无线电波是电磁波(E/M Wave)的一种形式存在。这与光、紫外线、红外线等辐射形式相同,仅在辐射的波长或频率上有所不同。
电磁波是现代生活的关键。它们被广泛使用,如果我们不能使用它们,现代生活将完全不同。没有它们,调制解调器通信系统、雷达和许多其他东西都将无法成为可能。
电磁辐射可以穿过多种形式的介质。空气和自由空间是理想的介质。然而,像金属这样的导电介质会形成一个屏障,它们不会穿过。还有一些介质可以通过它们传播,但会导致电磁辐射衰减。
如今,电磁波的应用范围极为广泛。它们被广泛应用于无线电通信和广播等应用,其中无线电信号用于将数据从发射位置传输到另一个发射位置。电磁波用于从传统广播和无线电通信到最新的移动通信、短距离 5G 毫米波、高数据速率链路以及 Wi-Fi 无线局域网等等。电磁波的另一个应用是导航。从旧的双曲线系统到现代卫星导航,使用了许多不同的技术和系统。这些都使用电磁波。电磁波用于检测和监测。雷达就是一个极好的例子。雷达用于从航空和海事用途的传统雷达屏幕上的位置监测,到多普勒雷达的速度监测,以及用于探测地下物质的地球物理雷达等其他应用。
电磁波有两种分量,电磁辐射由不可分割的电场和磁场组成。场的传播面彼此成直角,并且与波的传播方向也成直角。理解电磁波是什么的方法是将它们视为电场和磁场的同步振荡——换句话说,这是一种电场和磁场互相激励产生的混合场。
电磁波概念图
看到电磁波的不同元素从何处发出是十分有用的,可以更完整地理解电磁波。
波的电场成分是由天线元件被交流电波形激发时产生的电压变化导致的。电场中的力线沿着与天线相同的轴线延伸,但随着远离天线而展开。这个电场是以单位距离内的电势变化来衡量的,常用单位是每米的伏特,这就是所谓的场强。这个度量通常用于在特定点测量电磁波的强度。
另一个组成部分,即磁场,与电场垂直,因此它与天线的平面垂直。它是由天线中的电流流动产生的。
像其他形式的电磁波一样,无线电信号可以被反射、折射和衍射。事实上,一些最早的无线电波实验证明了这些事实,并且它们被用来建立无线电波和光线之间的联系。
电磁波和其他类型的波有许多基本性质是相似的。类比机械波,频率、波长和速度是任何种类电磁波的三个关键参数,而这三个关键参数之间又存在着关联,即
λ=c/f
无线电波的传播速度与光速相同。对于大多数使用目的,速度记为每秒 300 000 000 米,尽管更准确的值是每秒 299 792 500 米。尽管看上去速度非常快,但电磁波仍然需要时间来传播从出发地到到达地。
使用现代无线电技术,需要考虑信号在一定距离内传播的时间。例如,雷达利用信号需要一定时间才能传播的事实来确定目标的距离。其他应用(如移动电话)也需要考虑信号传播所需的时间,以确保系统中的关键时间不会中断,并且信号不会重叠。
这是一个给定周期上某一点与下一个周期上相同点之间的距离,如图所示。选择最容易的点通常是峰值,因为这些通常最容易定位。
波长在无线电或无线电早期用于确定无线电收音机上信号位置。虽然今天不再用于此目的,但它仍然是任何无线电信号或任何电磁波的重要特征。
无线电波的波长决定了电子电路设计和射频设计的许多方面。从无线电天线的大小到印刷电路板上允许的距离,无所不包。
电磁波的频率,特别是无线电信号的频率,决定了其在无线电频谱中的位置。它可以在无线电接收器的刻度上看到,以及很多其他电子设备上。信号的频率是波上的一个特定点在给定时间内(通常是一秒钟)上下移动的次数。频率的单位是赫兹,等于每秒一个周期。
这个单位是以发现无线电波的德国科学家的名字命名的。在无线电中使用的频率通常非常高。因此,经常看到诸如k、M和G之类的前缀。1kHz等于1000Hz,1MHz等于一百万赫兹,1 GHz等于十亿赫兹,即1000 MHz。最初,频率单位没有被赋予名称,而是使用每秒周期(c/s)。一些较旧的书籍可能会显示这些单位及其前缀:kc/s;Mc/s等,用于较高频率。