电磁波究竟是如何传播的?一文搞懂麦克斯韦方程组

分享到:

本文来自与非网
 
在之前的文章中,我们多次讲到了 Maxwell 方程组,有从纯数学角度的阐述,也有其产生背景的介绍。那么 今天我们再次介绍一下 Maxwell 方程组。 
1
麦克斯韦方程组的出现,预言了电磁波的存在,也促使了一批批的科学家去探寻电磁波的奥秘,随着赫兹的电火花,开启了无线的大门。我们今天的无线世界由此诞生。
 
虽然站在今天的角度看来,赫兹的电磁波实验,也仅仅是一个极近距离的收发实验,完全不足为奇,当时在当时的环境下,轰动了学术界。人们不得不停下来认真思考:电磁波到底是怎么传播的?
 
我们通过观察 Maxwell 方程组的前两项,再次旋度求解可以得到电磁波的波动方程。
2
波动方程: 
3
我们今天一起来学习一下这两个方程所蕴含的哲学思想。 
4
1, 这两个方程左侧为磁场 H 或者电场 E,右边为电流 J 或者磁通量 B,这中间的等号深刻解释了电和磁是相互转化,相互依赖,相互对立的存在于电磁波中。正是因为电不断的转化为磁,磁不断地转化为电,才产生了能量的交换和储存。 
5
这恰恰对应了奥斯特和法拉第的实验发现,我们知道,奥斯特的小磁针偏转实验揭示了电流周围存在着磁场,即电产生磁。而法拉第在经历了无数次的失败之后,意外拔出了磁铁,发现了电流计指针的晃动,证实了运动的磁场产生电场。电流又何尝不是运动的电荷呢?所以可以归纳为:电流长生磁,动磁产生电场。
 
这就为电磁波的出现提供了可能。但是电磁转化一定产生电磁波吗?答案是 No。一个简单的电磁振荡回路就没有电磁波的产生。 
6
为了便于理解,可以参照摆动问题中势能和动能的转化。如下图所示: 
7
2,我们接着观察这两个方程,方程的左边是空间的运算——场的旋度。方程的右边都是时间的函数——导数。时间和空间的关系依然是等号。这就深刻解释了电磁场的时空转化,即电 / 磁场在空间的变化,会产生磁 / 电时间上的变化。反过来,电 / 磁在时间上的变化也会转化成磁 / 电场的空间变化。正是这种时空转化构成了波动的外在形式。通俗来说,就是在某时某地出现的事物,过了一段时间又在另一个地方出现了。如下图所示: 
8
3,麦克斯韦方程还给出了电磁转换的一个重要条件,即角频率 w0. 在单色波频域下,我们把麦克斯韦方程可以写成: 
9
任何形式信号的高频分量包含角频率 w0,才能确保电磁的有效转换,直流情况下,虽然直流的周围也有磁场,但没有磁场到电场的转化。也就是因为角频率 w0 的存在,才使得射频电路里面分布参数的存在,电路有可能会有辐射电磁波的存在。频率越高,电路的辐射现象就越明显。但是有意思的是,频率越高,功率越难输出。 
10
4,我们接着观察方程组的右边,可以发现,第一个方程的右边有两项  E 和 J,而第二个方程的右边只有一项——jwuH,这就构成了麦克斯韦方程组的不对称性。尽管人们一直在寻找单磁极和磁流的存在,但到目前为止一直没有寻找到。 
 
宇宙就是这么神秘,她以一种极其完美的形式展现给大家,而细微的残缺却又让人穷追不舍,孜孜不倦。
继续阅读
干货 | 射频电路4大基础特性,看完秒懂!

本文从射频界面、小的期望信号、大的干扰信号、相邻频道的干扰四个方面解读射频电路4大基础特性,并给出了在PCB设计过程中需要特别注意的重要因素。

特征阻抗、VSWR和反射系数的那点事!

在学习射频和微波的基本原理过程中,也许没有比理解特性阻抗的概念更为重要了。当我们在谈论50欧姆或75欧姆电缆时,其实我们是在说电缆的特征阻抗为50欧姆,75欧姆等等。也许您还记得,在关于特性阻抗常见的介绍里,总是成片的数学公式和各种参数,以及几句聊胜于无的文字介绍,实在令人沮丧。于是本文,我们尝试用一种更为直观的方式来做一下阐释。

GaN射频技术发展趋势

以5G为代表的Sub 6G通信射频系统非常复杂,尤其是那些需要使用高载波频率和宽频带的新技术,包括载波聚合、Massive MIMO等。为此,很多半导体公司在技术上全面开花希望利用先进的半导体工艺技术应对甚至引领新一代的通信技术需求。以ADI为例,该公司全面拥有GaN、GaAs和SiGe以及28纳米CMOS等完整工艺,努力打造更具高集成度、低功耗和低成本的整合系统解决方案。 然而,在下一步的5G系统部署以及高端测试应用和卫星及航天应用中,无疑以高带宽和大功率为优势的GaN是其中的佼佼者,正在进入许多应用

Wi-Fi三频系统的基本组成部分-5.2 GHz射频滤波器

作为工程师,我们一直在寻找针对复杂系统设计挑战的最简单解决方案。5.2 GHz Wi-Fi领域的解决方案再无其他。在此,我们将逐步指导您解决这些问题,以降低设计复杂性,同时满足那些苛刻的最终产品合规性要求。

盘点通信系统中的射频技术,让你一次就看懂!

无线通信的频谱有限,分配非常严格,相同带宽的电磁波只能使用一次,为了解决僧多粥少的难题,工程师研发出许多“调制技术”与 “多工技术”来增加频谱效率,因此才有了3G、4G、5G不同通信时代技术的发明,那么在我们的手机里,是什么元件负责替我们处理这些技术的呢?