什么是电磁波？电磁波常见问题

　　① 射频从这里出发——麦克斯韦方程组！

　　② 如何从麦克斯韦方程推导出电磁波？

　　大家好，这里是【射频学堂】今天我们继续射频入门的学习。 在前面的学习中，我们复习了麦克斯韦方程组的相关内容：高斯电场定律，高斯磁场定律，安培环路定理和法拉第电磁感应定律。电磁波从麦克斯韦的奇妙构思中这里来到人类的世界，在赫兹的实验中证实并走入千家万户。但实际中电磁波一直就存在——以光的形式让人看见，以热的形式让人感受，以无形无色无味的形式构建我们现在的无线世界。 对于现代的我们，可以明确给出电磁波的定义：电磁波（Electromagnetic wave）是由方向相同且互相垂直的电场与磁场在空间中以波动的形式传播的电磁场，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。

　　

　　通过上面定义，我们知道电磁波是一种电磁能，电场和磁场两位亲兄弟彼此垂直，不需要借助任何载体，以光速传播。真空是它的最佳活动场所，遇金属则反射，遇介质则衰减，即使空气也会受到影响。电磁波作为最佳的信号载体，既可以在空间不受限制地传播，也可以在导波系统中按照既定的路线前进。堪称完美的电磁波，值得让我们每一个射频人为之奋斗。

　　接下来我们通过电磁波的几个主要特征，一起来重新认识一下它。

　　① 电磁波的频谱

　　

　　当我们谈到这个电磁波，首先要知道它的频率，频率，波长和波速是三个互相关联的量，满足下面的等式关系：波长等于波速除以频率。在开放空间中，波速就是光速，一般我们以300，000，000 m/s 来计算，更精确的数值是299，792，500 m/s. 但是当电磁波在介质中传播时，这个速度会受介质体的影响而改变，波速等于光速除以介质体的相对介电常数这个相对介电常数 Er 恒大于1，所以在介质体中的波速会小于光速，对应的波长也会变小，介质体对波速和波长的影响在设计中一定要注意到。

　　

　　所以呢，鉴于波长λ和频率 f 的对应关系，电磁波根据波长和频率有两种对应的分类方法。比如按照波长划分：长波，中波，短波，超短波，米波，分米波，厘米波，毫米波，亚毫米波等，按照频率划分有甚低频，低频，中频，高频，甚高频，特高频，超高频，极高频，超极高频等。而我们所说的微波通常是指频率在300MHz到3000GHz的电磁波，对应的波长是1米到0.1毫米的范围。而射频呢，Radio Frequency，指我们人类目前应用的用来做信号发射接收的电磁波频谱，IEEE给的定义的的是3kHz到300GHz。有的更定义为整个甚低频到超级高频都是射频频段。我觉得，随着技术的发展，肯定有越来越多的电磁波频谱资源被我们射频人所用。到时候，RF的规模还会扩大。

　　

　　② 电磁波的功率

　　通过之前的学习，我们知道电磁波其实是一种电磁能的波动形式，传递的是电磁能，而这个电磁能的大小就是功率。这里有一个标注的功率定义：我们把单位时间内通过与波传播方向垂直的单位面积的电磁场能量叫做电磁能量密度。而这个电磁能量密度有一个专有名词坡印廷矢量S，这个坡印廷矢量更是把电磁波中的电场和磁场两兄弟的关系结合的更加紧密。 S=E x H，坡印廷矢量的方向就是电磁波的传播方向，与电场E和磁场H呈右手螺旋关系。

　　

　　当然对于不同的用途，电磁波的功率也不同，比如在我们常用的移动通信领域，基站的发射功率通常为10W~80W 不等，手机的发射功率则通常为 1mW到2W。那么调频广播的发射功率则会高达20kW（犹记当年抱着20KW的大腔体取暖的艰苦岁月）。当然，在军事上的微波武器中，功率则更为重要，利用微波武器瞬间烧毁敌方的电子设备。 ③ 电磁波的极化 极化是电磁波的一个重要特征，电磁波的极化是指电磁波的最大电场方向的运动轨迹。根据电场最大方向运动轨迹的不同，电磁波可以分为线极化波和圆极化波，线极化波与水平面的关系又分为垂直极化波和水平极化波；圆极化波按照电场最大值旋转的方向又分为左旋圆极化波和右旋圆极化波。这两种波都是电磁波的极化的特殊情况，最为一般的是椭圆极化波，当椭圆的轴比为1时就是圆极化波，而当椭圆的轴比为无穷大时就是线极化波。

　　

　　电磁波的传播很大程度上受电磁波极化的影响。不同极化模式的电磁波可用于各种无线应用，例如卫星通信，通常用圆极化波而移动通信通常用到±45 °的线极化波。电磁波的极化不仅对发送和接收天线至关重要，而且对信号传输也很重要。

　　

　　④ 电磁波应用 电磁波目前已经被应用于现代生活的方方面面，我们比较熟悉的无线通信，wifi ，蓝牙，GPS，雷达等都是电磁波应用最为普及的案例。还有生活中离不开的微波炉，甚至可以让你变得更漂亮的射频美容；为人们治病检查的B超就用到了电磁波中的X-Ray，更有治疗肿瘤的γ射线。 电磁波的成功应用离不开射频人的工作。无论处在哪一个行业，我们射频人的目标就是让电磁波能够更好地为人类服务。所以，射频人不用惧怕失业，只要电磁波还在，电磁波应该会一直在。

　　

　　这是我们射频带学的第③课，依然作为我们射频入门课程的公开课。希望通过这节课程的学习，大家对电磁波有个更深的认识，也能更自豪于自己的工作。

　　电磁波常见问题

　　1. 电磁波包含什么？

　　根据波长的长短和波源的不同，电磁波谱大致可分为：

　　（1）无线电波（2）微波（3）红外线（4）可见光（5）紫外线（6）伦琴射线（7）伽马射线

　　2. 电磁波是如何形成的？

　　电磁波是电磁场运动的一种形式。电和磁可以说是一个身体的两个方面。变化的电场会产生磁场（即电流会产生磁场），变化的磁场会产生电场。变化的电场和变化的磁场形成一个不可分割的统一场。这就是电磁场。变化的电磁场在空间中的传播形成电磁波。电磁波的变化就像微风吹在水面上产生的水波，所以称为电磁波，也常称为电波。

　　3.电波是电磁波吗？

　　这是正确的。电波也称为电磁波。电磁波是电磁场运动的一种形式。电和磁可以说是同一个身体的两侧，波动的电会产生磁，波动的磁会产生电。变化的电场和变化的磁场形成一个不可分割的统一场。这就是电磁场。变化的电磁场在空间中的传播形成电磁波。电磁波的变化就像微风吹在水面上产生的水波，所以称为电磁波，也常称为电波。

　　编辑：黄飞