電磁場與電磁波在電子通訊中的應(yīng)用

張皓宇

摘 要：電磁場的作用產(chǎn)生了電磁波，而信息可以通過電磁波為載體進(jìn)行傳播，現(xiàn)如今我們所使用的一切電子設(shè)備通訊功能都離不開電磁場與電磁波。電磁場與電磁波推動了通信技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)也促進(jìn)了電磁場與電磁波的進(jìn)一步研究，可以說他們是相互影響的。本文將對電磁場與電磁波的基本作用原理以及通訊中的用途和應(yīng)用方式進(jìn)行研討，希望可以為通訊行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電磁場;電磁波;應(yīng)用;電子通訊

中圖分類號：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0017-02

0 引言

電磁場與電磁波從被發(fā)現(xiàn)到證實(shí)再到現(xiàn)如今的應(yīng)用可以說是經(jīng)歷了漫長的歷程，現(xiàn)在生活中的一切基本都離不開電磁場與電磁波，我們所使用的通信方式大多都是電磁波通訊，電磁場與電磁波對于現(xiàn)在的信息時代極為重要，它提高了信息傳遞的速度、效率和準(zhǔn)確度，所以說，我們有必要對電磁場與電磁波對信息傳遞的應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步研究分析。

1 電磁場與電磁波的概述

1.1 電磁場與電磁波發(fā)展歷程

1.1.1 電與磁

英國科學(xué)家吉爾伯特最先發(fā)現(xiàn)了電和磁之間有著密切的關(guān)系，但由于當(dāng)時技術(shù)的限制，他只能發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象而無法對其本質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步探究，但是這個發(fā)現(xiàn)卻為之后的電磁研究奠定了基礎(chǔ)。

1.1.2 法拉第對電磁學(xué)的研究

繼吉爾伯特之后，法拉第進(jìn)一步對電磁之間的關(guān)系進(jìn)行研究。他通過實(shí)驗(yàn)的方式，將磁棒插入導(dǎo)線圈產(chǎn)生了電流以此證明了電與磁之間的關(guān)系。為之后得出位移電流等概念奠定了基礎(chǔ)。

1.1.3 麥克斯韋與電磁場

在以上科學(xué)家、學(xué)者做出貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，英國物理學(xué)家麥克斯韋經(jīng)過不懈努力后，測出了電磁場的存在，并發(fā)現(xiàn)了電與磁的宏觀基本規(guī)律，并且建立了電場、磁場的偏微分方程組，這其中也包含了電荷密度、電流密度的關(guān)系。由此，電磁場與電磁波的完整理論正式建立起來，并且在不斷發(fā)展與完善[1]。

1.2 電磁場與電磁波的關(guān)系

1.2.1 電磁場的基本概念

所謂電磁場其實(shí)是一種帶電物體產(chǎn)生的一種物理場，這種場會使處于場中的帶電物體產(chǎn)生力的作用。電磁場是電場和磁場隨時間互相因果轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的，磁場是由移動的電荷或電場產(chǎn)生，而電場中磁通量的變化又產(chǎn)生了電流。所以電磁場的產(chǎn)生方式有兩種：有加速度的帶電粒子產(chǎn)生;也可由強(qiáng)弱變化的電流產(chǎn)生。

