【摘要】近期5G成為熱點名詞。作為一種通信技術，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物理規律。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關聯起來：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出來的。譬如，波速v可以被定義為：單位時間內波峰前進的距離。將這個定義換一種說法即：一個周期時間內波峰前進的距離是一個波長。這里的周期時間，實際上就是頻率f的倒數。

將波速的上述定義用公式表示出來就是：T * v =?λ

簡單轉換可以得到：v =?λ / T =?λ * f

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電磁波的波速、波長和頻率

物理學意義上的電磁波，是指由變化的電場和磁場相互感生而產生的波，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常數：光速。當然，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。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，電磁波的頻率和波長就很容易進行轉換計算。在電磁波的通信應用中，波長這個概念更容易被理解和應用。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論。

遠大于波長：如果一個物體的大小在這個尺度上，則這個物體相當于在電磁波前進方向上的一個巨大阻擋物，會對電磁波產生反射、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生阻擋效果，電磁波會繞過這個物體而繼續傳播，這個現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)則會產生明顯的阻擋。

與波長相近：這個尺度通常是用于天線的設計，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行發送和接收。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的尺寸相近。

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電磁波譜

物理學意義上的電磁波，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)的數量級變化，其物理學性質也會發生很大的變化。可以將電磁波按照其波長從大到小(相當于頻率從低到高)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中。長波可以傳輸很長距離，并能夠貼著地球表面傳播(地面波)。當然，長波的發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，但是也可以用于城市區域的覆蓋。中波頻段主要被用于收音機。例如：上海廣播電視臺AM990，實際上就使用調幅技術(AM)、工作在990kHz的收音機頻道。這種AM收音機便于制作，伴隨了很多當代人的成長過程，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，可以被大氣電離層反射回地面，通過來回發射可以實現長距離通信(稱為“天波”)。因此，短波可以用于較長距離甚至環球的通信。短波的最常見應用是各種短波收音機頻道。

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頻收音機和電視廣播。例如：上海廣播電視臺FM93.4，就是使用調頻技術(FM)、頻率為93.4MHz的收音機廣播。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稱為微波(Microwave)，根據其波長可以進一步劃分為：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研究也在活躍進行，稱為“THz通信”。這個頻段已經非常接近遠紅外線的范圍了。很多人認為這個頻段會被用于未來的6G。

紅外線的頻率跨度很大，從接近毫米波的遠紅外，到接近可見光的近紅外。近紅外頻段已經與可見光非常類似了，可以用折射反射等幾何光學來進行分析，更多使用波長而不是頻率來對其進行描述。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)。一種判斷認為是地球生物在進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，已經可以對生物產生傷害了。顯然，目前還不需要將這些危險的頻段用于通信中。?

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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