背景

    在无线电通信中有一个重要的设备——天线，它作用有两点：

• 电磁波发射：把电信号转变成具备特定频率、振幅等特性的电磁波；
• 电磁波接收：把特定频率电磁波转变成电信号；

其中电信号是随着时间变化的电流，也叫交变电流；电磁波则是随着时间变化的电磁场。接下来我们就谈谈天线的这两个作用的具体原理，以及这些原理相关的一些应用场景。

一、电磁波发射

    麦克斯韦电磁场理论指出变化的电流（震荡电流、交变电流）就能产生电磁波，但是为了能把信息加载到电磁波，我们需要能够操控产生电磁波的可检测特征，比如频率、振幅、方向、相位等，天线的设计就是追求更加高效、更加方便的操控和检测电磁波的特征，目前发射电磁波主要考虑以下三个问题：
1. 如何控制电磁波的频率和相位；
2. 如何控制电磁波的信号强度（振幅和密度）；
3. 如何控制电磁波的方向；
下面就这三个问题进行展开介绍：

1.1 如何控制无线信号频率和相位

无线电发射频率示意图
天线的输入就是调制好的电信号，这个输入的电信号的频率决定了天线发射的电磁波频率，且输入电信号的相位也决定了电磁波的相位。至于输入电信号频率如何控制就是另外的问题了，比如调节振荡器的电容、电感、用不同的晶体振荡器等等。

1.2 如何控制电磁波的信号强度

一个区域的信号强度跟这个区域的电磁波的振幅、密度（电磁波通量）正相关：

1.2.1电磁波振幅控制

电磁波的振幅就是电磁波的磁场（或者电场）强度的最大值，在每个时刻点电磁波的磁场强度和发射天线中的电流正相关，要想增加电磁波的振幅就增加交变电流的平均大小就好了，在每个时刻点交变电流大小计算公式如下：

其中U是输入电压，R是天线电阻，R是天线电抗-用于描述电容及电感对交变电流的阻碍作用，其计量单位也是欧姆。当输入的信号频率等于天线的固有频率-发生谐振的时候，电抗可以无限趋近于0，由上面公式可以得到以下结论：
A：一般情况下天线选材的时候尽量选择电阻小的材料，比如金银铜铁；
B：在电磁波频率确定情况下，我们可以通过控制天线的输入电压（在发射天线电阻确定情况下，电压变化了电流变化也会跟着变化，功率也就会对应变化）来控制发射电磁波的振幅（功率）。
C：在我们输入电压（等同于输入功率确定）确定情况下，我们想提升发射功率，就是要尽量控制输入的电信号频率接近天线固有频率，让它发生谐振。这个其实就是说，想要有效发射电磁波就要为不同频率的信号选择不同固有频率的天线，或者想办法调节天线固有频率来适配信号。天线的接收也是如此，当电磁波的频率跟天线固有频率相同或者接近，能够在天线内激起更大的感应电流。那天线的固有频率是什么以及如何调节呢，那就涉及到另外一个工程领域：天线设计，我们举例简单介绍下：
    所谓天线的固有频率就是指单位时间天线电荷分布回到初始状态的次数，它跟天线的长度、形状、电容、电感都有关系。假设，最简单的直线天线（就是一根金属杆子）长度是L，电荷在天线平均速度是V，电磁波传播速度是光速C，也就是说电荷在天线中转一圈回到原来位置移动距离是2L，这个时间天线辐射出一束波长为λ的电磁波，（在直线天线中电荷移动的平均速度v接近光速c）

这就是半波天线，半波天线可以高效接收和发射波长越等于自己两倍长度的电磁波。

小知识：满足谐振的天线长度跟电磁波波长是正相关的，为了能够高效接收不同的电磁波，天线设计有的长，有的很短（或者可以在一定范围变化），比如传统的广播和电视很多使用中波通信-电磁波波长范围为100米至1000米，所以一般电视天线和广播天线都比较高，接收设备比如电视机和广播，我们也会尽量把天线架高；手机的2g、3g、4g、5g通信波长也是从米级别向厘米级别演化，最早期的手机都带一个长长天线；可见光波长（光也是特定波长的电磁波）只有200nm-1000nm，那能够有效接收可见光的天线也会设计非常小-分子级别、所以跟可见光发生谐振的这些小天线在我们看来就是一种材料分子或者一种基础的晶体构造（本人设想，现在无理论支撑）。

1.2.2 如何控制电磁波密度

一个天线发射一串连续的电磁波（一束），那么其实很容易想到在一个点多聚集几束就好了，那么就有两种途径：
A 多发射几束：天线阵列 相控天线；
B 通过控制电磁波方向使之聚集：电磁波发射的时候是向一周发射，可以通过不同的手段把其他方向的电磁波和光汇聚到特定方向上，从而实现一个方向的电磁波密度（通量）增加。

