方波存在吗?

电器工程 天线 电磁 傅立叶 数学符号
2022-01-23 07:08:18

如果我们通过天线发送方波,我们会得到电场和磁场看起来像正方形的方波电磁波吗?此外,由于幅度突然/几乎跳跃,我们会得到像傅里叶变换预测的那样非常高频的正弦波吗?

3个回答

如您所知(因为您提到了傅立叶变换),方波可以表示(嗯,几乎 - 见下文)为无限系列正弦波的总和。但是不可能通过任何真实的物理天线发送真正的方波:当您沿着无限系列移动时,频率会越来越高,最终您将达到天线无法传输的频率,原因有很多. 如果你看一张电磁波谱图,你会发现超过一定频率的无线电波称为“光”,你的天线再好也可能达不到这些频率。

(但是,事实上,如果你有一个能够在很宽的带宽上传输的天线——也就是说,从非常低的频率到非常高的频率——并且你在它上面发送一些近似的方波,你会看到非常高频率出现,正如傅里叶变换所预测的那样。)

还有另一个问题:无论有多少正弦波,你都无法从任何有限的正弦波总和中得到真正的方波形状。这个问题更加理论化,实际上不太可能在实践中出现,但它被称为吉布斯现象事实证明,无论你的频率有多高,你的方波近似值总是会在从低到高和从高到低的大跳变处过冲。过冲的时间会越来越短,你的近似值越好(你去的频率越高。)但它的幅度永远不会下降;它收敛到跳跃大小的 9% 左右。

不,完美的数学方波在现实世界中不存在,因为方波不是连续函数(它在步骤中没有导数)。因此,您只能近似方波,并且近似值确实具有非常高的频率,并且在某些时候天线将无法发送这些,因此它将是一个低通滤波器。

与上述答案相比,在更一般的情况下,没有什么可以在零时间内停止或启动,即立即。这样做意味着无限高频分量将转化为无限能量。制约因素是狭义相对论的光速限制和量子力学不确定性原理。

您想要的过渡越剧烈,您必须向系统中注入的能量就越多