天线，近场和远场

计算机信号不是“在电磁波里面”，而是被加载到电磁波上，由电磁波作为载体传出去。计算机内部是 0 和 1 的数字信号，电磁波是连续的模拟波。无线传输的核心，就是把数字比特映射成电磁波的幅度、频率、相位等参数，接收端再从电磁波里把这些参数还原成 0 和 1。

计算机里的信号通常是电压高低，比如 0V 表示 0，3.3V 表示 1。它是一串离散的比特流。网卡、基带芯片处理这些比特，加上帧头、地址、校验、纠错码，准备发送。

但计算机信号频率很低，包含大量低频成分。直接把 0/1 电压接到天线上，几乎辐射不出去。原因是天线尺寸要和波长可比。低频电磁波波长很长，天线会巨大无比。所以必须把计算机信号搬到高频载波上。

对比特流加扰、加纠错码，比如卷积码、Turbo 码、LDPC 码。这样即使传输中有少量错误，接收端也能纠正。
把比特映射成调制符号。比如：
BPSK：1 个符号带 1 比特。
QPSK：1 个符号带 2 比特。
16QAM：1 个符号带 4 比特。
64QAM：1 个符号带 6 比特。
符号用幅度、相位或频率表示。

Wi-Fi、4G、5G 常用 OFDM。它把高速数据分到很多正交子载波上并行传输。发送端做 IFFT，把频域符号变成时域波形，再加循环前缀抵抗多径。

基带信号被搬到高频载波上。比如 Wi-Fi 用 2.4 GHz 或 5 GHz，5G 用 2.6 GHz、3.5 GHz、28 GHz 等。上变频就是把低频基带信号乘以高频载波。

信号被功率放大、滤波，送到天线。

天线里高频电流来回振荡，产生变化的电场和磁场。电场和磁场相互激发，向空间辐射，形成电磁波。这一步就是麦克斯韦方程组描述的：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，交替向前传播。

电磁波本身是模拟的连续波。信息加载在它的参数上：
调幅：用幅度变化表示 0 和 1。
调频：用频率变化表示 0 和 1。
调相：用相位变化表示 0 和 1。
QAM：同时用幅度和相位，一个符号携带多个比特。
极化：用电磁波极化方向携带信息。
OFDM：很多子载波各自调制，合起来传高速数据。

所以，计算机的 0/1 并没有变成电磁波本身，而是让电磁波的幅度、相位、频率按比特流变化。接收端检测这些变化，就能恢复比特。

无线电波在空间传播，不需要介质，真空中也能传。传播方式包括：
直射：收发之间没有遮挡，直接到达。
反射：碰到建筑、地面、金属，改变方向。
折射：穿过不同介质，路径弯曲。
绕射：绕过障碍物边缘。
散射：碰到粗糙表面或小颗粒，向多个方向散开。

因为反射和散射，接收端会收到多条路径的信号，这叫多径。多径会造成信号叠加，有时增强，有时抵消，形成衰落。移动时还会产生多普勒频移。噪声和干扰也会叠加在信号上。

接收天线感应到微弱电磁波，产生微小电流。然后：
1. 低噪声放大和滤波。
2. 下变频，把高频信号搬回基带。
3. 模数转换，变成数字采样。
4. 同步，找到符号边界和载波相位。
5. 信道估计和均衡，抵消多径影响。
6. FFT，OFDM 解调。
7. 解调和解映射，把符号还原成比特。
8. 信道解码，纠错。
9. 解扰，得到原始比特流。
10. 交给计算机协议栈，变成数据帧、IP 包、网页、视频等。

计算机信号在无线中传播，不只是物理层的事。空口协议负责手机和基站、电脑和路由器之间的无线链路，包括 PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC 等。上层再走 TCP/IP，负责端到端寻址、确认、重传、拥塞控制。

