【摘要】近期5G成為熱點名詞。作為一種通信技術(shù)，5G仍然是以電磁波為傳輸載體，仍然需要遵循電磁波的相關(guān)物理規(guī)律。波長和頻率這兩個電磁波的基本概念，對于理解5G仍然是非常有用的。

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波的波速、波長和頻率

波的基本公式：v = λ * f

這個公式將波的三個基本性質(zhì)關(guān)聯(lián)起來：波速v、頻率f、波長λ。這個公式其實更像是由上述三個屬性的定義而推導(dǎo)出來的。譬如，波速v可以被定義為：單位時間內(nèi)波峰前進(jìn)的距離。將這個定義換一種說法即：一個周期時間內(nèi)波峰前進(jìn)的距離是一個波長。這里的周期時間，實際上就是頻率f的倒數(shù)。

將波速的上述定義用公式表示出來就是：T * v =?λ

簡單轉(zhuǎn)換可以得到：v =?λ / T =?λ * f

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電磁波的波速、波長和頻率

物理學(xué)意義上的電磁波，是指由變化的電場和磁場相互感生而產(chǎn)生的波，仍然是滿足上述基本公式的。

電磁波的波速是一個非常有名的物理學(xué)常數(shù)：光速。當(dāng)然，這其實是因為可見光也是一種電磁波。光速依賴于電磁波的傳輸介質(zhì)。通常情況下，真空和空氣光速可以估計為3E+8 米/秒；光纖中的光速要慢一些，近似為2E+8米/秒。

既然波速是個常數(shù)，電磁波的頻率和波長就很容易進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算。在電磁波的通信應(yīng)用中，波長這個概念更容易被理解和應(yīng)用。通常的移動通信信號，波長在分米量級。具體來說，900MHz信號的波長為0.333米，1.8GHz信號的波長為0.167米，2.6GHz信號的波長為0.115米。

如果將具體物體的大小，與電磁波的波長做比較，可以得到如下幾個有趣的結(jié)論。

遠(yuǎn)大于波長：如果一個物體的大小在這個尺度上，則這個物體相當(dāng)于在電磁波前進(jìn)方向上的一個巨大阻擋物，會對電磁波產(chǎn)生反射、折射、吸收等效果。這里物體的“巨大程度”是相對于波長的倍數(shù)而言的。例如：大樓、大樹的樹冠，尺度在幾米到幾百米，都會對移動通信信號形成阻擋和損耗。

遠(yuǎn)小于波長：如果一個物體的大小在這個尺度上，那么這個物體對電磁波難以產(chǎn)生阻擋效果，電磁波會繞過這個物體而繼續(xù)傳播，這個現(xiàn)象即波的繞射或衍射。例如：雨滴的大小通常在毫米級別，對于通常的移動通信信號沒有什么影響，但是對于毫米波(波長在毫米量級)則會產(chǎn)生明顯的阻擋。

與波長相近：這個尺度通常是用于天線的設(shè)計，例如半波振子的長度為波長的一半，陣列天線的陣元間距也通常是波長的一半。大波長的信號必須使用大尺寸的天線，沒辦法使用小尺寸天線進(jìn)行發(fā)送和接收。而小波長信號可以使用單個小天線，還可以將小天線組合成為超大尺寸的陣列天線，由于這個原因，長波通信不得不使用超級巨大的天線，而移動通信的天線大小通常和手機(jī)的尺寸相近。

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電磁波譜

物理學(xué)意義上的電磁波，其頻率跨度非常廣，從很低的交流電頻率到極高的高能射線。隨著電磁波頻率(或波長)的數(shù)量級變化，其物理學(xué)性質(zhì)也會發(fā)生很大的變化。可以將電磁波按照其波長從大到小(相當(dāng)于頻率從低到高)排列，稱為“電磁波譜”，如下圖所示。其中，紅外線以上的電磁波譜部分，是通常意義上的“無線電波”。

