为什么射频(RF)如此重要?

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本文来自射频课堂,RF小木匠

今天我们接着来聊一个老生常谈的话题——什么是射频?为什么离不开射频?

 

我们在之前的文章中多次不厌其烦的阐述一个话题——麦克斯韦和电磁波。无论是转发优秀的文章《最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(微分篇)》《最美的公式:你也能懂的麦克斯韦方程组(积分篇)》《见证奇迹的时刻:如何从麦克斯韦方程组推出电磁波?》。还是RF小木匠自己总结麦克斯韦方程组的意义——《麦克斯韦方程组竟然这么简单?!》。我们无外乎想证明电磁波发现的重大意义。其实这个意义不言而喻,我们现代生活的方方面面都离不开电磁波——手机,wifi,智能家居,汽车等等,都有电磁波的应用。但是,当我们《重走电磁之路——发现电磁波》,我们发现,其实就是因为人们的不满足,才带来了今天的无线时代。

 

电力的发明促发了第二次工业革命,一想到电,我们首先会想到各种各样的电线,从高压传输线,到电路板上细小的线,电线都是电力从一处传到另一处的基本方法。但是人们并不满足于电的应用。就像特斯拉的电磁充电,让电力能够通过无线传播,就像赫兹的电磁波实验以及后来马可尼的跨大西洋通信。人们都渴望能够从有线中解放出来,随时,随地的交流——万物互联。而射频RF就是万物互联的基本方式。

 

而射频的本质是电磁辐射EMR,而电磁辐射涉及到电场和磁场,实际上,如果有电压,那么就有电场(从数学上来说,电压与电场的空间变化率呈正比),如果有电流,那么就有磁场(磁场强度与电流大小成正比)。也就是说,只要存在电压和电流,那么就存在电场和磁场,那么存在电场和磁场就一定会产生电磁辐射吗?一定能产生电磁波吗?No,根据麦克斯韦方程组我们知道,只有变化的电场和磁场才会产生电磁波,如下图所示。

 

电场原理

 

从这个意义上来说,我们需要变化的电压和电流。这种传播现象的关键是电磁辐射的电磁分量之间的自我维持关系。变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场。这种相互再生表现为一个独特的实体,即电磁波。一旦产生,这个波就会从它的源头向外传播,日复一日地以光速朝着未知的深处前进。

 

电磁辐射

 

电磁辐射,其实很简单,就像上文所述,只要有变化的电场和磁场就能产生电磁波。在电路中,任何变化的电流/电压都会产生电磁辐射,即使是数字信号也不例外。大多数情况下,这些电磁辐射只是产生噪声,如果对通信系统没有干扰的话,我们完全可以忽略它。但是一旦对通信系统有干扰,就成了电磁干扰EMI,我们就需要想方设法的去滤除它。我们看到,RF 设计不仅仅是产生 EMR;相反,RF 设计是生成、操纵和解释 EMR 的艺术和科学,它允许您在没有直接电气连接的两个电路之间可靠地传输有意义的信息。

 

从一定程度上来说,任何无线系统的设计,都是在想方设法的去产生电磁辐射,并且控制有用的电磁辐射,这段有用的电磁辐射,就构成了无线wireless的基础,也是我们射频研究和设计的对象。

 

从这方面来说的话,电磁辐射是有线电路中应用的电信好的无线延伸。无论我们是否愿意,随时间变化的电流和电压都会产生电磁辐射EMR,该 EMR 是原始信号交流分量的精确表示。如下图所示

 

电磁辐射的变化

这个可控制的电磁辐射,反应极其灵敏,功能也极其强大,即使是最先进的无线系统中使用的复杂高频波形,传输的 RF 信号也可以忠实地再现。而且这个电磁波的传播速度极快,以光速在传播。换一种信号载体,这个传播速度恐怕要大打折扣。

 

除了传播速度快之外,电磁辐射的传播距离也相当可观。对无线通信的追求与对远距离通信的追求息息相关;如果发射器和接收器距离很近,则使用电线通常更简单且更具成本效益。尽管根据平方反比定律,RF 信号的强度会降低,但 EMR 与调制技术和复杂的接收器电路相结合,仍然具有显着的长距离传输可用信号的能力。

 

更奇妙之处在于,射频频段的电磁波的传播还可以穿透墙壁,塑料介质等日常生活所用到的一些东西,不像光一样,只能视距传播。其应用也有了很大的灵活性。并且,有些低频电磁辐射,几乎无处不在。

 

有没有什么其他的信号载体能替代射频呢?

 

量子通信?光通信?还是其他什么新的通信技术?

 

参考文献:

1,Practical Guide to Radio-Frequency Analysis and Design, www.allaboutcircuits.com

 

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