电磁波的波长、频率和电磁波谱
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发布时间：2024-09-30 08:57
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时间：2024-12-15 05:45
波的波速、波长和频率
波的基本公式：v = λ * f
这个公式将波的三个基本性质关联起来：波速v、频率f、波长λ。这个公式实际上是由上述三个属性的定义推导出来的。例如，波速v可以定义为：单位时间内波峰前进的距离。将这个定义换一种说法即：一个周期时间内波峰前进的距离是一个波长。这里的周期时间，实际上就是频率f的倒数。
将波速的上述定义用公式表示出来就是：T * v = λ
简单转换可以得到：v = λ / T = λ * f
物理学意义上的电磁波，是指由变化的电场和磁场相互感生而产生的波，仍然满足上述基本公式。电磁波的波速是一个非常有名的物理学常数：光速。这其实是因为可见光也是一种电磁波。光速依赖于电磁波的传输介质。通常情况下，真空和空气光速可以估计为3E+8 米/秒；光纤中的光速要慢一些，近似为2E+8米/秒。
在电磁波通信应用中，波长这个概念更容易应用一些。通常的移动通信信号，波长在分米量级。具体来说，900MHz信号的波长为0.333米，1.8GHz信号的波长为0.167米，2.6GHz信号的波长为0.115米。
如果将具体物体的大小，与电磁波的波长做比较，可以得到如下几个有趣的结论。
远大于波长：如果一个物体的大小在这个尺度上，则这个物体相当于在电磁波前进方向上的一个巨大阻挡物，会对电磁波产生反射、折射、吸收等效果。这里物体的“巨大程度”是相对于波长的倍数而言的。例如：大楼、大树的树冠，尺度在几米到几百米，都会对移动通信信号形成阻挡和损耗。
远小于波长：如果一个物体的大小在这个尺度上，那么这个物体对电磁波难以产生阻挡效果，电磁波会绕过这个物体而继续传播，这个现象即波的绕射或衍射。例如：雨滴的大小通常在毫米级别，对于通常的移动通信信号没有什么影响，但是对于毫米波（波长在毫米量级）则会产生明显的阻挡。
与波长相近：这个尺度通常是用于天线的设计，例如半波振子的长度为波长的一半，阵列天线的阵元间距也通常是波长的一半。大波长的信号必须使用大尺寸的天线，没办法使用小尺寸天线进行发送和接收。而小波长信号可以使用单个小天线，还可以将小天线组合成为超大尺寸的阵列天线，由于这个原因，长波通信不得不使用超级巨大的天线，而移动通信的天线大小通常和手机的尺寸相近。
电磁波谱
物理学意义上的电磁波，其频率跨度非常广，从很低的交流电频率到极高的高能射线。随着电磁波频率（或波长）的数量级变化，其物理学性质也会发生很大的变化。可以将电磁波按照其波长从大到小（相当于频率从低到高）排列，称为“电磁波谱”，如下图所示。其中，红外线以上的电磁波谱部分，是通常意义上的“无线电波”。
用表格来列出电磁波谱中的各个频段，如下。
长波或更低频率，其实也很早被用于专用的通信系统中。长波可以传输很长距离，并能够贴着地球表面传播（地面波）。当然，长波的发送和接收都是很不容易的，因为天线的大小需要是波长量级的。可以通过图片搜索“长波天线”来体验其巨大。由于这个原因，长波在通常的民用通信中基本用不上。
中波频段的波长在100～1000米，这个频段的电磁波不易被建筑物遮挡。虽然中波覆盖不如长波那么远，但是也可以用于城市区域的覆盖。中波频段主要被用于收音机。例如：上海广播电视台AM990，实际上就使用调幅技术（AM）、工作在990kHz的收音机频道。这种AM收音机便于制作，伴随了很多当代人的成长过程，沿用至今。
短波频段的波长在10～100米。这个波长有个独特的性质，可以被大气电离层反射回地面，通过来回发射可以实现长距离通信（称为“天波”）。因此，短波可以用于较长距离甚至环球的通信。短波的最常见应用是各种短波收音机频道。
比短波更高频率的VHF频段，波长在1～10米，所以被称为米波，也有称为超短波。这个频段主要用于调频收音机和电视广播。例如：上海广播电视台FM93.4，就是使用调频技术（FM）、频率为93.4MHz的收音机广播。例如：我国的无线电视广播，频道DS-1的频率是48.5～56.5MHz。
波长在1毫米到1米范围的电磁波被统称为微波（Microwave），根据其波长可以进一步划分为：分米波、厘米波和毫米波。分米波（波长在1～10分米）是移动通信的主力频段。2G时代，GSM主要是用900MHz频段，后来引入1.8GHz。3G时代，UMTS主要是1.8GHz和2.1GHz，TD-SCDMA主要是2.3GHz和2.6GHz。4G时代，LTE继续沿用2G和3G的频段，此外还新引入了3.5GHz频段。
5G将新引入28GHz频段，常常也被称为“毫米波”，不过从波长意义上只能说它是“接近10毫米”。300GHz附近频段的通信技术研究也在活跃进行，称为“THz通信”。这个频段已经非常接近远红外线的范围了。很多人认为这个频段会被用于未来的6G。
红外线的频率跨度很大，从接近毫米波的远红外，到接近可见光的近红外。近红外频段已经与可见光非常类似了，可以用折射反射等几何光学来进行分析，更多使用波长而不是频率来对其进行描述。光纤通信中大量使用红外激光，例如：多模光纤的工作波长0.85um，单模光纤的工作波长1.31～1.55um。
可见光是电磁波谱中非常独特的一个频段，它是指人眼可以感知的电磁波谱部分。由于不同个体的感知能力差异，可见光的频段定义不是不太统一，表中0.40～0.76um是一个最常见的定义（更大范围的定义例如0.38～0.78um）。可见光频段中，波长最长为红光，最短为紫光（由此也诞生了红外线和紫外线的定义）。一种判断认为是地球生物在进化过程中选择了可见光频段来予以感知，因为可见光频段恰好也是太阳能量辐射的最主要部分。
更短波长的紫外线、X射线和伽马射线，已经可以对生物产生伤害了。显然，目前还不需要将这些危险的频段用于通信中。
