到底什麼是電磁波??

語言: CN / TW / HK

① 射頻從這裡出發——麥克斯韋方程組!

② 如何從麥克斯韋方程推匯出電磁波?

大家好,這裡是【射頻學堂】今天我們繼續射頻入門的學習。

在前面的學習中,我們複習了麥克斯韋方程組的相關內容:高斯電場定律,高斯磁場定律,安培環路定理和法拉第電磁感應定律。電磁波從麥克斯韋的奇妙構思中這裡來到人類的世界,在赫茲的實驗中證實並走入千家萬戶。但實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建我們現在的無線世界。

對於現代的我們,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與磁場在空間中以波動的形式傳播的電磁場,其傳播方向垂直於電場與磁場構成的平面。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,電場和磁場兩位親兄弟彼此垂直,不需要藉助任何載體,以光速傳播。真空是它的最佳活動場所,遇金屬則反射,遇介質則衰減,即使空氣也會受到影響。電磁波作為最佳的訊號載體,既可以在空間不受限制地傳播,也可以在導波系統中按照既定的路線前進。堪稱完美的電磁波,值得讓我們每一個射頻人為之奮鬥。

接下來我們通過電磁波的幾個主要特徵,一起來重新認識一下它。

① 電磁波的頻譜

當我們談到這個電磁波,首先要知道它的頻率,頻率,波長和波速是三個互相關聯的量,滿足下面的等式關係:波長等於波速除以頻率。在開放空間中,波速就是光速,一般我們以300,000,000 m/s 來計算,更精確的數值是299,792,500 m/s. 但是當電磁波在介質中傳播時,這個速度會受介質體的影響而改變,波速等於光速除以介質體的相對介電常數這個相對介電常數 Er 恆大於1,所以在介質體中的波速會小於光速,對應的波長也會變小,介質體對波速和波長的影響在設計中一定要注意到。

所以呢,鑑於波長λ和頻率 f 的對應關係,電磁波根據波長和頻率有兩種對應的分類方法。比如按照波長劃分:長波,中波,短波,超短波,米波,分米波,釐米波,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,對應的波長是1米到0.1毫米的範圍。而射頻呢,Radio Frequency,指我們人類目前應用的用來做訊號發射接收的電磁波頻譜,IEEE給的定義的的是3kHz到300GHz。有的更定義為整個甚低頻到超級高頻都是射頻頻段。我覺得,隨著技術的發展,肯定有越來越多的電磁波頻譜資源被我們射頻人所用。到時候,RF的規模還會擴大。

② 電磁波的功率

通過之前的學習,我們知道電磁波其實是一種電磁能的波動形式,傳遞的是電磁能,而這個電磁能的大小就是功率。這裡有一個標註的功率定義:我們把單位時間內通過與波傳播方向垂直的單位面積的電磁場能量叫做 電磁能量密度 。而這個電磁能量密度有一個專有名詞 坡印廷向量S,這個坡印廷向量更是把電磁波中的電場和磁場兩兄弟的關係結合的更加緊密。 S=E x H ,坡印廷向量的方向就是電磁波的傳播方向,與電場E和磁場H呈右手螺旋關係。

當然對於不同的用途,電磁波的功率也不同,比如在我們常用的行動通訊領域,基站的發射功率通常為10W~80W 不等,手機的發射功率則通常為 1mW到2W。那麼調頻廣播的發射功率則會高達20kW(猶記當年抱著20KW的大腔體取暖的艱苦歲月)。當然,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燬敵方的電子裝置。

③ 電磁波的極化

極化是電磁波的一個重要特徵,電磁波的極化是指電磁波的最大電場方向的運動軌跡。根據電場最大方向運動軌跡的不同,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係又分為垂直極化波和水平極化波;圓極化波按照電場最大值旋轉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,當橢圓的軸比為1時就是圓極化波,而當橢圓的軸比為無窮大時就是線極化波。

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於各種無線應用,例如衛星通訊,通常用圓極化波而行動通訊通常用到±45 °的線極化波。電磁波的極化不僅對傳送和接收天線至關重要,而且對訊號傳輸也很重要。

④ 電磁波應用

電磁波目前已經被應用於現代生活的方方面面,我們比較熟悉的無線通訊,wifi ,藍芽,GPS,雷達等都是電磁波應用最為普及的案例。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。

電磁波的成功應用離不開射頻人的工作。無論處在哪一個行業,我們射頻人的目標就是讓電磁波能夠更好地為人類服務。所以,射頻人不用懼怕失業,只要電磁波還在,電磁波應該會一直在。

這是我們射頻帶學的第③課,依然作為我們射頻入門課程的公開課。希望通過這節課程的學習,大家對電磁波有個更深的認識,也能更自豪於自己的工作。

電磁波常見問題

1. 電磁波包含什麼?

根據波長的長短和波源的不同,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?

電磁波是電磁場運動的一種形式。電和磁可以說是一個身體的兩個方面。變化的電場會產生磁場(即電流會產生磁場),變化的磁場會產生電場。變化的電場和變化的磁場形成一個不可分割的統一場。這就是電磁場。變化的電磁場在空間中的傳播形成電磁波。電磁波的變化就像微風吹在水面上產生的水波,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。電磁波是電磁場運動的一種形式。電和磁可以說是同一個身體的兩側,波動的電會產生磁,波動的磁會產生電。變化的電場和變化的磁場形成一個不可分割的統一場。這就是電磁場。變化的電磁場在空間中的傳播形成電磁波。電磁波的變化就像微風吹在水面上產生的水波,所以稱為電磁波,也常稱為電波。

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