比如 Wi-Fi：
电脑数据 → 网卡 → 基带编码调制 → 射频上变频 → 天线 → 2.4/5 GHz 电磁波 → 路由器天线 → 下变频 → 解调解码 → 以太网/互联网。

比如 5G：
手机数据 → 基带芯片 → 射频芯片 → 天线 → 基站 → 核心网 → 互联网。

计算机信号是数字基带信号，不能直接远距离辐射。它先被编码、调制到高频载波上，再由天线变成电磁波。电磁波用幅度、频率、相位等参数承载 0 和 1，在空间中直射、反射、绕射、散射传播。接收端用天线感应电磁波，再放大、下变频、解调、解码，还原成计算机能处理的比特流。核心就是：数字信息加载到模拟电磁波上，电磁波当载体，接收端再反向还原。

天线里高频电流来回振荡，产生变化的电场和磁场。但这里要分两层看：近场和远场。真正用于“无线”通信的，是脱离天线、在空间中自由传播的电磁波，也就是远场辐射。

天线本质上是一个换能器，把电路里的高频电流变成空间中的电磁波，或者反过来把电磁波变成电流。

发射时：
发射机把高频交变电流送到天线。天线里的电荷来回加速运动。根据麦克斯韦方程组，加速运动的电荷会辐射电磁波。变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场又产生变化的电场，电场和磁场相互激发，向外传播。

接收时：
空间中的电磁波到达接收天线，天线的导体里感应出高频电流。接收机再放大、下变频、解调、解码，还原出数据。

所以天线是“电”和“波”之间的接口。

天线附近分两个区域：
近场：电磁场还“绑”在天线附近，能量在天线和空间之间来回交换，不真正辐射出去。近场用于无线充电、RFID、NFC 等。

远场：距离大于几个波长后，电磁波脱离天线，独立在空间传播，能量向外辐射。无线通信、广播、雷达、卫星、Wi-Fi、5G、无人机图传，用的都是远场辐射。

远场电磁波有电场和磁场相互垂直，且都垂直于传播方向。电场、磁场、传播方向构成右手关系。

无线，指传输路径上没有导线，信息靠电磁波在空间传播。但发射端和接收端内部仍然有电流和电路。整个链路是：
电信号 → 天线 → 电磁波 → 空间传播 → 接收天线 → 电信号
所以“无线”不是没有电，而是中间那段没有导线。电磁波在空间中传播，不需要介质，真空中也能传。

计算机数据是 0 和 1。它们先被调制到高频电流上，比如用 QAM 改变幅度和相位，用 OFDM 分成很多子载波。然后高频电流送到天线，天线辐射出电磁波。电磁波的幅度、相位、频率随数据变化。接收天线感应到电磁波，产生高频电流，再解调、解码，还原成 0 和 1。

所以无线传播的不是 0 和 1 本身，而是承载了 0 和 1 信息的电磁波。

天线尺寸和波长成正比。频率越高，波长越短，天线越小。手机、Wi-Fi、5G 用 GHz 频段，波长几厘米到几十厘米，天线可以很小。如果直接用低频计算机信号，波长几十公里，天线巨大，无法实用。

高频还有一个好处：带宽大。带宽越大，能传的数据率越高。5G 用毫米波，带宽大，速率高，但覆盖差、穿透弱。

电磁波在空间中会：
直射：直接到达。
反射：碰到建筑、地面、金属。
折射：穿过不同介质。
绕射：绕过障碍物。
散射：碰到粗糙表面或小颗粒。
多径：多条路径到达，造成衰落。
多普勒：相对运动造成频率偏移。
噪声和干扰：叠加在信号上。
接收端要同步、信道估计、均衡、解调、纠错，才能正确还原。

天线里的高频电流振荡，产生变化的电场和磁场；在远场，电磁波脱离天线，在空间中自由传播，这就是“无线”。无线通信就是：电信号调制到高频电流上，天线把电流变成电磁波，电磁波在空间传播，接收天线再把电磁波变成电流，最后还原成数据。无线不是没有电，而是中间没有导线，靠电磁波当载体。

