全面拆解和构建5G物联网-13：无线电磁波概述以及核心概念的澄清（速度、频率、周期、波长、幅度、功率、相位、干涉）

目录：

1. 电磁波概述

2. 电磁波应用

3. 电磁波参数：速度、频率、周期、波长、幅度、功率、相位

4. 电磁波的特性：干涉、衍射、衰减

一. 电磁场与无线电磁波概述

在电磁学里，电磁场（electromagnetic field）是一种由带电物体产生的一种物理场。

电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。

随时间变化的电场产生磁场，随时间变化的磁场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。

电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光 速向四周传播，形成电磁波。

电磁场是电磁作用的媒介，具有能量和动量，是物质的一种存在形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。

电磁波是电磁场的一种运动形态。

电磁波是由同向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。

所波粒二象性（wave-particle duality）指的是所有的粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可以部分地用波的术语来描述。也就是说电磁波某些场合下，表现出单个“粒子”的特性，而某些场合，表现出“波”的特性。

光就是一种特定波长的电磁波，在某些场合像波，称为光波，有时候像粒子，称为光子。微观是有粒子组成，宏观上表象出波的特性。

在波的特性方面：

电磁波是由同相振荡频率和幅度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。

也就是说以电场和磁场的形式，一边上下以波的形式震动、一边左右以波的形式震动、一边波的向前传播。

在上下左右的震荡过程中，不断的向前传播，这就是电磁波。

变化的电场（上下震动）产生变化的磁场（上下震动），变化的磁场（上下震动）产生变化的电场（上下震动），就在这样交替变化的过程中，电磁波就前传播。

二. 电磁波是无线通信的基础

三. 描述单个电磁波的主要参数：

虽然，电场和磁场是交替变化的，但磁场和磁场的震荡频率和传播速度和震荡幅度是一样的。

因此电磁波可以简化为单一的正弦波。简化的图形表示如下：

电磁波关键的参数有：

1. 速度：电磁波在真空中速率固定，速度为光速。真空光速定义值：c0=299792458m/s。（一般取300000km/s）。

光波本身就是一种特定频率的电磁波。不同频率的电磁波以相同的速度向前传播。

 

2. 频率与周期、波长（步长）
波长：（wavelength）是指波在一个振动周期内传播的距离。因此波长是一个长度单位，用λ表示。

由于在某一个传播介质中，传播的速度是固定的。波长反应了电磁波的单周期的步长或空间跨度。

频率：频率是单位时间（如1s）内完成周期性变化的次数。也就是单位时间（如1s）内传播了完整的正弦波的个数。常用f表示。

周期：传播一个完成的正弦波需要多长时间，常用T表示。

很显然，频率和周期之间正好是倒数关系：频率越高，单位时间（如1秒）传播的正弦波的个数就越多。

距离=速度*时间

波长λ=波速v*周期T = 波速/频率f

因此频率（数量单位）越过，周期越小（时间单位），波长越小（距离单位）。

下图展现了上述三个参数的关系：

不同频率电子波的比较：

在上图中：

f1=0.5Hz, 在单位时间1s中内只能传播0.5个完整的波形，10s中内，传播5个完整的波形

f2=1Hz,   在单位1s中内只能传播1个完整的波形，10s中内，传播10个完整的波形

f2=2Hz,   在单位1s中内只能传播2个完整的波形，10s中内，传播20个完整的波形

结论：

频率越高，单位时间内传播的单个完整的正弦波（电磁波）的个数就越多。

无线通信传输数字信号，是以完整的波形来表示的，因此频率越高，可以携带的数据量就越大。

 

在上图中：

f1=0.5Hz, 传播1个完整的波形需要2s

f2=1Hz,   传播一个完整的波形需要1s

f2=2Hz,   传播一个完整的波形需要0.5s

结论：

频率越高，传播一个完整波形的时间越短，而时间越短，对硬件电路处理的要求实时性要求越高。

因此越高，硬件电路处理的要求实时性要求越高。

 

正弦曲线的数学表示：y=Asin(ωx+φ)

A——振幅，当物体作轨迹符合正弦曲线的直线往复运动时，其值为行程的1/2。

(ωx+φ)——相位，反映变量y所处的状态。

φ——初相，x=0时的相位；反映在坐标系上则为图像的左右移动。

ω——角速度， 控制正弦周期(单位弧度内震动的次数)。

f=ω/2π

 

3. 幅度和功率

幅度：在一个完整正弦波的周期内，信号（电场或磁场）瞬时出现的最大绝对值，称为幅值，也叫最大值、振幅、峰值。

功率：是指单位时间内电磁波辐射的能量。

电磁波是能量的一种电磁波，身带有能量， 凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是「电磁辐射藉由辐射现象传递能量」的原理一样。电磁波的能量是电场能量和磁场能量的总和。

电磁波的能量用功率表示，与电磁波振幅的平方成正比。也就是振幅越大，能量越高，振幅越小，能量越小。振幅接近0的电磁波，其能量也接近0.

