電磁場(chǎng)和電磁波在電子通信技術(shù)中的應(yīng)用研究

閔文兵

（同方電子科技有限公司，江西 九江 332000）

0 引 言

電磁場(chǎng)是由帶電物體產(chǎn)生的物理場(chǎng)，會(huì)對(duì)帶電物體產(chǎn)生作用力。電磁場(chǎng)由電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同組成，兩者相互依存且存在密切的內(nèi)在聯(lián)系。電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)也會(huì)反過(guò)來(lái)產(chǎn)生電場(chǎng)。電磁場(chǎng)一直存在于自然界，整個(gè)地球就是一個(gè)巨大的電磁場(chǎng)[1]。人類(lèi)最早對(duì)電和磁的認(rèn)知來(lái)源于磁棒的南北兩極，但很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)人們并沒(méi)有將電與磁緊密聯(lián)系起來(lái)。直到19 世紀(jì)前期，奧斯特通過(guò)實(shí)驗(yàn)將電與磁聯(lián)系起來(lái)，意識(shí)到電與磁之間有著密切關(guān)系，并對(duì)電磁力的性質(zhì)有了一定認(rèn)知。

隨著科學(xué)的進(jìn)步，人們對(duì)電和磁的認(rèn)知逐步深化，并定義了電磁場(chǎng)這一概念。電磁場(chǎng)是變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互依存、相互作用的空間，會(huì)產(chǎn)生電磁波。電磁波是同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的振蕩粒子波，本質(zhì)上是傳播的電磁場(chǎng)。電磁波的傳播方向與其伴隨的電場(chǎng)方向和磁場(chǎng)方向相互垂直。電磁波是電波和磁波的總稱(chēng)，進(jìn)一步反映了電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的緊密關(guān)聯(lián)。電磁波的傳播無(wú)須介質(zhì)，特定范圍內(nèi)的電磁波可以用肉眼看見(jiàn)，如太陽(yáng)光就是一種可見(jiàn)的電磁波輻射形態(tài)[2]。

電磁波具有3 大屬性，即振幅、頻率和波形。電磁波的波動(dòng)性和粒子性均與頻率、波長(zhǎng)密切相關(guān)。在傳播過(guò)程中，電磁波會(huì)發(fā)生折射等現(xiàn)象，其傳播速度等于波長(zhǎng)與頻率的乘積。電磁波具有能量，其能量大小與電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度緊密相關(guān)。電磁波可以分解為電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量，它們始終處于相互垂直、相位相同的狀態(tài)，且在傳播過(guò)程中會(huì)相互轉(zhuǎn)化能量。

1 電磁場(chǎng)與電磁波在電子通信技術(shù)中的應(yīng)用

1.1 移動(dòng)通信

1.1.1 移動(dòng)通信的基本特點(diǎn)

移動(dòng)通信環(huán)境具有一些基本特點(diǎn)，這使得移動(dòng)通信對(duì)通信波有著較高的要求。

第一，傳播的開(kāi)放性。移動(dòng)通信中需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的全方位傳播，具有較高的空間開(kāi)放性要求。電磁波可在空間中向不同方向傳播，完全能滿足移動(dòng)通信的開(kāi)放性傳播需求。通過(guò)空間傳播，可保障信息傳播的有效性。

第二，信號(hào)接收位置環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性。由于移動(dòng)通信環(huán)境的變化，信號(hào)接收點(diǎn)可能在任何地點(diǎn)，其環(huán)境具有復(fù)雜性和多樣性。在這種情況下，應(yīng)用電磁波是一種有效的方法。利用電磁波的特性，可確保信號(hào)在各種環(huán)境條件下都能進(jìn)行穿透性傳播，從而確保不同的信號(hào)接收點(diǎn)都能接收到電磁波傳遞的信息[3]。

第三，用戶的隨機(jī)移動(dòng)性。移動(dòng)通信的用戶在通信過(guò)程中經(jīng)常處于不斷移動(dòng)的狀態(tài)，不同用戶的移動(dòng)也具有明顯的隨機(jī)性。例如，有的用戶可能在通信過(guò)程中行走緩慢，有的用戶則可能在乘坐汽車(chē)或輪船時(shí)進(jìn)行通信。在這種情況下，應(yīng)用電磁場(chǎng)和電磁波可以有效解決信號(hào)接收問(wèn)題。由于電磁波具有持續(xù)傳播的特性，可以確保隨機(jī)移動(dòng)的用戶能持續(xù)、有效地接收信號(hào)，從而保障移動(dòng)通信的穩(wěn)定性和可靠性。

1.1.2 移動(dòng)通信中無(wú)線電波的基本特點(diǎn)