近场主要用于基于磁感应、磁耦合或电容耦合的短距离无线能量与信息传输。它和远场通信不是一回事。远场靠电磁波辐射，近场靠感应场耦合，能量在发射端和接收端之间来回交换，不真正向外辐射。

天线附近分为近场和远场。近场通常指距离小于约一个波长量级的区域，更严格说，小天线近场边界约在 λ/(2π) 附近。在这个区域里，电场和磁场还没有完全形成稳定的辐射波，感应场占主导。能量主要在天线和附近空间之间来回振荡，而不是持续向外辐射。

远场则是电磁波脱离天线，独立在空间传播，能量向外辐射。Wi-Fi、5G、广播、卫星、无人机图传，用的都是远场。

近场有几个特点：
距离短，但耦合强。
能量集中，效率高。
方向性和对准要求相对可控。
不容易对外界造成大范围干扰。
适合无源设备取电。
安全性较好，必须靠近才能通信或充电。
所以，近场特别适合“贴近式”或“短距离”应用。

手机无线充电、电动车无线充电，主要用磁感应或磁共振。
磁感应式：发射线圈通高频交流电，产生交变磁场。接收线圈靠近后，感应出交流电动势，再整流成直流，给电池充电。这本质上是一个松耦合变压器。Qi 标准常用 87 到 205 kHz，距离几毫米到几厘米。
磁共振式：发射和接收线圈都调谐到同一谐振频率，比如 6.78 MHz。这样可以在稍远距离、较大偏移下保持较高效率。电动车无线充电、部分工业无线供电会用这种方式。

无线充电的频率较低，波长很长，天线尺寸巨大。所以它不靠天线辐射，而靠线圈之间的近场磁场耦合。

NFC 是近场通信，标准频率 13.56 MHz，典型距离小于 10 厘米，通常 4 厘米以内最可靠。
NFC 也是磁感应耦合。读写器产生交变磁场，NFC 标签或手机里的线圈感应出电，同时通过负载调制把数据传回去。NFC 支持三种模式：卡模拟、读写器、点对点。

无源 NFC 标签没有电池，靠读写器的磁场取电。手机刷公交、门禁、支付，都是这个原理。

RFID 分低频、高频、超高频、微波，不同频段工作方式不同。
低频 RFID：125 kHz 或 134 kHz。近场磁感应，距离几厘米，穿透水、金属能力较好，常用于动物标签、门禁、巡检。
高频 RFID：13.56 MHz。近场磁感应，距离几厘米到 1 米，常用于公交卡、图书管理、NFC 兼容标签。
超高频 RFID：860 到 960 MHz。这个频段波长约 30 多厘米，近场区域很小，实际工作多在远场。它靠反向散射：读写器发电磁波，标签天线接收一部分能量给自己供电，再通过改变天线阻抗反射回去，把数据传回读写器。距离几米到十几米，常用于物流、仓储、零售。
微波 RFID：2.45 GHz 或 5.8 GHz，也是远场反向散射，距离更远，但穿透差。
所以 RFID 不全是近场。低频和高频 RFID 是近场磁耦合，超高频和微波 RFID 是远场反向散射。

近场：距离短，感应场主导，磁场或电场耦合，能量不持续辐射，适合无线充电、NFC、低频高频 RFID。
远场：距离远，辐射场主导，电磁波传播，能量向外辐射，适合 Wi-Fi、5G、广播、卫星、无人机图传、雷达。

近场通信不等于没有电磁波，而是感应场占主导，能量在近距离内交换。远场通信才是真正把电磁波辐射到空间。

近场用于无线充电、RFID、NFC，是因为这些应用需要短距离、高效率、无源取电和安全耦合。无线充电靠磁感应或磁共振，NFC 和低频高频 RFID 靠 13.56 MHz 等磁感应耦合，超高频 RFID 则进入远场，靠反向散射工作。近场不是辐射电磁波，而是感应场耦合；远场才是真正的无线电磁波传播。

