電磁波既能承載能量，又能承載信息，這一特性源于其物理本質和調制技術的結合。以下從能量承載和信息承載兩方面進行詳細解析：

一、電磁波如何承載能量？

電磁波的能量承載源于其電場和磁場的周期性振蕩，具體機制如下：

1. 電磁場的能量密度
   電磁波由相互垂直的電場（E）和磁場（B）組成，其能量密度（單位體積內的能量）為：

u=21?(?0?E2+μ0?B2?)

其中，?0?為真空介電常數，μ0?為真空磁導率。由于電磁波中E和B的振幅成正比（E=cB，c為光速），能量密度主要由電場強度決定。

1. 能量傳輸方式

   • 坡印廷矢量（S）：表示單位時間內通過單位面積的能量，方向為電磁波傳播方向：

S=μ0?1?E×B

• 實例：
  • 微波爐：利用2.45GHz的微波（低能量但穿透性強）使水分子振動，將電磁能轉化為熱能。
  • 太陽能：太陽光（可見光頻段）通過光電效應或熱效應被吸收，轉化為電能或熱能。

1. 能量與頻率的關系
   單個光子的能量由普朗克公式決定：

E=hν

其中，h為普朗克常數，ν為頻率。高頻電磁波（如X射線、伽馬射線）單個光子能量高，但總能量還取決于光子數量（即場強）。

二、電磁波如何承載信息？

電磁波通過調制技術將信息編碼到其振幅、頻率或相位中，具體方式如下：

1. 調制技術
   • 調幅（AM）：改變電磁波的振幅以承載信息。
     • 應用：傳統調幅廣播（如AM電臺）。
     • 特點：易受干擾，但傳輸距離遠。
   • 調頻（FM）：改變電磁波的頻率以承載信息。
     • 應用：調頻廣播（如FM電臺）、衛星通信。
     • 特點：抗干擾能力強，音質更好。
   • 調相（PM）與正交振幅調制（QAM）：
     • 調相：改變電磁波的相位（如數字通信中的PSK）。
     • QAM：同時調制振幅和相位，提高數據傳輸速率（如4G/5G、Wi-Fi）。
2. 信息編碼與解碼
   • 編碼：將數字或模擬信號轉換為電磁波參數的變化。
     • 數字信號：通過二進制（0/1）控制調制方式（如QPSK、16-QAM）。
     • 模擬信號：直接映射到振幅或頻率（如AM/FM廣播）。
   • 解碼：接收端通過解調技術還原原始信息。
     • 實例：手機接收5G信號時，通過QAM解調還原視頻流。
3. 多路復用技術
   為提高頻譜利用率，電磁波可同時承載多路信息：
   • 頻分復用（FDM）：將頻段劃分為多個子信道（如廣播電臺）。
   • 時分復用（TDM）：按時間分割信道（如TDD模式的5G）。
   • 碼分復用（CDM）：通過編碼區分用戶（如CDMA技術）。

三、能量與信息的協同關系

1. 能量是信息傳輸的基礎
   • 電磁波需具備足夠能量才能被接收端檢測到（如手機需接收微弱信號）。
   • 高頻電磁波（如毫米波）能量集中，適合短距離高速傳輸（如5G室內基站）。
2. 信息調制影響能量分布
   • 調制會改變電磁波的頻譜成分（如AM產生邊帶），需合理設計以避免能量浪費。
   • 實例：5G采用高階調制（如256-QAM）提高速率，但需更高信噪比（SNR）保證可靠性。
3. 能量效率與信息容量的平衡

   • 香農定理：信道容量（C）與帶寬（B）和信噪比（S/N）相關：

C=Blog2?(1+S/N)

四、實際應用案例

1. 無線通信（5G/Wi-Fi）
   • 能量：基站發射高頻電磁波（如28GHz毫米波），通過波束成形集中能量。
   • 信息：采用QAM調制，每符號攜帶更多比特（如1024-QAM）。
2. 衛星通信
   • 能量：使用Ku/Ka頻段（12–40GHz）提高增益，補償長距離衰減。
   • 信息：通過QPSK或8-PSK調制，兼顧速率和可靠性。
3. 光纖通信
   • 能量：激光（光波頻段）通過全反射傳輸，能量損耗極低。
   • 信息：采用相干調制（如DP-QPSK），實現Tb/s級傳輸。

總結

電磁波通過電場和磁場的振蕩承載能量，其總能量取決于頻率和場強；通過調制技術（如AM/FM/QAM）將信息編碼到振幅、頻率或相位中，實現無線傳輸。能量是信息傳輸的基礎，而信息調制需優化能量分布以提高效率。兩者協同作用，支撐了現代通信、能源傳輸和傳感技術的廣泛應用。