1.2.2 電場與磁場的作用方式

電場的作用方式表現(xiàn)為對在電場中移動的電荷做功（即電場的能量）而磁場的作用方式表現(xiàn)在對放入其中磁體產(chǎn)生力的作用。

1.2.3 電磁波

電磁波是電磁場的一種表現(xiàn)形式，電磁場以光速傳播產(chǎn)生了電磁波。本質(zhì)上來講，電磁波是由電場和磁場在空間中相互垂直衍射放射的震蕩粒子波，三者相互垂直。電磁波的傳播速度為光速，無需介質(zhì)。因?yàn)殡姶挪ㄊ菣M波，當(dāng)其能階躍遷過輻射臨界點(diǎn)，便以光的形式向外輻射，此階段波體為光子，電磁波按照不同的頻率分為：無線電波、微波、紅外線和可見光等。并且光的波長越長，頻率也就越低，而光是由放射源產(chǎn)生的，放射源溫度越高，波長越短。電磁波輻射的原理便是電磁場會以一個點(diǎn)為中心向四周移動形成電磁波，在較高頻的電磁波的震蕩過程中電與磁的轉(zhuǎn)換極為快速而無法收回全部轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的能量而損耗能量，丟失的能量會擴(kuò)散出去，這就是電磁波輻射原理[2]。

2 電磁場與電磁波在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用簡介

2.1 應(yīng)用方式

電磁波廣泛應(yīng)用于通信行業(yè)，主要應(yīng)用于移動通訊、微波通訊以及衛(wèi)星通訊。

2.1.1 移動通訊

第一代通訊技術(shù)采用的蜂窩移動通信技術(shù)，但隨著用戶的增多和用戶需求提升，隨之發(fā)展起來的傳輸技術(shù)取代了蜂窩技術(shù)，這就是第二代移動通信技術(shù)，這兩代技術(shù)為通訊技術(shù)的發(fā)展起到了重要的基礎(chǔ)作用。第三代通訊技術(shù)（即3G）在上一代基礎(chǔ)上大大提高了傳輸速度，此外還與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了較為全能化的通訊技術(shù)，這使人們的出行通訊變得更加便利。此時三大電信運(yùn)營商主推了WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA[3]。這使電子通信技術(shù)不僅使無線頻率的利用效率空前提升，而且通信速度也更快，同時還能支持各類多媒體功能的服務(wù)。而如今的第四代通訊技術(shù)（4G）進(jìn)一步提升了傳輸速度，速度達(dá)到100MB/s，也優(yōu)化了無線頻率應(yīng)用效率，完美與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。相比第三代，第四代還添加了頻率轉(zhuǎn)換這一功能使得通信技術(shù)更為便捷。5G通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)近年來被多個國家爭奪，我國自然也不甘落后，可以預(yù)見，未來的5G通信系統(tǒng)中，電磁場和電磁波的應(yīng)用水平會進(jìn)一步提升，功能和配置也會進(jìn)一步完善，這必將給用戶帶來更好的移動通信體驗(yàn)。

2.1.2 微波通訊

電磁波在微波通訊中發(fā)揮了極大作用，電磁波通過傳送載體的方式來實(shí)現(xiàn)信息傳遞。在微波通訊領(lǐng)域中所使用的電磁波波長通常在0.1毫米到1米之間，微波通訊是直接以電磁波為傳輸介質(zhì)，因?yàn)槲⒉úㄩL小、頻率高，所以其傳播效率高、容量大、質(zhì)量好、傳輸損耗小、抗干擾能力強(qiáng)。但也正因?yàn)槲⒉ㄒ驗(yàn)椴ㄩL較小的緣故，所以在傳輸中很容易遭到物體阻礙，而這會致使通信質(zhì)量急劇下降，因此為了加強(qiáng)微波的傳輸作用，現(xiàn)實(shí)中一般會采用接力傳輸?shù)姆绞?，即每隔一定距離就設(shè)置一個微波增強(qiáng)裝置，通過對微波信號的增強(qiáng)來彌補(bǔ)中途傳輸?shù)南摹Ｒ虼宋⒉ㄍㄓ嵍嘤糜谕ㄐ啪W(wǎng)，以及軍事通信領(lǐng)域，是一項(xiàng)高效的傳輸技術(shù)。

