yīng)用最為普及的案例。還有生活中離不開的微波爐，甚至可以讓你變得更漂亮的射頻美容；為人們治病檢查的B超就用到了電磁波中的X-Ray，更有治療腫瘤的γ射線。 電磁波的成功應(yīng)用離不開射頻人的工作。無論處在哪一個(gè)行業(yè)，我們射頻人的目標(biāo)就是讓電磁波能夠更好地為人類服務(wù)。所以，射頻人不用懼怕失業(yè)，只要電磁波還在，電磁波應(yīng)該會(huì)一直在。

　　這是我們射頻帶學(xué)的第③課，依然作為我們射頻入門課程的公開課。希望通過這節(jié)課程的學(xué)習(xí)，大家對(duì)電磁波有個(gè)更深的認(rèn)識(shí)，也能更自豪于自己的工作。

　　電磁波常見問題

　　1. 電磁波包含什么？

　　根據(jù)波長(zhǎng)的長(zhǎng)短和波源的不同，電磁波譜大致可分為：

　　（1）無線電波（2）微波（3）紅外線（4）可見光（5）紫外線（6）倫琴射線（7）伽馬射線

　　2. 電磁波是如何形成的？

　　電磁波是電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的一種形式。電和磁可以說是一個(gè)身體的兩個(gè)方面。變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)（即電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)），變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一場(chǎng)。這就是電磁場(chǎng)。變化的電磁場(chǎng)在空間中的傳播形成電磁波。電磁波的變化就像微風(fēng)吹在水面上產(chǎn)生的水波，所以稱為電磁波，也常稱為電波。

　　3.電波是電磁波嗎？

　　這是正確的。電波也稱為電磁波。電磁波是電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的一種形式。電和磁可以說是同一個(gè)身體的兩側(cè)，波動(dòng)的電會(huì)產(chǎn)生磁，波動(dòng)的磁會(huì)產(chǎn)生電。變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)形成一個(gè)不可分割的統(tǒng)一場(chǎng)。這就是電磁場(chǎng)。變化的電磁場(chǎng)在空間中的傳播形成電磁波。電磁波的變化就像微風(fēng)吹在水面上產(chǎn)生的水波，所以稱為電磁波，也常稱為電波。

　　編輯：黃飛