電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)中的應(yīng)用

李德剛

（山西省無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心忻州站，山西 忻州 034000）

引言

隨著信息技術(shù)不斷的深入與發(fā)展，先進(jìn)的信息技術(shù)在我國(guó)的生活領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。而電磁場(chǎng)與電磁波作為電子通信技術(shù)重要的組成部分，在很大程度上推動(dòng)著電子通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，充分發(fā)揮電磁場(chǎng)與電磁波的作用，進(jìn)而推動(dòng)電子通訊技術(shù)的快速，穩(wěn)定發(fā)展。

1 電磁波與電磁場(chǎng)內(nèi)容概述

1.1 電磁場(chǎng)

縱觀電磁場(chǎng)的發(fā)展歷程而言，可以追溯到16世紀(jì)下半葉，吉伯特開(kāi)始對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行研究。電磁場(chǎng)主要是一種由帶電體所產(chǎn)生的一種物理場(chǎng)，電磁場(chǎng)當(dāng)中的帶電體能夠感應(yīng)到電磁場(chǎng)的作用力。19世紀(jì)20年代，著名的物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)，英國(guó)物理學(xué)家邁克爾·法拉第經(jīng)過(guò)大量的反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)電流與電磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化量存在密切的關(guān)系，并且感應(yīng)電流的產(chǎn)生受到電磁場(chǎng)強(qiáng)度變化所影響。英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋在法拉第提出電與磁研究的基礎(chǔ)上深入研究，最終提出了位移電流等概念，為電磁場(chǎng)理論的研究做出了重要的貢獻(xiàn)。

1.2 電磁波

19世紀(jì)60年代，電磁波由麥克斯韋正式提出。德國(guó)物理學(xué)家赫茲經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，首次證明電磁波的真實(shí)存在。電磁波是由相同并且相互垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)，在空間以波的形式進(jìn)行移動(dòng)。并且以波動(dòng)的形式進(jìn)行傳播的電磁場(chǎng)，具有波粒二象性。此外，電磁波的傳播方向與電場(chǎng)及磁場(chǎng)構(gòu)成相互垂直。頻率是電磁波最重要的特性，按照頻率的順序把這些電磁波排列起來(lái)，就是電磁波譜。如果把每個(gè)波段的頻率由低至高依次排列的話，它們是無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線及γ射線[1]。電磁波在實(shí)際的傳播過(guò)程當(dāng)中，完全不需要任何介質(zhì)，相同頻率的電磁波在不同的介質(zhì)當(dāng)中的傳播速度不同。而不同頻率的電磁波在相同的介質(zhì)當(dāng)中傳播，傳播頻率與傳播速度成反比例的關(guān)系。因此，電磁波在只有處于同種介質(zhì)當(dāng)中，才能夠?qū)崿F(xiàn)其直線傳播。

1.3 電磁場(chǎng)與電磁波之間的聯(lián)系

電磁場(chǎng)有一定的內(nèi)在聯(lián)系，是電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互統(tǒng)一體。基于時(shí)間的作用下，電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間可以相互轉(zhuǎn)化，二者是一種互為因果的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)主要是帶電粒子進(jìn)行變速運(yùn)動(dòng)而引起的，也是電流發(fā)生強(qiáng)弱的變化而引起的。電磁場(chǎng)是一種物質(zhì)存在形式，具有動(dòng)量以及能量。而電磁波作為電磁場(chǎng)當(dāng)中的一種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，在高頻電磁發(fā)生振蕩的情況下，其內(nèi)部能量以輻射的方式進(jìn)行傳播，并且在此過(guò)程當(dāng)中所形成的磁波與電波統(tǒng)稱為電磁波。當(dāng)電振蕩處于低頻的狀態(tài)下，磁場(chǎng)與電場(chǎng)之間相互變化呈現(xiàn)出較為緩慢的趨勢(shì)，在此過(guò)程當(dāng)中幾乎沒(méi)有能量向外界傳輸，幾乎所有的能量都返回原電路當(dāng)中。電振蕩處于高頻的狀態(tài)時(shí)，磁場(chǎng)與電場(chǎng)之間的變化不斷增加，部分能量返回到磁場(chǎng)當(dāng)中，部分能量隨著電場(chǎng)及磁場(chǎng)的變化，以電磁波的形式向空間傳播出去。

從能量的角度看，電磁波是電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)形式，變化的電磁場(chǎng)，如水波，圍繞某一點(diǎn)圍繞中心傳播，其在空間中的傳播形成電磁波。電磁波具有低頻和高頻。在低頻電振蕩中，磁電變化緩慢，能量傳遞很小，低頻電磁波難以輻射;在高頻電磁波中，由于磁性電流之間的變化較快，而振蕩電路不能完全恢復(fù)能量。擴(kuò)散出的能量的一部分可以在沒(méi)有任何介質(zhì)的情況下向外傳輸形成輻射。

