电磁波及其应用

电磁波是我们现代信息社会的基石——从收音机里的广播节目，到手机上的视频通话，再到卫星导航和光纤宽带，电磁波已经渗透到生活的方方面面。这一章将带你认识电磁波的基本特性，了解广播、电视、移动通信、卫星通信和光纤通信是如何利用电磁波来传递信息的。

电磁波

变化的电流在空间中产生电磁波，真空中以光速传播。从无线电波到 γ 射线，电磁波谱涵盖了广阔的频率范围。

广播、电视和移动通信

无线电广播、电视和手机通信都利用电磁波来传输信息。调制与解调是信号传输的关键技术。

卫星通信和光纤通信

通信卫星覆盖全球，光纤利用光的全反射实现高速传输——它们是现代远距离通信的两大支柱。

电磁波

电磁波的产生

电磁波（electromagnetic wave）是变化的电流（振荡电流）在空间中产生的。当导体中有迅速变化的电流（振荡电流）时，导线周围就会产生向周围空间传播的电磁波。

电磁波的传播

电磁波可用波长、频率和波速来描述。

邻近的两个波峰（或波谷）的距离，叫作波长 (wavelength)。在某确定位置，1s内有多少次波峰或波谷通过，波的频率就是多少。用来描述波传播快慢的物理量叫作波速 (wave velocity)。

电磁波在真空中的传播速度等于光速，是宇宙中最快的速度之一。

电磁波与机械波的区别

机械波（如声波）的传播需要介质，而电磁波不需要介质——它可以在真空中传播。这就是为什么我们能从地球上接收来自太空的电磁波信号。

电磁波谱

电磁波频率的单位也是赫兹，频率的常用单位换算：

$$1\text{kHz}={10}^3\text{Hz}1\text{MHz}={10}^6\text{Hz}1\text{GHz}={10}^9\text{Hz}$$

电磁波的频率越高，波长越短。

按照频率从低到高（波长从长到短）的顺序排列，电磁波谱包括：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线和 γ 射线。

波段	频率范围	波长范围	典型应用
无线电波	$<3\times {10}^9\text{Hz}$	$>0.1\text{m}$	广播、电视、通信
微波	$3\times {10}^9\sim 3\times {10}^{11}\text{Hz}$	$1\text{mm}\sim 0.1\text{m}$	微波炉、雷达、卫星通信
红外线	$3\times {10}^{11}\sim 3.8\times {10}^{14}\text{Hz}$	$0.78\mu \text{m}\sim 1\text{mm}$	遥控器、热成像、夜视仪
可见光	$3.8\times {10}^{14}\sim 7.9\times {10}^{14}\text{Hz}$	$380\text{nm}\sim 780\text{nm}$	照明、光纤通信
紫外线	$7.9\times {10}^{14}\sim 3\times {10}^{16}\text{Hz}$	$10\text{nm}\sim 380\text{nm}$	消毒杀菌、验钞
X 射线	$3\times {10}^{16}\sim 3\times {10}^{19}\text{Hz}$	$0.01\text{nm}\sim 10\text{nm}$	医学成像、安检
γ 射线	$>3\times {10}^{19}\text{Hz}$	$<0.01\text{nm}$	医疗放疗、金属探伤

广播、电视和移动通信

无线电广播

无线电广播利用电磁波将声音信号传递到远方。其基本过程如下：

1. 声音信号转换为电信号：麦克风（话筒）将声音的振动转换为变化的电流——音频电信号
2. 调制：将音频电信号加载到高频振荡电流（载波）上，产生调制信号
3. 发射：调制后的信号通过天线向外发射电磁波
4. 接收：收音机的天线接收空间中的电磁波，产生感应电流
5. 解调：从调制信号中分离出音频电信号
6. 还原声音：扬声器将音频电信号转换为声音

调制有两种基本方式：

调制方式	英文	特点	音质	应用
调幅	AM（Amplitude Modulation）	使载波的振幅随音频信号变化	一般，易受干扰	中波广播（530~1600 kHz）
调频	FM（Frequency Modulation）	使载波的频率随音频信号变化	好，抗干扰强	调频广播（88~108 MHz）

电视信号

电视同时传输图像和声音两种信号：

• 图像信号：通过摄像机将图像转换为电信号，发射机把电信号加载到频率很高的电流上，通过发射天线发射到空中
• 声音信号：与广播类似，采用调频（FM）方式加载到载波上

移动通信

移动通信（mobile communication）是指通信双方至少有一方在运动中的通信方式，手机是最常见的移动通信终端。

移动通信的核心架构：

• 基站（base station）：每个基站在其覆盖区域内负责与手机通信，覆盖区域称为一个小区（cell）
• 切换（handover）：当手机从一个小区移动到另一个小区时，基站之间自动完成信号交接
• 核心网络：基站通过光纤或微波链路连接到核心网络，实现与固话网络、互联网的互通

从 1G 到 5G，移动通信技术不断演进：

代	代表技术	主要特征
1G	AMPS、TACS	模拟语音通话
2G	GSM、CDMA	数字语音 + 短信
3G	WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA	移动互联网
4G	LTE	高速移动宽带
5G	NR（New Radio）	低延迟、大连接、高速率

卫星通信和光纤通信

卫星通信

卫星通信利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电信号，实现远距离通信。

有些通信卫星位于地球同步轨道（geostationary orbit），距地面约 36,000 km。在同步轨道上，卫星绕地球公转的周期与地球自转周期相同（24 小时），因此从地面看卫星是"静止"的。

一颗同步卫星可以覆盖约 1/3 的地球表面，三颗同步卫星即可覆盖除两极外的全球区域。

卫星通信的优缺点：

优点	缺点
覆盖范围广，可实现跨洋通信	发射成本高
不受地面灾害影响	信号延迟较大（约 0.24 s）
可同时传输大量信息	受天气影响（雨衰）
可实现广播式传输	轨道资源有限

应用领域：电视广播、电话通信、导航定位（GPS、北斗）、互联网接入、气象观测。

光纤通信

光纤通信是利用光在光纤中传播来传递信息的通信方式。光是频率极高的电磁波，因此光纤通信本质上也属于电磁波通信。

光纤的结构：

• 纤芯（core）：光导纤维的中心部分，折射率高
• 包层（cladding）：包裹纤芯的外层，折射率低
• 涂覆层（coating）：保护光纤的塑料层

工作原理——全反射：

当光从纤芯射向包层时，如果入射角大于临界角，就会发生全反射（total internal reflection），光被完全反射回纤芯。光线在纤芯中通过反复的全反射向前传播。

光纤通信的显著优势：

特点	说明
传输容量大	一根光纤可同时传输数百万路电话或数千套电视节目
传输损耗小	中继距离长（可达数十公里甚至上百公里）
抗电磁干扰	光信号不受外界电磁场的干扰
保密性好	光信号不易被窃听
节省资源	主要材料是二氧化硅（石英），资源丰富

光纤通信已广泛用于互联网骨干网、电视信号传输、电话通信和局域网互联等领域。

速记

• 电磁波：变化的电流（振荡电流）产生电磁波，真空中传播速度 $c=3\times {10}^8\text{m/s}$
• 电磁波谱（频率从低到高）：无线电波 → 微波 → 红外线 → 可见光 → 紫外线 → X 射线 → γ 射线
• 调制：将信息加载到载波上；调幅（AM）改变振幅，调频（FM）改变频率
• 移动通信：手机通过基站接入网络，小区间自动切换
• 卫星通信：地球同步轨道卫星，三颗即可覆盖全球
• 光纤通信：利用光的全反射原理，容量大、损耗小、抗干扰