射频系统入门：信息和能量

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引言：一场跨越空间的二重奏

通信的根本挑战，千百年来从未改变：如何将信息从一个点，有效传递到另一个点。

但这背后隐藏着一个更深的物理现实：信息本身是抽象的，要让它旅行，就必须将其“附着”在一个物理载体上；而驱动这个载体跨越空间，则必须消耗能量。

在古代，一封信（信息载体）的传递，依靠的是马匹或信鸽消耗的生物代谢能。信息与能量，被捆绑在同一个物理实体上。现代的有线网络，如办公室的局域网，原理也异曲同工：信息被编码成电脉冲，而驱动这些脉冲的能量则由电网供给，两者都被牢牢地约束在实体线缆之中。

然而，当物理的连接不复存在时——对于天空中的飞行员、口袋里的智能手机、或是荒野中的探险家——挑战便升级为一场关于信息与能量的二重奏：

1. 信息的挑战： 我们该如何将复杂的信息（语音、图像、数据）打包，赋予它一种能够在开放空间中自由穿行的形态？
2. 能量的挑战： 我们又该如何为这个“信息包裹”注入足够强大的能量，让它能够克服距离、障碍和干扰，精准地抵达目的地？

这便是无线通信的本质。而物理学为我们提供的完美答案，就是电磁波。

电磁波，是物理世界的一项杰作。它既是承载信息的精妙载体，又是投射能量的有力炮弹。

这双重属性，定义了整个射频工程领域，也是我们这趟探索之旅的核心主题。在这篇博客中，我们将一同探寻这两个根本问题的答案：

• 关于信息： 我们如何巧妙地操控电磁波的属性——它的幅度、频率和相位——来“雕刻”出我们想传递的消息？这将带领我们进入调制与带宽的世界。
• 关于能量： 我们如何从电池或插座中获取原始的电能，将其转换为高频信号，并用千百倍的力量将其放大，最终成功地发射到空中？这将带领我们深入功率放大器、效率与阻抗匹配的核心。

那么，就让我们从这个神奇的“信使”——电磁波本身开始，去揭示它如何同时服务于信息与能量这两位“主人”的吧。

电磁波

基本概念

根据经典的电磁学理论，电磁波是由同相振荡且相互垂直的电场和磁场在空间中以波的形式传播的能量和动量。变化的电场会激发出磁场，而变化的磁场又会反过来产生电场。这个过程如同一个永动机，电场和磁场相互激励、交替产生，形成一个自我传播的整体。这个电磁场组合以光速向外传播，并且其传播方向同时垂直于电场和磁场的振动方向。 在著名的麦克斯韦方程组中，电磁波本质上就是一个随时间震荡的电场和磁场的解：

\[E(t)\sim\sin(\omega t), B(t)\sim\sin(\omega t)\] 要发射和接收电磁波，我们需要一个关键器件——天线。天线是无线通信系统不可或缺的组成部分，它负责将电信号转换成电磁波辐射出去，或者将空间中的电磁波捕获并转换回电信号。

最简单也最基础的天线形式之一是偶极子天线 (Dipole antenna)。它通常由两根对称放置的导体制成。

• 发射过程：当我们将一个高频交流电压施加到偶极子天线的两个导体臂上时，导体上的电子会随着电压的交替变化而来回振荡。 这种电子的加速运动会在天线周围产生一个迅速变化的电场。根据电磁感应定律，这个变化的电场会继而产生一个变化的磁场。这个新生的、变化的磁场又会再次激发出新的电场，如此循环往复，形成一个相互垂直、不断向外传播的电磁波。

• 接收过程：当传播中的电磁波遇到一个接收天线时，其变化的电场会对天线导体内的电子施加一个力，导致电子在导体中产生振荡，从而在天线两端感应出微弱的交流电压。这个电压的频率与原始发射的电磁波频率完全相同，因此它承载了原始信号的信息。接收设备将这个微弱的信号放大并进行解调，就可以还原出发射端想要传递的信息了。

