5G懒人课程——从入门到精通

dailman

​1831年，法拉第通过实验发现了电和磁之间存在关系，1865年，麦克斯韦给出了电场和磁场能够相互转换的完整理论证明。麦克斯韦告诉我们，变化的电场能激发出磁场，而变化的磁场又会激发出来变化的电场，电场和磁场相互激励就能产生电磁波。顺着这条线索，物理学家赫兹经过试验发现，只要变化的电流通过线圈就能产生电磁波，而如果想把电磁波发射出去，只需要把这些带有变化电流的线圈对准一个方向，电磁波就会朝着这个特定的方向发射出去了，至此，人造可控电磁波正式进入人类历史。

为了纪念赫兹发现电磁波的巨大贡献，电磁波的频率单位就以赫兹（Hz）来命名了。

纪念赫兹的邮票

电磁波的定义

电磁波是由同相位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。由同向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。

从上面定义我们提取几个关键信息点来认识电磁波。

电场与磁场：

电磁波包括电场和磁场，电场和磁场是相互振荡相互激励的，简单示例如下图：

波粒二象性：

波粒二象性指的是同时具备波动性和粒子性，电磁波的波动性和粒子性可以类比去看那些飘在水里的物体，把一个皮球扔在水里，能看到这个皮球会随着波浪的起伏浮沉而且有时候还能随着水流绕开一些障碍物，当这个皮球随着波浪起伏时，可以认为皮球在发挥它的波动性，但如果这个皮球绕不过去障碍物被反弹回来了呢？可以认为皮球的粒子性在发挥作用。

电磁波电场极化：

电磁波电场强度方向和大小的变化规律可称为场强的极化方式。电磁波有三种规律的极化方式，分别是线极化，圆极化和椭圆极化。

要区分这三种极化方式也不难，只要顺着电磁波的传播方向看过去，把表示电场方向和大小的矢量末端投影在与传播方向垂直的平面上，就可以知道是什么极化了。如上面第一个图中线极化沿着z轴看过去，把电场矢量末端投影在x-y平面上，投影结果是一条直线，因此是线极化方式。而上图的第二个图形沿着z看过去，把电场矢量末端投影在x-y平面上，投影结果是一个圆，因此是圆极化。如果圆的运动方向顺时针，则是右旋极化，如果圆的运动方向是逆时针则是左旋极化。最后一个椭圆极化同理。椭圆极化电磁波是最常见的电磁波，但是通信里用的最多的是线极化电磁波，例如常说的水平极化或者垂直极化电磁波就是线极化电磁波。如下图：

通常为了在收发天线之间实现最大的功率传输，会采用极化性质相同的发射天线和接收天线，这种配置条件称为极化匹配。当然，如果想避免对某种极化波的感应，可采用极化性质与之正交的天线，如垂直极化天线与水平极化波正交；右旋圆极化天线与左旋圆极化波正交。这种配置条件称为极化隔离。通信上常用的板状天线就是用了±45°极化天线来人为制造极化隔离，从而取得收发增益或者多径效应。

现代通信中，一般采用半波振子来产生电磁波。

当交流电通过导线回路时就会产生电磁波对外辐射，对外辐射电磁波的强度跟导线的长度和形状有关。如果两根导线面对面的情况下，电场将被束缚在两根导体之间的狭小空间里，基本不对外辐射能量。如果两根导线之间的夹角逐渐增大，那么导线对外的辐射强度也会逐步加强。最后当两根导线完全张开的时候，导线对外辐射的电磁波最强，如下图所示：

电磁波辐射强度与导体位置

此外，电磁波强度跟导体的长度也有关，当导体的长度为电磁波的1/2波长时，辐射出来的电磁波最强。用二分之一波长导体作为发射振子的天线我们称之为半波振子天线，如下图所示：

半波振子原理图

今天的课程先到这里。下一节课我们将从数学角度了解电磁波的相位、幅度和频率三个要素。

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