 

相位与相位差：

在上图中，假设红色的图形为参考信号，是典型的正弦波信号y0=sin(x);

图1的对比信号：y1=sin(x)

所以y1与y0为同向，相位差为0度

 

图2的对比信号：y2=sin(x+180）

所以y2与y0是反向，相位差为180度

 

图2的对比信号：y3=sin(x+90度）

所以y2与y0是正交，相位差为90度。

 

相位差：

 

相位差又称“相角差”、“相差”、“周相差”或“位相差”。两个作周期变化的物理量的相之间的差值。它为正值时称前者超前于后者，为负值时则滞后于后者。它为零或π的偶数倍时，两物理量同相;为π的奇数倍时则称反相。

四. 电磁波的特性：

1. 干涉

电磁波干涉是指两列或两列以上的电磁波在空间中重叠时发生叠加，从而形成新波形的现象。

两列波在同一介质中传播发生重叠时，重叠范围内介质的质点同时受到两个波的作用 [。

若波的振幅不大，此时重叠范围内介质质点的振动位移等于各别波动所造成位移的矢量和，这称为波的叠加原理。

若两波的波峰（或波谷）同时抵达同一地点，称两波在该点同相，干涉波会产生最大的振幅，称为相长干涉（建设性干涉）

图1：是两个同向同频的电磁波的叠加：//A1=A2时，电磁波幅度相等时

f0 = A1*sin(x) + A1*sin(x) =(A1+A2)sin(x) = 2A sin(x)  //A1=A2时

叠加后的f0，叠加后，频率不变，相位不变，幅度叠加，叠加后的幅度是原先幅度相加A1+A2.

 

若两波之一的波峰与另一波的波谷同时抵达同一地点，称两波在该点反相，干涉波会产生最小的振幅，称为相消干涉（摧毁性干涉）。

图2：是两个反向同频的电磁波的叠加：//A1=A2时，电磁波幅度相等时

f0 = A1*sin(x) + A2*sin(x+180) =(A1-A2)sin(x) = 0*sin(x) = 0； //A1=A2时。

叠加后，虽然频率相位保存不变，但幅度为0，实际上是两个相反的电磁波相互抵消了。

 

其他情形：

f0 = A1*sin(x) + A2*sin(x+θ)  = A(sin(x) + sin(x+θ))  //θ=[0, 360)

上述情况，将导致叠加后的正弦波变形，这就是同频电磁波的干扰。

上述的干涉干扰，仅仅限于同频率的电磁波，不同频率的电磁波之间不存在干扰。

 

2. 电磁波的衍射

电磁波衍射指电磁波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。任何波都具有衍射的固有性质。然而，不同情况中波发生衍射的程度有所不同。

如果障碍物具有多个密集分布的孔隙，就会造成较为复杂的衍射强度分布图样。

这是因为波的不同部分以不同的路径传播到观察者的位置，发生波叠加而形成的现象。

衍射，又称绕射，是指波遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象

3. 无线电磁波的衰减

无线电磁波从天线发送出来，向各个方向发散，并每隔点的能量是种能量的一部分。

因为如果无线电波功率是从一个理想的、向四面八方均匀发射的点状天线发射出来，在离开点状天线的距离是d的位置接收到的功率是：P(接收)=P(发射)/(4πd^2)。而在这个位置接收到的无线能量为：E(接收)= P(接收)*有效接收面积。

球体表面积的计算公式为S=4πr²=πD²，随着电磁波的传输距离里发送点处的距离的增大，传播点处圆的表面越来越大，那么传播点处的功率就越来越小，功率与距离的频平方成反比。

这就是电磁波的发送功率越大，电磁波传播的距离越远，发送功率越小，电磁波传播的距离越小。

电磁波这种量能的衰减，一方面是电磁波需要向各个方向发散，能量也逐渐向各个方向发散，自然单个方向的能量会越来越小。

另一方面，空气并非是真空，空气中物质，也会吸收到一部分电磁波的能量。

 

后记：

电磁波是无线通信的物理载体，没有电磁波，就没有LoRa、5G、WiFi等无线通信。

通过无线电磁波，可以传送数据或者说信息。

发送方把需要发送的数字信号编码成特定的完整无线电磁波的波形，这个过程调制，让后把调制后的电磁波发送出去。

接收方接收无线电磁波，并把特定波形的电磁波还原成特定的数字信号，这个过程称为解调。

后续进一步拆解这个过程。

 

参考：

电磁波看不见摸不着，这个年轻人的奇思妙想改变了世界：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1608783152107830498&wfr=spider&for=pc