电磁波的产生之：带电粒子加速度运动，只要带电粒子运动都能产生电磁波
粒子加速产生电磁波的分类
| 粒子类型 | 典型辐射机制 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 电子 | 天线振荡 | 通信、医学成像 |
| 质子 | 加速器偏转 | 高能物理研究 |
| 离子（如Au⁺） | 重离子碰撞 | 核物理实验 |
| 等离子体电子集体 | 朗缪尔波振荡 | 聚变装置诊断 |
| 中子星电子 | 同步辐射 | 脉冲星观测 |
| 黑洞吸积盘电子 | 相对论性喷流 | 天体物理研究 |
重点： 其中电子加速运动是最主要的电磁波辐射源（因易加速，高响应）
- 高频电磁波：单个波形周期更短，单位时间内可塞入更多波形（符号），每个符号通过调制技术携带多个比特。
- 低频电磁波：单个波形周期长，单位时间内塞入的波形（符号）少，传输距离长
1. 基本特性对比
| 特性 | 高频电磁波（HF ~ EHF，3 MHz ~ 300 GHz） | 低频电磁波（VLF ~ MF，3 kHz ~ 3 MHz） |
|---|---|---|
| 频率范围 | 3 MHz ~ 300 GHz（如Wi-Fi、5G、雷达） | 3 kHz ~ 3 MHz（如AM广播、潜艇通信） |
| 波长 | 短（毫米级 ~ 米级） | 长（千米级 ~ 百米级） |
| 传输距离 | 短（易衰减，需中继或定向天线） | 长（绕射能力强，穿透性好） |
| 穿透能力 | 弱（易被障碍物吸收或反射） | 强（可穿透建筑物、水体等） |
| 带宽与数据速率 | 高（适合高速数据传输） | 低（仅支持低速通信） |
| 抗干扰能力 | 较差（易受多径效应、大气吸收影响） | 较强（受环境影响小） |
| 天线尺寸 | 小（适合便携设备） | 大（需长天线或大型发射塔） |
2. 应用领域对比
| 应用领域 | 高频电磁波（HF ~ EHF） | 低频电磁波（VLF ~ MF） |
|---|---|---|
| 通信技术 | 5G、Wi-Fi、蓝牙、卫星通信、光纤（光波） | AM广播、长波电台、潜艇通信（ELF/VLF） |
| 雷达与遥感 | 毫米波雷达（自动驾驶、气象雷达） | 低频雷达（地下探测、海洋研究） |
| 医疗与成像 | MRI（高频射频）、微波热疗 | 低频电疗（如TENS设备） |
| 导航与定位 | GPS（L波段）、无人机通信 | 长波导航（LORAN系统） |
| 工业与科学 | 微波加热、等离子体研究 | 地质勘探、地震监测 |
3. 典型场景举例
- 高频电磁波：
-
- 5G通信（3.5 GHz / 毫米波）：高速、低延迟，但覆盖范围小，需密集基站。
- Wi-Fi 6E（6 GHz）：大带宽，适合高清视频传输，但穿墙能力弱。
- 卫星通信（Ku/Ka波段）：高频定向传输，易受雨衰影响。
- 低频电磁波：
-
- AM广播（535 kHz~1.7 MHz）：覆盖数百公里，但音质较差。
- 潜艇通信（VLF, 3~30 kHz）：穿透海水，但数据速率极低（仅文本指令）。
- RFID低频标签（125 kHz）：穿透性强，用于门禁、动物追踪。
4. 如何选择？
- 选高频：需要高速、大容量（如5G、高清视频）。
- 选低频：需要远距离、强穿透（如广播、地下通信）。
完整流程（现代数字通信系统）
1. 数字信号处理（数字域）
- 输入：原始二进制数据（如
0010110）。 - 关键操作：
-
- 信源编码：压缩数据（如MP3、H.265）。
- 信道编码：添加纠错码（如LDPC、Turbo码）。
- 数字调制：将比特映射为符号（如QPSK、64QAM）。
- 数字上变频（DUC）：在数字域将基带信号搬移到目标频段（如2.4GHz）。
- 硬件：
-
- CPU/DSP/FPGA（完成算法处理）。
- 信号类型：
-
- 原始数字信号 → 编码后数字信号 → 数字基带信号（I/Q离散值） → 数字射频信号。
2. 数模转换（DAC阶段）
- 关键操作：
-
- 高速DAC（如10GSPS）将数字射频信号转换为模拟射频信号。
- 抗镜像滤波：滤除DAC输出的高频噪声。
- 硬件：
-
- 高速DAC芯片（如ADI的AD9162）。
- 信号类型：
-
- 数字射频信号 → 模拟射频信号（如2.4GHz连续波形）。
3. 射频前端处理（模拟域）
- 关键操作：
-
- 功率放大（PA）：提升信号功率（如从毫瓦级放大到瓦级）。
- 滤波：去除带外杂散和谐波（如Wi-Fi的20MHz带宽滤波）。
- 阻抗匹配：优化天线与射频链路的能量传输效率。
- 硬件：
-
- 功率放大器（PA）、带通滤波器（BPF）、射频开关。
- 信号类型：
-
- 模拟射频信号 → 高功率射频信号。
4. 天线辐射（电磁波生成）
- 关键操作：
-
- 天线将时变射频电流转换为电磁波（遵循麦克斯韦方程组）。
- 硬件：
-
- 偶极子天线、微带贴片天线、相控阵天线（如5G基站）。
- 信号类型：
-
- 射频电信号 → 自由空间电磁波。
完整信号链图示
数字信号（001）
→ 编码后数字信号（加入纠错码）
→ 数字基带信号（I/Q离散值）
→ 数字射频信号（经DUC上变频）
→ 模拟射频信号（DAC输出）
→ 高功率射频信号（PA放大后）
→ 电磁波（天线辐射）
关键硬件与信号类型对照表
| 阶段 | 硬件 | 输入信号 | 输出信号 |
|---|---|---|---|
| 数字信号处理 | FPGA/DSP | 原始二进制数据（001） | 数字射频信号（I/Q离散值） |
| 数模转换 | 高速DAC | 数字射频信号 | 模拟射频信号（2.4GHz） |
| 射频前端 | PA、滤波器 | 模拟射频信号 | 高功率射频信号 |
| 天线辐射 | 天线 | 高功率射频信号 | 电磁波 |
实际案例：Wi-Fi数据传输
- 输入：手机发送的网页请求（二进制数据
0010110...）。 - 数字处理：
-
- 编码（LDPC纠错） → 调制（64QAM） → 数字上变频到2.4GHz。
- DAC：TI的DAC38RF84以5GSPS速率生成2.4GHz模拟信号。
- 射频前端：Qorvo的PA和Skyworks的滤波器处理信号。
- 天线：路由器天线将信号辐射为电磁波。
为什么无需“模拟基带信号”？
- 数字上变频（DUC）：
-
- 直接在数字域完成频率搬移（传统需模拟混频器）。
- 高速DAC的突破：
-
- 现代DAC支持GHz级信号生成（如5GSPS DAC可直出2.5GHz信号）。
- 全链路数字化优势：
-
- 避免模拟基带电路的噪声、温漂和非线性失真。
总结
数字信号到电磁波的完整流程已高度数字化，传统“数字→模拟基带→射频”流程被“数字→直接射频”取代。这一变革依赖高速DAC和数字上变频技术，成为5G、Wi-Fi等现代通信系统的核心设计。发送数据需要调制，接收数据需要解调。