电磁波特性和波段

在探索一个新领域时，我们有时需要暂时接受一些基本概念作为“公理”，以此为基础来理解更复杂的现象。对于射频通信应用而言，我们可以先将电磁波直观地理解为一个以光速传播、携带能量、以某种频率震荡的“波”，它最核心的两个属性是频率和波长。

电磁波的频率 (\(f\)) 指的是其电场和磁场每秒钟振荡的次数，单位是赫兹 (Hz)。而波长 (\(\lambda\)) 则是指在传播方向上，相邻两个波峰或波谷之间的距离。这两者通过光速 (\(c\)) 紧密相连： \[c = \lambda f\] 这个简单的关系式意味着，频率越高，波长就越短，反之亦然。电磁波的频率（或波长）直接决定了它的诸多关键物理特性，从而也决定了它在不同领域的应用。我们暂时不去细究频率和波长到底是以什么机理影响电磁波的特性的，只是先接受习惯这些关系。

1. 能量大小

根据普朗克-爱因斯坦关系式，单个光子的能量 (\(E\)) 与其频率成正比： \[E = h f\] 其中 \(h\) 是普朗克常数。这意味着频率越高的电磁波，其携带的能量就越强。例如，高能量的紫外线、X射线和伽马射线能够破坏分子化学键，甚至引发DNA突变。相比之下，无线电波和微波等低频电磁波的能量则非常低，不足以改变物质的分子结构，其主要效应是引起分子振动或产生热效应。

2. 穿透与绕射能力

电磁波与障碍物的相互作用方式也与波长密切相关。

• 绕射：频率较低、波长较长的电磁波具有更强的绕射能力，这意味着它们可以更好地“绕过”建筑物、山丘等大型障碍物，实现超视距传播。
• 穿透：频率更高、波长更短的电磁波（如X射线）则表现出更强的穿透性。这主要是因为它们的波长远小于原子间距，能量也足够高，可以像微小粒子一样直接穿过物质的原子间隙。然而，这种穿透性并非绝对的，它们仍然会被密度较高的物质（如骨骼对X射线的阻挡）所吸收或散射。

3. 大气传播特性

大气层对不同频率的电磁波会产生不同的影响，主要是吸收和散射。

• 散射：大气中的分子会对电磁波产生散射效应，并且这种散射的强度与频率的四次方成正比（瑞利散射）。这就是为什么天空呈现蓝色，因为波长较短的蓝光比波长较长的红光更容易被大气散射。
• 吸收：大气中的水蒸气和氧气等特定分子会对某些频率的电磁波产生强烈的吸收，形成所谓的“吸收窗口”和“衰减峰”。例如，某些毫米波频段就会受到雨水的严重衰减，这种现象被称为“雨衰”。
• 电离层反射：地球上空的电离层像一面镜子，可以反射特定频段的无线电波（主要是短波），使其能够沿着地球表面传播非常远的距离，实现全球通信。而频率更高的微波和毫米波则会直接穿透电离层，适用于卫星通信和地面点对点通信。

在无线通信领域，我们主要利用的是频率范围在 3 kHz 到 300 GHz 之间的无线电波和微波。在这个广阔的频谱范围内，为了便于管理和应用，人们又将其划分成不同的波段 (Band)。每个波段都因其独特的传播特性而被应用于不同的场景。

上图清晰地展示了卫星通信中常用的几个微波波段及其关键特性：

从上表和图中我们可以总结出几个关键规律：

• 频率越高，可用带宽越大：更高的频率意味着可以在单位时间内传输更多的数据，这对于高清视频、高速互联网等大容量业务至关重要。
• 频率越高，天线尺寸越小：天线的物理尺寸通常与波长成正比。频率越高，波长越短，因此可以制造出更小、更便携的接收和发射设备。
• 频率越高，大气衰减越严重：高频信号更容易受到雨、雪、雾等天气现象的影响，信号衰减更严重，通信的可靠性会面临更大挑战。...