电磁波与无线技术

        在工程开发中，听到很多人探讨红外线可以穿透哪些材料、315M（或者433M）信号传输需要多长的天线、蓝牙传输用什么天线、2.4G信号可以传多远等等，很多说法都是瞎编。我觉得作为受过高等教育的工程师，应该从理论上分析一下这些基本问题，做一个有主见，有知识，有素养的工程师。毕竟关于光和电磁波的本质早在19世纪就已经被科学家揭开了。我们不需要重新研究电磁波，只需要利用现成的知识。

        19世纪物理学家麦克斯韦独自发明了麦克斯韦方程组后，就预言了电磁波的存在，并且通过理论计算出了电磁波的传输速率，这个数值正好与光速吻合，于是他大胆的猜测光就是一种电磁波，他的这些预言和猜测后来被试验一一证实。在麦克斯韦眼里，光与电磁波其实是一个东西，在爱因斯坦眼里，质量和能量其实是一个东西。科学家就是一群对事物本质进行降维破解的人。

电磁波波谱其实是很长的，根据波长从长到短排列就是下图：

里面有很多我们熟知的名词，比如可见光，就是我们眼睛可以看到的光，其他电磁波其实也是光，只不过我们看不到而已。下面回顾一下电磁波的相关知识。

1 频率和波长之间的关系

f=c/λ

电磁波频率与波长是成反比的，频率等于光速除以波长。

2、电磁波能量与频率之间的关系

E=hf

电磁波频率越高，能量越大，换言之，波长越小，能量越大。

3、电磁波的波长越长，那么需要越长的天线来传输，波长与天线的关系如下：

天线长度=波长/4

4、电磁波能量越大，其穿透能力越强，比如X射线就可以穿透皮肤和骨骼，因此在医学上有较大应用。红外线频率较低（没有可见光高），所以其穿透能力是比较低的，一般只能穿透比较薄的透明的（如果不透明就容易被材料吸收）塑胶材料。

5、电磁波的波长越长，其绕射能力就很大，也就是衍射能力很大，于是就可以传输的很远，进入千家万户，能量也不容易衰减。

下图为电磁波发射原理

关于电磁波天线：

导线再有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关，如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱，如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度L远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱；当导线的长度增大到可以与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。

基于上面的知识，下面计算315M无线电波所需天线的长度：

波长=光速/频率，所以波长=(3*10^8)/(315*10^6)m=0.95m

天线=波长/4=0.24m

这就是315M理论上比较合适的天线长度，当然了，还可以更长，而且辐射范围会更广。实际工程中，也可能比这个更短，对应的辐射范围就比这个要窄些。

下面给出天线实物参考：