什么是射頻？為什么離不開射頻？

今天我們接著來聊一個老生常談的話題——什么是射頻？為什么離不開射頻？

我們在之前的文章中多次不厭其煩的闡述一個話題——麥克斯韋和電磁波。無論是轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)秀的文章《最美的公式：你也能懂的麥克斯韋方程組（微分篇）》《最美的公式：你也能懂的麥克斯韋方程組（積分篇）》，《見證奇跡的時刻：如何從麥克斯韋方程組推出電磁波？》。還是RF小木匠自己總結(jié)麥克斯韋方程組的意義——《麥克斯韋方程組竟然這么簡單？！》。我們無外乎想證明電磁波發(fā)現(xiàn)的重大意義。其實(shí)這個意義不言而喻，我們現(xiàn)代生活的方方面面都離不開電磁波——手機(jī)，wifi，智能家居，汽車等等，都有電磁波的應(yīng)用。

但是，當(dāng)我們《重走電磁之路——發(fā)現(xiàn)電磁波》，我們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)就是因?yàn)槿藗兊牟粷M足，才帶來了今天的無線時代。電力的發(fā)明促發(fā)了第二次工業(yè)革命，一想到電，我們首先會想到各種各樣的電線，從高壓傳輸線，到電路板上細(xì)小的線，電線都是電力從一處傳到另一處的基本方法。但是人們并不滿足于電的應(yīng)用。就像特斯拉的電磁充電，讓電力能夠通過無線傳播，就像赫茲的電磁波實(shí)驗(yàn)以及后來馬可尼的跨大西洋通信。人們都渴望能夠從有線中解放出來，隨時，隨地的交流——萬物互聯(lián)。而射頻RF就是萬物互聯(lián)的基本方式。

而射頻的本質(zhì)是電磁輻射EMR，而電磁輻射涉及到電場和磁場，實(shí)際上，如果有電壓，那么就有電場（從數(shù)學(xué)上來說，電壓與電場的空間變化率呈正比），如果有電流，那么就有磁場（磁場強(qiáng)度與電流大小成正比）。也就是說，只要存在電壓和電流，那么就存在電場和磁場，那么存在電場和磁場就一定會產(chǎn)生電磁輻射嗎？一定能產(chǎn)生電磁波嗎？No，根據(jù)麥克斯韋方程組我們知道，只有變化的電場和磁場才會產(chǎn)生電磁波，如下圖所示。

從這個意義上來說，我們需要變化的電壓和電流。這種傳播現(xiàn)象的關(guān)鍵是電磁輻射的電磁分量之間的自我維持關(guān)系。變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場。這種相互再生表現(xiàn)為一個獨(dú)特的實(shí)體，即電磁波。一旦產(chǎn)生，這個波就會從它的源頭向外傳播，日復(fù)一日地以光速朝著未知的深處前進(jìn)。

電磁輻射，其實(shí)很簡單，就像上文所述，只要有變化的電場和磁場就能產(chǎn)生電磁波。在電路中，任何變化的電流/電壓都會產(chǎn)生電磁輻射，即使是數(shù)字信號也不例外。大多數(shù)情況下，這些電磁輻射只是產(chǎn)生噪聲，如果對通信系統(tǒng)沒有干擾的話，我們完全可以忽略它。但是一旦對通信系統(tǒng)有干擾，就成了電磁干擾EMI，我們就需要想方設(shè)法的去濾除它。

我們看到，RF 設(shè)計(jì)不僅僅是產(chǎn)生 EMR；相反，RF 設(shè)計(jì)是生成、操縱和解釋 EMR 的藝術(shù)和科學(xué)，它允許您在沒有直接電氣連接的兩個電路之間可靠地傳輸有意義的信息。

從一定程度上來說，任何無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，都是在想方設(shè)法的去產(chǎn)生電磁輻射，并且控制有用的電磁輻射，這段有用的電磁輻射，就構(gòu)成了無線wireless的基礎(chǔ)，也是我們射頻研究和設(shè)計(jì)的對象。從這方面來說的話，電磁輻射是有線電路中應(yīng)用的電信好的無線延伸。無論我們是否愿意，隨時間變化的電流和電壓都會產(chǎn)生電磁輻射EMR，該 EMR 是原始信號交流分量的精確表示。如下圖所示

這個可控制的電磁輻射，反應(yīng)極其靈敏，功能也極其強(qiáng)大，即使是最先進(jìn)的無線系統(tǒng)中使用的復(fù)雜高頻波形，傳輸?shù)?RF 信號也可以忠實(shí)地再現(xiàn)。而且這個電磁波的傳播速度極快，以光速在傳播。換一種信號載體，這個傳播速度恐怕要大打折扣。除了傳播速度快之外，電磁輻射的傳播距離也相當(dāng)可觀。

對無線通信的追求與對遠(yuǎn)距離通信的追求息息相關(guān)；如果發(fā)射器和接收器距離很近，則使用電線通常更簡單且更具成本效益。盡管根據(jù)平方反比定律，RF 信號的強(qiáng)度會降低，但 EMR 與調(diào)制技術(shù)和復(fù)雜的接收器電路相結(jié)合，仍然具有顯著的長距離傳輸可用信號的能力。

更奇妙之處在于，射頻頻段的電磁波的傳播還可以穿透墻壁，塑料介質(zhì)等日常生活所用到的一些東西，不像光一樣，只能視距傳播。其應(yīng)用也有了很大的靈活性。并且，有些低頻電磁輻射，幾乎無處不在。 有沒有什么其他的信號載體能替代射頻呢？ 量子通信？光通信？還是其他什么新的通信技術(shù)？