上面表格列出了電磁波譜中的各個頻段。

長波或更低頻率，其實也很早被用于專用的通信系統(tǒng)中。長波可以傳輸很長距離，并能夠貼著地球表面?zhèn)鞑?地面波)。當(dāng)然，長波的發(fā)送和接收都是很不容易的，因為天線的大小需要是波長量級的。可以通過圖片搜索“長波天線”來體驗其巨大。由于這個原因，長波在通常的民用通信中基本用不上。

中波頻段的波長在100～1000米，這個頻段的電磁波不易被建筑物遮擋。雖然中波覆蓋不如長波那么遠(yuǎn)，但是也可以用于城市區(qū)域的覆蓋。中波頻段主要被用于收音機(jī)。例如：上海廣播電視臺AM990，實際上就使用調(diào)幅技術(shù)(AM)、工作在990kHz的收音機(jī)頻道。這種AM收音機(jī)便于制作，伴隨了很多當(dāng)代人的成長過程，沿用至今。

短波頻段的波長在10～100米。這個波長有個獨特的性質(zhì)，可以被大氣電離層反射回地面，通過來回發(fā)射可以實現(xiàn)長距離通信(稱為“天波”)。因此，短波可以用于較長距離甚至環(huán)球的通信。短波的最常見應(yīng)用是各種短波收音機(jī)頻道。

比短波更高頻率的VHF頻段，波長在1～10米，所以被稱為米波，也有稱為超短波。這個頻段主要用于調(diào)頻收音機(jī)和電視廣播。例如：上海廣播電視臺FM93.4，就是使用調(diào)頻技術(shù)(FM)、頻率為93.4MHz的收音機(jī)廣播。例如：我國的無線電視廣播，頻道DS-1的頻率是48.5～56.5MHz。

波長在1毫米到1米范圍的電磁波被統(tǒng)稱為微波(Microwave)，根據(jù)其波長可以進(jìn)一步劃分為：分米波、厘米波和毫米波。分米波(波長在1～10分米)是移動通信的主力頻段。2G時代，GSM主要是用900MHz頻段，后來引入1.8GHz。3G時代，UMTS主要是1.8GHz和2.1GHz，TD-SCDMA主要是2.3GHz和2.6GHz。4G時代，LTE繼續(xù)沿用2G和3G的頻段，此外還新引入了3.5GHz頻段。

5G將新引入28GHz頻段，常常也被稱為“毫米波”，不過從波長意義上只能說它是“接近10毫米”。300GHz附近頻段的通信技術(shù)研究也在活躍進(jìn)行，稱為“THz通信”。這個頻段已經(jīng)非常接近遠(yuǎn)紅外線的范圍了。很多人認(rèn)為這個頻段會被用于未來的6G。

紅外線的頻率跨度很大，從接近毫米波的遠(yuǎn)紅外，到接近可見光的近紅外。近紅外頻段已經(jīng)與可見光非常類似了，可以用折射反射等幾何光學(xué)來進(jìn)行分析，更多使用波長而不是頻率來對其進(jìn)行描述。光纖通信中大量使用紅外激光，例如：多模光纖的工作波長0.85um，單模光纖的工作波長1.31～1.55um。

可見光是電磁波譜中非常獨特的一個頻段，它是指人眼可以感知的電磁波譜部分。由于不同個體的感知能力差異，可見光的頻段定義不是不太統(tǒng)一，表中0.40～0.76um是一個最常見的定義(更大范圍的定義例如0.38～0.78um)。可見光頻段中，波長最長為紅光，最短為紫光(由此也誕生了紅外線和紫外線的定義)。一種判斷認(rèn)為是地球生物在進(jìn)化過程中選擇了可見光頻段來予以感知，因為可見光頻段恰好也是太陽能量輻射的最主要部分。

更短波長的紫外線、X射線和伽馬射線，已經(jīng)可以對生物產(chǎn)生傷害了。顯然，目前還不需要將這些危險的頻段用于通信中。?

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的归一化频率的物理意义_电磁波的波长、频率和电磁波谱的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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