2020-11-29
宏观看电磁波
电磁波是什么
百度百科中的解释：电磁波是由同向且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。通常意义上所指有电磁辐射特性的电磁波是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线。而X射线及γ射线通常被认为是放射性的辐射。
电磁波的波速在真空中接近光速，因为其实光就是一种电磁波。其速度与频率和波长的关系式如下所示：
可以从宏观上得出速度越快波长越短。大体排序由波长从长到短大致是以下的顺序：
无线电波>微波>毫米波>太赫兹>红外光>可见光>紫外线>射线
其实无线电波到可见光之间一直在被很多人探索。在不同行业也有不同的称呼，这里就不赘述。有了以上的基础知识，本文章主要来解决以下两点问题：
- 毫米波以上频率的电磁波由于其特性在空间中传播不远，而为什么卫星通信会选用这些波段？
- 电磁波的透射和绕射能力与频率的关系
接下来就从宏观角度来简单说明下以上两个问题：
·首先，电磁波在空间中传播遇到障碍物会产生反射，吸收，透射和折射的物理现象。对于卫星地对天通信来说主要的障碍是电离层，其中有很多的自由电子和离子。
- 长波和中波大部分会直接被电离层吸收，只能靠地波来传播。所以一般的电台都会使用波长较长，也就是频率较低的频段。
- 短波会大部分会被电离层反射，穿不过电离层。
- 而微波（此处包括毫米波和太赫兹）则大部分会透射过电离层（太阳光可以射到地球上也是因为光波频率较高）传到太空中。
从这里可以看出选用频率较高的波段作为天地卫星通信会有先天优势。而知道电磁波在空间中传播损耗的朋友门可能会问，频率越高，空间中的损耗越高，传播距离越短，这不是和天地卫星通信的要求违背了吗？这一点其实比较好理解，一个完整的通信链路不能单单看电磁波在空间中的损耗。如果我们提高发射功率使其弥补了传播中的消耗不就可以了吗？所以这是一个系统级问题，需要从多方面来考虑。
此处推荐一篇解释的比较清楚的帖子，想要了解的童鞋自行查阅
终于弄懂卫星通信频率为什么那么高了！
至此，第一个问题解答完毕。先天优势，综合考虑（通信链路，通信速率等等）卫星通信使用相对较高频段电磁波。
·电磁波的透射和绕射能力与频率有关。频率越低，绕射能力越强，投射能力越弱；频率越高，透射能力越强，绕射能力越弱。 首先解释下透射和绕射，查阅了很多资料和帖子，很多人在解释的时候透射和绕射都不区分，把短波的绕射看成是透射性能，一通解释，搞得很多读者都很蒙。虽然效果一样，但原理不同。透射是指穿透障碍物，进入到里面，相当于in；绕射是指绕过障碍物，从旁边而不进入内部，相当于around。
从宏观上看，绕射其实是波特性，而透射相当于能量转移。绕射本质是衍射，即遇到障碍物以后会偏离直线传播；透射是当具有相当频率的波靠近或接触时会产生能量转移。这就比较好理解为什么频率低绕射能力强，频率高透射能力强了。生活中很多东西都是本身又频率的，高低不同罢了；频率低波特性明显，频率高粒子性明显，此处与波粒二象性统一。
频率低的电磁波遇到障碍物会绕射，少有能量转移；频率高的电磁波在空间传播，除了空间损耗外（其本质也是和大气分子，尘埃什么的能量转移），容易透射到障碍物中——因为障碍物一般都是固体，粒子性强，固有频率较高，当高频电磁波相遇容易产生能量转移，也就是透射导致能量损耗，故高频的电磁波传播距离不远。第二个问题答毕。
此外X，γ等射线透射能力更强，除了频率高外，还主要因为其能量高。这里没有细致的去查阅资料，之后遇到或者感兴趣可以再继续深入。由上分析总结出，讨论电磁波相关的一些问题不能从单一的原因和角度去分析，很多现象有多重因素导致。同时还要考虑其传播系统，传播方式，传播介质等等。这里捎带记录一下，水是极性分子，对电磁波的传播阻碍非常大（没太搞懂为什么极性分子会吸收电磁波，后续再查），因此水中一般都用超声波。如果有知道的童鞋可以留言区指教哈，对本篇内容想要交流的童鞋也欢迎留言讨论。