2 電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)中的應(yīng)用分析

2.1 在微波通信中的應(yīng)用

電磁波的產(chǎn)生主要來(lái)源于電磁場(chǎng)，電磁波作為微波通信當(dāng)中各類(lèi)信息的重要載體，因此電磁波與電磁場(chǎng)在微波通信中的應(yīng)用，發(fā)揮著舉足輕重的作用。在微波通信的應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，由于電磁波上被加載了各類(lèi)信息，并且以光的速度在空間中進(jìn)行迅速傳播。如果在其實(shí)際的傳播過(guò)程當(dāng)中，遇到能夠接收信號(hào)的裝置，該裝置對(duì)于信號(hào)的獲取，主要是通過(guò)過(guò)濾電磁波而實(shí)現(xiàn)。此外，由于受到波長(zhǎng)的限制，微波在實(shí)際的傳播當(dāng)中經(jīng)常會(huì)受到物體的阻礙，在一定程度上降低了通信的整體質(zhì)量。為了緩解增強(qiáng)通信的質(zhì)量，強(qiáng)化微波的傳輸作用，經(jīng)常會(huì)采用接力傳輸?shù)姆绞絒1]。并且在微波的傳播過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)分段安裝增強(qiáng)信號(hào)的裝置，減少信號(hào)傳播過(guò)程當(dāng)中的消耗，進(jìn)而增加信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。

2.2 在衛(wèi)星通訊當(dāng)中的應(yīng)用

隨著各國(guó)對(duì)衛(wèi)星通訊技術(shù)不斷研究，促進(jìn)電磁場(chǎng)與電磁波在衛(wèi)星通訊當(dāng)中應(yīng)用。衛(wèi)星通訊在信號(hào)傳輸中，主要將衛(wèi)星作為傳播的載體，對(duì)各類(lèi)傳播的電磁信息進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。衛(wèi)星通訊技術(shù)在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程當(dāng)中，主要將人造地球衛(wèi)星作為通訊的中轉(zhuǎn)站[2]。當(dāng)前，衛(wèi)星通訊技術(shù)信號(hào)傳輸主要通過(guò)以下三種方式進(jìn)行[3]，主要包括海洋通訊站、大氣通訊站、地面通訊站三種形式。此外，在衛(wèi)星通訊傳播時(shí)，完全可以利用衛(wèi)星傳播的模式進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)信號(hào)的傳輸。除了上述情況外，衛(wèi)星通訊與微波通訊在其信號(hào)的實(shí)際傳輸過(guò)程，只有發(fā)揮其中轉(zhuǎn)站的功能，才能夠完成相關(guān)信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙ぷ?。例如，?dāng)前，同步衛(wèi)星在我國(guó)社會(huì)各個(gè)生活領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，電磁場(chǎng)、電磁波與同步衛(wèi)星的應(yīng)用，仍然存在密切的聯(lián)系，為同步衛(wèi)星的信號(hào)傳輸發(fā)揮著重要的作用[4]。

2.3 在移動(dòng)通訊當(dāng)中的應(yīng)用

目前，移動(dòng)通訊在實(shí)際生活當(dāng)中廣泛應(yīng)用，移動(dòng)通訊是電磁波與電磁場(chǎng)應(yīng)用的主要表現(xiàn)形式。國(guó)外對(duì)移動(dòng)通訊技術(shù)的研究主要在20世紀(jì)20年代，而移動(dòng)通訊技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用主要追到20世紀(jì)80年代。在此期間，信息傳輸主要依靠模擬技術(shù)，我國(guó)對(duì)模擬技術(shù)進(jìn)行了不斷的深入研究，移動(dòng)通訊的2G與3G通訊相繼問(wèn)世。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)4G技術(shù)的研發(fā)，主要是繼承了3G技術(shù)的基礎(chǔ)[5]。當(dāng)前，5G作為一種新型移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，峰值速率需要達(dá)到10~20 Gbit/s，空中接口時(shí)延低至1 ms，頻譜效率要比LTE提升3倍以上，具有極高的速率（eMBB）、極大的容量（mMTC）、極低的延時(shí)（URLLC）等特征。5G的廣泛應(yīng)用，不僅要解決通信問(wèn)題，而且可以提供虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清等更加身臨其境體驗(yàn)，解決人與物、物與物通聯(lián)，成為支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型和無(wú)人值守、元宇宙等概念和前景的關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施。

3 結(jié)語(yǔ)

電磁場(chǎng)與電磁波在電子通訊技術(shù)當(dāng)中的應(yīng)用，極大地改變了人們的生活方式，為人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)重要的影響。此外，由于電磁場(chǎng)與電磁波的開(kāi)發(fā)利用，提升電磁頻譜使用效率，研發(fā)新技術(shù)，提出新概念，將這種技術(shù)應(yīng)用到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，電磁場(chǎng)與電磁波在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，將會(huì)被應(yīng)用到人類(lèi)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)新科技概念，為人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步與發(fā)展而作出更大貢獻(xiàn)。