1.3 如何控制电磁波方向

常见的控制电磁波的方向手段主要有以下几种：
1. 天线设计：通过合理设计天线的形状、尺寸和材料，可以实现电磁波的方向性放射和接收。例如，抛物面天线、八木天线等都具有较好的方向性
2. 反射：利用导体表面反射电磁波来改变其传播方向。常用的反射器件有平面反射器、凹面反射器和凸面反射器等。
3. 折射：利用介质的折射特性来改变电磁波的传播方向。常用的折射器件有透镜和棱镜等。
4. 衍射：利用物体边缘或缝隙对电磁波的衍射作用来改变其传播方向。常用的衍射器件有格栅和缝隙阵列等。
5. 机械转动：通过机械转动天线或反射器来改变电磁波的方向，这种方法常见于雷达和卫星通信系统中。

小结：如何控制天线发射信号强度

    在发射（接收）一个特定频率的信号的时候，尽量选择（调整）固有频率接近信号频率并且电阻小的天线，通过在天线周围增加反射罩（雷达）或者折射单元（激光），增加天线数目来实现特定方向更多数量的电磁波汇聚，发射的时候可以通过调整输入电信号的功率来控制发射电磁波信号强度。

二、电磁波接收

    电磁波产生电有两种方式：1 电磁感应 2 光电效应，我们只需要在电磁波覆盖的放置一个导体或者感光器件就能产生相应的电流，但世界上有许许多多的无线电台、电视台以及各种无线电通信设备，它们不断地向空中发射各种频率的电磁波。这些电磁波弥漫在我们周围，如果不加选择地把它们都接收下来，那必然是一片混乱的信号，所以，接收电磁波后首先要从诸多的信号中把我们需要的选择出来，大多数情况下我们就要设法使需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强，在电磁波发射中提到过：接收特定频率电磁波就是使用固有频率接近电磁波信号频率的天线，使之发生谐振，方可产生电流最强。 但是在一些特殊情况下，噪音信号跟我们想接收的信号频率相近，干扰很强，我们就要再具体问题具体分析，找到噪音信号和我们需要信号的差异，然后再调整天线进行过滤。具体电磁波接收和前面介绍发射原理类似，不再介绍。

思考和启发

• 光是一种电磁波，但是目前激光通信中光的发射和接收原理都是光电效应，它跟目前的电磁波发射接收都考虑谐振频率，在原理上不同，是否有统一理论能够统一这一点呢？
• 二维世界的波 ，如果忽略波的幅度，在某一个特定时刻，波上的每个点代表是不同的能量级别，比如水波的二维切面高低起伏就是每个点势能不同，势能就是能量的一种。那三维度世界的波，在一个时刻 波的每一个点也是代表不同的能量级别呢？真实的波的时刻截图 其实是一个个能量不同的点， 我们可以想像就是一个个不同亮度或者质量的点，这样看来目前 一个星系也可能是一个波在我们观测时刻的三维截图，宇宙星系演化就是这个波的波动图是不是也在传递信息呢？
• 电荷、引力传播速度不是电子、质子等物质的传播速度，而是他们变化后，激起的场的传播速度，场换个说法就是影响传播速度，在真实世界很难理解为啥有速度上限，但是在虚拟世界中就很容易解释，我们在计算机中改变一个变量，想把这个变量改变造成的影响同步到它的相关方，最快速度就受限于我们整个计算机的内部信息处理和传递速度，根据奥姆剃刀原理，我们有更大可能生活在虚拟世界中呢。

附录（想深入了解的可以继续阅读）

基本物理知识

1） 电荷移动是带电粒子（电子、正负离子）定向移动的宏观现象，电荷移动的速度非常快，可以接近光速。 可以想象下，一根10m管子里面紧密地赛满了小铁球，我们用手指轻轻推管子一头的铁球，第一个铁球只动了1cm，最后一个小球也移动了1cm，虽然小球只移动一点点，但是我们这个推动力一瞬间就传导到了10m的另一端；电子和电荷的关系也是如此，施加电压后电子移动距离非常微小，但整体影响力（电压/电场）传递速度非常快，接近光速。
2）电荷移动（电流）能够产生磁场，磁场能够对其中的运动电荷（电流）产生力，这个力的大小为：
宏观上看有安培定律：

其中：F是磁场对通电导线的力大小，I_s是产生磁场的电流大小，I_r是收到磁场力的导线中的电流大小，L是导线长度，μ是磁场所处介质导磁率，H是磁场强度，θ表示磁场方向和电荷移动方向（电流方向）之间的夹角，d是测量点和产生磁场的电流的垂直距离。

跟这个公式关联有以下知识点

• 电流定义：I=q/t : I为电流大小，ｑ移动的电荷量大小，ｔ是时间；
• 距离定义：L=vt：L是移动电荷所在导线的长度，v是电荷移动的速度，t是时间;
• 磁感应强度计算公式：
  其中B是磁感应强度，μ是磁导率（只跟具体介质相关，比如真空磁导率，水磁导率都是一个常数），H是磁场强度，I_s是产生磁场的电流大小，d是测量点和产生磁场的电流的垂直距离。

如果把安培定律中的电流用q/t，L用vt替换我们便得到微观上的定律-洛伦兹力：

3）电磁波的能量由三个因素决定：频率、振幅、密度（通量）