電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)中的應(yīng)用

趙 娟

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191）

0 引 言

電子通信是電子工程中的重要技術(shù)，其主要起到信息傳輸和處理的作用，拉近了人與人之間的距離，提高了社會(huì)各項(xiàng)生產(chǎn)力。電磁場(chǎng)與電磁波是促進(jìn)通信技術(shù)發(fā)展的2大介質(zhì)，2者之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)性，將其應(yīng)用在電子通信技術(shù)中，能夠滿足人們多樣化的通信需求。

1 電磁場(chǎng)與電磁波

1.1 電磁場(chǎng)

電磁場(chǎng)是由帶電物體所產(chǎn)生的一種物理場(chǎng)，其主要由內(nèi)在聯(lián)系與相互依存的電場(chǎng)與磁場(chǎng)所構(gòu)成，可以由帶電的粒子引起，也可以由強(qiáng)弱變化的電流引起。電磁場(chǎng)以光速向四周傳播，形成電磁波，具有一定的能量以及動(dòng)量，以物質(zhì)的方式存在，其性質(zhì)、特征以及運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律均由麥克斯韋方程組確定[1]。根據(jù)時(shí)間變化的不同，電磁場(chǎng)分為時(shí)變電磁場(chǎng)和靜態(tài)電磁場(chǎng)，其中時(shí)變電磁場(chǎng)所產(chǎn)生的效應(yīng)對(duì)電工技術(shù)發(fā)展起到了決定性作用。

1.2 電磁波

電磁波的主要構(gòu)成元素是震蕩粒子波，由互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射而成，主要以波動(dòng)的方式傳輸。電磁波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及傳播方向互相垂直，因此可以斷定電磁波是橫波。電場(chǎng)與磁場(chǎng)總會(huì)同時(shí)出現(xiàn)和消失，并可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此將電波與磁波統(tǒng)稱為電磁波。從量子力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，電磁波的能量以一份份的光子呈現(xiàn)，在一定的頻率范圍內(nèi)可以被肉眼識(shí)別到[2]。

2 電子通信技術(shù)的發(fā)展歷程

1820年，丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。1831年，法拉第首次發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為后期電磁式電報(bào)機(jī)的發(fā)明奠定了良好的基礎(chǔ)。1844年，美國(guó)科學(xué)家莫爾斯利用長(zhǎng)途電波通信實(shí)現(xiàn)了全球第一份電報(bào)的遠(yuǎn)程輸送。隨著對(duì)電磁波與電磁場(chǎng)的深入研究，進(jìn)一步推動(dòng)了通信技術(shù)的發(fā)展。1876年，貝爾發(fā)明了電話機(jī)，預(yù)示著人們傳遞信息將不再僅僅依靠文字形式開展[3]。

進(jìn)入電通信階段，電磁波與電磁場(chǎng)理論得到了進(jìn)一步的發(fā)展。1891年，美國(guó)人史瑞喬發(fā)明了自動(dòng)電話選擇器，實(shí)現(xiàn)了電話線路自動(dòng)聯(lián)通[4]。隨著無(wú)線電技術(shù)的問(wèn)世，電視、廣播等媒體技術(shù)也進(jìn)入了大眾的視野。1964年，世界上第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)誕生，不僅推動(dòng)了通信技術(shù)的發(fā)展，還改變了人們的生產(chǎn)與生活方式。1992年以后，全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM） 的應(yīng)用也使得電子通信技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)前所未有的發(fā)展時(shí)期，從原有的1G、2G、3G網(wǎng)絡(luò)到現(xiàn)在高速率、高穩(wěn)定性的4G、5G網(wǎng)絡(luò)都離不開電磁場(chǎng)與電磁波理論的加持，為提高社會(huì)生產(chǎn)力做出了貢獻(xiàn)[5]。

3 電子通信技術(shù)中電磁場(chǎng)和電磁波的應(yīng)用

3.1 在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用

衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站實(shí)現(xiàn)無(wú)線電的轉(zhuǎn)發(fā)，保證2個(gè)或2個(gè)以上的地球站之間能夠?qū)崿F(xiàn)通信作業(yè)。衛(wèi)星通信中充分應(yīng)用了電磁場(chǎng)與電磁波原理，使得信息可以實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙輸送。衛(wèi)星通信運(yùn)作原理如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星通信運(yùn)作原理

以甚小口徑衛(wèi)星通信終端（Very Small Aperture Terminal，VSAT）衛(wèi)星通信技術(shù)為例，在其中利用電磁場(chǎng)與電磁波可以提高通信作業(yè)的智能性，為人們提供更加豐富、直接的服務(wù)，包括傳輸業(yè)務(wù)、業(yè)務(wù)支撐、支撐管理以及管理操作等。在環(huán)境復(fù)雜的條件下，仍然可以完成低能耗、高集成、準(zhǔn)確通信作業(yè)，當(dāng)前主要應(yīng)用于大型基建工程和軍事等方面[6]。

隨著電磁場(chǎng)與電磁波理論的深度發(fā)掘，依據(jù)通信衛(wèi)星使用性能的不同，目前大致可以分為大氣通信站、海洋通信站、地面通信站。應(yīng)用電磁場(chǎng)與電磁波原理可以提高衛(wèi)星通信的強(qiáng)度，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積更廣，不容易受距離和運(yùn)營(yíng)商的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)1個(gè)網(wǎng)絡(luò)多個(gè)業(yè)務(wù)作業(yè)的通信模式。同步衛(wèi)星相對(duì)關(guān)系如圖2所示。

