8.1 麦克斯韦方程与无线电传播：天线缝隙如何激发电磁波
把手机翻过来，看看金属边框上那几道细细的塑料缝隙。第四章讲过，它们是纳米注塑填进去的“窗口”，好让电磁波能穿出金属机身。不过还有一个问题没有回答：缝隙两侧只是通上了交变电流，为什么会有一股看不见的能量离开手机，飞到几百米外的基站？本节从这道缝隙出发，说明无线通信背后的物理原理，再解释 5G 时代基站为什么越建越密。
8.1.1 从导线里的电流到空中的波
8.1.1.1 先看一个熟悉的现象
中学物理课上有两个实验：通电导线旁边的小磁针会偏转，这是“电生磁”；磁铁插进线圈，线圈里会出现电流，这是“磁生电”。19 世纪，英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）把电与磁的规律整理成一组方程，后人称为麦克斯韦方程组（Maxwell's Equations）。其中与无线电关系最密切的是两条：
- 变化的电场会激发磁场；
- 变化的磁场会激发电场。
这两种场都不需要导线来承载，在空气甚至真空中都能存在。它们的磁力线、电力线是首尾相接的闭合圈，所以称为“涡旋场”。
8.1.1.2 两种场的接力
这两条规律合在一起，会得到一个结果：电场的变化产生磁场，磁场的变化又产生电场，新的电场继续产生新的磁场……这个过程一旦开始，就能自己维持下去，不断向外推进。
可以拿体育场里的“人浪”来比喻。观众并没有离开座位，可起立、坐下的动作一排排传下去，形成一道绕场移动的波。电磁波也是这样：每一处的电场和磁场都在原地振荡，相互激发的接力却把能量送向远方。麦克斯韦由方程算出，这种波的传播速度恰好等于光速，由此断定光本身就是电磁波。手机信号、Wi-Fi、可见光和 X 射线都属于电磁波，区别只是频率不同。
8.1.2 手机里的那一瞬间
把上面的原理放进手机，一次信号发射大致经过下面几步：
- 功率放大器（PA，Power Amplifier）输出交变电流。 第五章讲过，数据包经过调制后进入射频前端，由功率放大器放大成足够强的高频电流。以 5G 常用的 3.5GHz 频段为例，这股电流每秒改变方向约 35 亿次。
- 电流涌入天线辐射体。 电流经过馈电点进入金属边框上划分出的天线段。缝隙两侧的电荷随电流来回涌动，缝隙间的电场随之急剧变化。
- 电场与磁场互相激发。 急剧变化的电场激发出环绕它的涡旋磁场，变化的磁场又反过来激发涡旋电场，两者交替生成。
- 能量波包脱离机身。 振荡频率足够高时，场的变化来不及“收回”到天线附近，就以光速向外传出，形成一个能自我维持的电磁能量波包，离开手机向基站方向扩散。
| 环节 | 物理实体 | 发生了什么 |
|---|---|---|
| 源头 | 功率放大器 | 输出 3.5GHz 交变电流 |
| 激发 | 天线缝隙与金属辐射体 | 电荷往复运动，电场剧烈变化 |
| 接力 | 机身周围空间 | 电场与磁场相互激发 |
| 辐射 | 空气与自由空间 | 自持波包以光速传播 |
缝隙的尺寸和金属段的长度并非随意设计。天线的谐振长度通常与波长成一定比例，这也是工程师要在边框上精确“裁出”不同长度天线段的原因：不同频段对应不同的“音高”，每一段金属负责其中一部分。
8.1.3 为什么频率越高，信号越容易“变弱”
8.1.3.1 弗里斯传输方程说了什么
电磁波离开手机后，要走一段很长的路。描述这段路上功率损耗的经典公式是弗里斯传输方程（Friis Transmission Formula）。它的一个重要结论是：在收发双方天线增益不变、距离不变的条件下，接收端得到的功率与载波频率的平方成反比。
这个结论直观上不容易理解，可以这样想：频率越高，波长越短。电磁波的速度是固定的光速，3.5GHz 信号的波长大约只有 8 到 9 厘米，2G 时代常用频段的波长则长得多。在同样增益的条件下，接收天线的有效“捕获面积”与波长的平方成正比。波长变短，接收天线像一张口径缩小的网，从空中扩散开的能量里能兜住的部分就少了。
可以用接雨来比喻：雨下得一样大，用脸盆接比用茶杯接多得多。高频信号的接收天线就相当于茶杯。
8.1.3.2 5G 面临的物理代价
把这条规律用到移动通信的演进上，结论很清楚：5G 主力频段的频率比 2G、3G 高出不少，按照频率平方的关系计算，同样距离下的路径衰减比 2G/3G 时代剧增十余倍。另外，高频信号穿墙、绕过障碍物的能力也更弱，室内和楼宇之间的覆盖更困难。
这就是 5G 基站密度必须大幅增加的根本物理原因。这里的限制来自麦克斯韦方程和弗里斯公式，运营商多花钱、设备商改进设计都绕不开它。信号在空中衰减得快，可行的办法只有两种：
- 缩短距离：把基站建得更密，让手机与基站离得更近；
- 提高天线的“聚焦”能力：用多天线阵列把能量集中射向目标方向，补回一部分损失。这部分内容将在 8.4 节结合香农定理和 MIMO 技术展开。
那么运营商为什么还要使用更高的频段？原因是高频段有更宽的可用带宽，能承载更高的数据速率。覆盖范围变小、速率上限变高，这是 5G 在物理层面做出的取舍。
8.1.4 小结：缝隙连接的两端
手机边框上的天线缝隙，一端连着功率放大器输出的高频电流，另一端连着麦克斯韦方程描述的电磁场。变化的电场与磁场相互激发，使能量能够脱离机身、以光速传播；弗里斯方程则说明，频率提高以后，这段旅程的损耗会大得多。所以看到街边路灯杆或楼顶上新装的小型基站时，可以把它和手机边框上那几道缝隙联系起来，两者受同一组物理规律支配。
无线电解决的是信息怎样离开手机。下一节转向信息怎样进入手机：镜头前的光子如何经过光电效应，变成图像传感器上的一组数字。