“安全耦合”不是严格的标准术语，更像是对近场无线充电、NFC、RFID 这类应用的一个概括说法。它的意思是：通过近场磁感应、磁共振或电容耦合，在很短距离内实现能量或信息的可控传递，同时因为距离短、功率低、不广域辐射、电气隔离，所以相对远场无线通信更“安全”。

近场耦合靠的是感应场，不是远场辐射。发射线圈产生交变磁场，接收线圈靠近后感应出电流。能量主要集中在线圈附近，随着距离增加衰减很快。远处几乎没有可用的能量和信号。
距离短，通常几毫米到几厘米，NFC 一般小于 10 厘米，Qi 无线充电几毫米到几厘米。
能量集中，效率高，不会像基站或 Wi-Fi 那样大范围覆盖。
频率较低，NFC 是 13.56 MHz，Qi 是 87 到 205 kHz，属于非电离辐射。
磁场耦合对生物组织的影响通常比高频远场辐射更小，但强磁场仍需控制。
对外界干扰小，别人离得远就收不到、也用不了。

这就是“安全耦合”的物理基础：不是绝对安全，而是作用范围被物理规律限制住了。

无线充电和 NFC 无源标签还有一个重要特点：发射端和接收端没有直接电气连接。这叫电气隔离。
好处是：
避免插头裸露、漏电、短路。
避免地环路和电压差。
防水、防尘、防触电。
设备可以完全密封。

但无线充电也有风险，比如金属异物放在线圈上会发热。所以 Qi 等标准要求异物检测，英文 FOD，检测到金属、钥匙、硬币等就停止或降低功率。还有温控、过流保护、过压保护、通信握手，确保只给合法设备充电。

所以能量层面的安全耦合，靠的是：电气隔离、异物检测、功率控制、温度保护、通信认证。

NFC 支付、门禁、公交卡，常被说成安全，是因为：
必须靠近，通常 4 厘米以内，远距离难以窃听。
通信方向性强，耦合区域有限。
支持加密和认证，比如动态密钥、会话密钥、MAC。
支付场景还有 Tokenization，真实卡号不直接暴露。
EMVCo、NFC Forum、ISO 14443 等标准定义了安全机制。
手机支付还有安全元件、可信执行环境、指纹或人脸验证。
但要注意，NFC 不是绝对安全。存在中继攻击：攻击者用两个设备把距离拉长，一个靠近卡，一个靠近读卡器，中间转发信号。还有侧信道、干扰、拒绝服务、隐私追踪等风险。所以“安全耦合”只是相对安全，不是不可攻破。

近场耦合还有一个好处：必须对准、靠近，才能建立连接。这带来天然配对：
不会像蓝牙那样误连到远处设备。
不会像 Wi-Fi 那样被远处嗅探。
用户动作明确，碰一碰、贴一贴。
适合支付、门禁、配对、标签读取。
这种“物理接近即授权”的机制，本身就是一种安全策略。

低频和高频 RFID，比如 125 kHz、13.56 MHz，是近场磁耦合，距离短，相对安全。
超高频 RFID，比如 860 到 960 MHz，实际工作在远场，靠反向散射，距离几米到十几米。它也能加密和认证，但物理距离限制弱得多，隐私风险更高。
所以“安全耦合”主要适用于近场磁耦合那一类，不是所有 RFID 都算。

安全耦合，指的是近场无线充电、NFC、低频高频 RFID 这类技术，通过短距离磁感应或磁共振传递能量和信息。它安全，是因为距离短、能量不广域辐射、频率非电离、发射接收电气隔离、有异物检测和功率控制、有加密认证和物理接近授权。但它不是绝对安全，仍可能被中继攻击、干扰、侧信道和隐私追踪。安全耦合的本质是：用物理距离和近场衰减，把风险限制在一个很小的范围内。

[证券通]李娜:A0330623100002

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