圖2 同步衛(wèi)星相對(duì)關(guān)系

3.2 在移動(dòng)通信技術(shù)中的應(yīng)用

以全入網(wǎng)通信系統(tǒng)（Total Access Communications System，TACS）模擬數(shù)字信號(hào)移動(dòng)設(shè)備為例，其通過(guò)信號(hào)模擬和頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）的方式，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)通信技術(shù)的突破。5G技術(shù)在原有4G技術(shù)傳輸速度快、連接方式多樣化的基礎(chǔ)上，又提高了通信作業(yè)的穩(wěn)定性，能夠?yàn)橛脩籼峁┨摂M現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、3D視頻等智能服務(wù)，提升了人、機(jī)、物之間的互聯(lián)共通性[7]。

以構(gòu)建智慧園區(qū)為例，充分發(fā)揮電磁場(chǎng)與電磁波所具備的優(yōu)勢(shì)。利用5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多信息、高速率傳輸?shù)哪繕?biāo)，空中接口時(shí)延不足1 ms，并且支持多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，企業(yè)可以根據(jù)自身的實(shí)際需求設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)，有效解決了園區(qū)范圍大不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋的問(wèn)題。電磁波與電磁場(chǎng)在電子通信技術(shù)的革新中發(fā)揮著重要作用，改變了人們的生活與生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)流程的轉(zhuǎn)型。

3.3 在微波通信技術(shù)中的應(yīng)用

微波通信技術(shù)需要利用0.1 mm～1 m波長(zhǎng)的電磁波完成通信，所對(duì)應(yīng)的頻率范圍在300 MHz～3 000 GHz。微波通信技術(shù)直接利用微波作為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)通信，無(wú)須其他固體介質(zhì)的加持。如果2個(gè)通信點(diǎn)之間的距離是直線，則能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)障礙傳送，具備容量大、質(zhì)量高、距離遠(yuǎn)的特征，當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于各類專用通信網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)信道性質(zhì)和傳輸媒質(zhì)的不同，可以將微波技術(shù)分為多種不同的類型，例如大氣層視距地面微波通信技術(shù)、對(duì)流層超視距散射通信技術(shù)以及模擬微波通信技術(shù)等[8]。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前微波通信技術(shù)的主要研究方向?yàn)楦哳l段、高集成化、智能化以及低成本建設(shè)等，結(jié)合同步數(shù)字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）數(shù)字通信多狀態(tài)正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）調(diào)制技術(shù)能夠進(jìn)一步擴(kuò)大微波通信的容量，加上無(wú)線電軟件技術(shù)的應(yīng)用，還能實(shí)現(xiàn)微波通信的智能化與低成本化，提高其適應(yīng)能力。

3.4 電子通信干擾因素防治

電磁波與電磁場(chǎng)在電子通信技術(shù)中的傳遞需要依賴各種有形的導(dǎo)電體，在通信的過(guò)程中也存在著較多的干擾因素。在利用電磁波和電磁場(chǎng)原理開展相關(guān)通信業(yè)務(wù)時(shí)，技術(shù)人員要加大對(duì)既有問(wèn)題和潛在問(wèn)題的分析，并對(duì)問(wèn)題現(xiàn)象進(jìn)行嚴(yán)格管理，保證通信過(guò)程的安全穩(wěn)定性，同時(shí)還要避免系統(tǒng)故障導(dǎo)致信息數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題[9]。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以采用有線等效保密（Wired Equivalent Privacy，WEP）協(xié)議技術(shù)，其具備加密管理的功能，能夠有效避免各類設(shè)備通信數(shù)據(jù)信息被盜取。為避免電磁干擾問(wèn)題的出現(xiàn)，工作人員要加大對(duì)電磁干擾耦合進(jìn)或耦合出芯片途徑的研究，從源頭上防治電磁干擾問(wèn)題[10]。此外，也可以通過(guò)人工電磁超表面技術(shù)提高電磁抗干擾性能，提升天線罩結(jié)構(gòu)的韌性[11]。

3.5 未來(lái)應(yīng)用與發(fā)展的方向

未來(lái)電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)中的應(yīng)用，應(yīng)滿足更大容量、覆蓋范圍更廣以及體驗(yàn)感更高的5G-Advanced無(wú)線通信技術(shù)的需求。電磁波有著極高的信息承載能力，利用此項(xiàng)優(yōu)勢(shì)能夠建立新型通信系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)于相關(guān)垂直行業(yè)的應(yīng)用起到了推動(dòng)作用。面向新型的通信系統(tǒng)框架，未來(lái)系統(tǒng)容量的評(píng)估和逼近容量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法仍是需要研究的重點(diǎn)問(wèn)題。

就當(dāng)前的發(fā)展形勢(shì)來(lái)看，需要將電磁信息理論與香農(nóng)信息理論和麥克斯電磁理論有機(jī)結(jié)合，從而搭建一套具有統(tǒng)一性的理論框架，為未來(lái)評(píng)估系統(tǒng)性能和指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供支持，推動(dòng)我國(guó)無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展。目前我國(guó)在電磁信息理論的分析、信號(hào)處理、信道建模以及天線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化等方面仍處于起步階段，在未來(lái)需要通過(guò)相關(guān)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同努力實(shí)現(xiàn)我國(guó)電磁信息領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新應(yīng)用形式的突破，從而掌握核心競(jìng)爭(zhēng)力，在世界電子通信技術(shù)中大放異彩。

4 結(jié) 論

信息時(shí)代背景下，電磁場(chǎng)與電磁波作為電子通信過(guò)程中的重要介質(zhì)，應(yīng)加大對(duì)其應(yīng)用方向的研究，深度發(fā)掘其存在的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)電子通信技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新，減少通信過(guò)程中的干擾因素。以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)理念，加強(qiáng)理論體系與實(shí)踐作業(yè)的有機(jī)結(jié)合，從而推動(dòng)我國(guó)電子工程信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展。