2.1.3 衛(wèi)星通訊

衛(wèi)星通訊最早起始于二戰(zhàn)，電磁波與電磁場的技術(shù)因此得到了廣泛的應(yīng)用，從1958年美國第一顆服務(wù)與通訊技術(shù)的衛(wèi)星發(fā)射，到1964年衛(wèi)星導(dǎo)航的問世，再到1969定點(diǎn)同步衛(wèi)星的成功發(fā)射，衛(wèi)星通訊開始被世界認(rèn)可并成為重要的通訊方式。在中國，衛(wèi)星通訊也是得到廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)七十年代發(fā)展到現(xiàn)在，中國已經(jīng)和200多個國家通過衛(wèi)星通訊展開了通訊業(yè)務(wù)。衛(wèi)星通訊系統(tǒng)是由三個軌道形成，根據(jù)不同的位置與高度分為低軌道衛(wèi)星、同步衛(wèi)星、高軌道衛(wèi)星，衛(wèi)星系統(tǒng)的相互配合傳輸不僅提高了電磁信息的傳遞效率，還增大了衛(wèi)星覆蓋面積。我們出行所使用的導(dǎo)航、天氣預(yù)報(bào)以及新聞都是衛(wèi)星通訊技術(shù)所給予的。而這正是基于電磁場與電磁波的理論應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展。

2.2 傳輸原理與關(guān)鍵技術(shù)

電磁波傳輸原理：不論是微波通訊還是衛(wèi)星通訊，其都是以電磁波作為信息載體進(jìn)行傳播，而電磁波正是由電磁場的定向移動形成的。電磁波以光速在空氣中攜帶信息傳播，在傳播過程中由于濾波器的影響會造成濾波作用，這樣可以對電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行選擇濾除，得到一個特定頻率的電源信號[4]，或消除一個特定頻率后的電源信號。由于微波的頻率極高，波長又很短，故在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進(jìn)，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此微波通信的主要方式是視距通信，超過視距以后需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)，所以通信時，需要每隔50公里左右，就設(shè)置一個中繼站，將電磁波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸，這種通信方式，可以經(jīng)過幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。

關(guān)鍵技術(shù)（MIMO）：該技術(shù)是指在發(fā)送機(jī)和接收機(jī)之間采用多個無線收發(fā)器來建立多個信道通道，從而能夠在不增加帶寬的情況成倍改善UE的通信質(zhì)量或提高通信效率的技術(shù)[5]，MIMO技術(shù)的主要作用有兩個：一是通過為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益來提高信道容量，二是提升空間分集增益來防止信道衰落。隨著移動通信技術(shù)的不斷進(jìn)步、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷更新發(fā)展、用戶需求的不斷增加，4G系統(tǒng)終將會被取代，而MIMO數(shù)據(jù)傳輸速率理論上可以提升到每秒千兆比特，這也為5G技術(shù)的開展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5G技術(shù)大量應(yīng)用了單位比特消耗MIMO技術(shù)，但是在目前的小區(qū)蜂窩天線配置模式下，MIMO傳輸系統(tǒng)會出現(xiàn)頻譜和功率提升的問題，為此，通信工作者提出用大規(guī)模陳列天線替代蜂窩天線，由此形成大規(guī)模的MIMO無線通信環(huán)境，來改善相關(guān)問題。

3 結(jié)語

通過上文所敘述的內(nèi)容可以看出如今的各種通訊技術(shù)都離不開電磁波，而電磁波的本身便是由電磁場產(chǎn)生的，電磁波通信的發(fā)展離不開先前科學(xué)家對電磁場等基礎(chǔ)理論的研究，所以說今天的科技世界是科學(xué)家們打下的基礎(chǔ)，前沿的科技是以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)理論為基礎(chǔ)，所以我們要加強(qiáng)對以電磁波電磁場為例的基礎(chǔ)科學(xué)的重視，用科學(xué)帶動科技不斷發(fā)展！

參考文獻(xiàn)

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[3] 陳玉林.電磁場與電磁波在電子通信技術(shù)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015，12（31）：33-34.

[4] 遲航民.電子通信技術(shù)中電磁場與電磁波的應(yīng)用分析[J].科技風(fēng)，2017（10）：70.

[5] 凌璟.子通信技術(shù)中電磁場和電磁波的運(yùn)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（16）：146.