為什么射頻（RF）如此重要？

大家好，這里是【射頻學(xué)堂】。

今天我們接著來聊一個(gè)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(gè)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(shí)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(gè)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(shí)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(huì)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(shí)，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(huì)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(huì)產(chǎn)生電磁波，如下圖所示。

從這個(gè)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(gè)獨(dú)特的實(shí)體，即電磁波。一旦產(chǎn)生，這個(gè)波就會(huì)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(huì)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(gè)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(shí)間變化的電流和電壓都會(huì)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(gè)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(gè)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(gè)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(huì)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。

參考文獻(xiàn)：

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