移動(dòng)通信中的電磁波被稱(chēng)為無(wú)線電波。無(wú)線電波的傳播速度與傳播媒介有關(guān)，其在真空中的傳播速度等于光速，而在空氣中的傳播速度略小于光速。此外，無(wú)線電波的傳播速度還與波長(zhǎng)、頻率有關(guān)。作為無(wú)線通信的載體，移動(dòng)通信中的無(wú)線電波實(shí)際上是通過(guò)發(fā)射機(jī)中的振蕩電路產(chǎn)生頻率很高的電磁振蕩。通過(guò)對(duì)高頻振蕩信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，獲得裝載有信息的無(wú)線電波。通過(guò)無(wú)線電波的傳輸，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信。

無(wú)線電波可根據(jù)頻率大小進(jìn)行劃分，不同頻率的無(wú)線電波適用于不同的通信方式。對(duì)于頻率為30 ～300 kHz 的長(zhǎng)波，主要傳播介質(zhì)為地面波，用于電報(bào)、導(dǎo)航以及長(zhǎng)距離通信；對(duì)于頻率為300 ～1 500 kHz 的中波，主要傳播介質(zhì)為天波和地面波，用于無(wú)線電波廣播、導(dǎo)航、海上移動(dòng)通信以及地對(duì)空通信等；對(duì)于頻率為1.6 ～6 MHz 的中短波，主要傳播介質(zhì)為天波，用于廣播中長(zhǎng)距離通信；對(duì)于頻率為6 ～30 MHz 的短波，主要傳播介質(zhì)為電離層反射波，用于無(wú)線電光波通信、中長(zhǎng)距離通信；對(duì)于頻率為300 ～3 000 MHz 的分米波，主要傳播介質(zhì)為天波和空間波，用于短距離通信和電視通信；對(duì)于頻率為3～30 GHz的厘米波，主要傳播介質(zhì)為天波和地球?qū)樱糜谥欣^通信和無(wú)線電通信；對(duì)于頻率更高的毫米波與亞毫米波，則主要用于雷達(dá)通信與光通信。

無(wú)線電波在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生沿著電場(chǎng)方向的極化，包括線極化、橢圓極化、圓極化等不同形式。移動(dòng)通信中，需要使用具有對(duì)應(yīng)極化特性的天線來(lái)接收這些極化波，否則可能會(huì)因極化損失而影響信號(hào)傳播質(zhì)量和通信質(zhì)量。無(wú)線電波在移動(dòng)通信中的傳播具有視距傳播、多徑傳播等特點(diǎn)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)路徑傳播損耗、慢衰落損耗以及快衰落損耗等不同形式的損耗，需要針對(duì)性地采取措施來(lái)優(yōu)化通信方案[4]。

無(wú)線電波的傳播特性與其所處的電波傳播環(huán)境密切相關(guān)。這些環(huán)境因素包括地形地貌、人工建筑、氣象條件、電磁干擾、使用頻段以及移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度等。在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，接收機(jī)的接收功率會(huì)隨著距離的增加而減小，這就是無(wú)線電波傳輸中的路徑損耗。在現(xiàn)代化的密集城區(qū)，由于大量高層建筑的阻擋，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間可能沒(méi)有直接視距路徑，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的繞射損耗。無(wú)線電波傳播過(guò)程中不同長(zhǎng)度的路徑電波也會(huì)相互影響，導(dǎo)致多徑損耗，進(jìn)一步影響移動(dòng)通信的范圍和質(zhì)量。無(wú)線電波傳播過(guò)程中還存在陰影效應(yīng)，即由地形結(jié)構(gòu)引起的傳播損耗，通常表現(xiàn)為慢衰落或長(zhǎng)期衰落。此外，移動(dòng)通信中的無(wú)線電波傳播會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，即移動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)方向和速度會(huì)導(dǎo)致接收到的無(wú)線電波信號(hào)出現(xiàn)隨機(jī)調(diào)頻現(xiàn)象[5]。

在移動(dòng)通信中，無(wú)線電波的傳輸損耗主要分為2種情況。一種是在距離較近且存在直射波的情況下，傳播損耗接近自由空間中的傳播損耗，即損耗和傳播距離的平方成正比；另一種是在甚高頻和特高頻頻段的移動(dòng)通信中，無(wú)線電波傳播存在直射波、反射波以及散射波，相應(yīng)的傳播損耗與這3 種波的傳播距離密切相關(guān)。

1.1.3 移動(dòng)通信中的無(wú)線電波形式

移動(dòng)通信中無(wú)線電波的傳播形式主要有5 種，分別是直射波、反射波、繞射波、透射波以及散射波。

（1）直射波。在移動(dòng)通信中，直射波指視距覆蓋區(qū)內(nèi)無(wú)遮擋情況下的無(wú)線電波。受現(xiàn)實(shí)環(huán)境的影響，實(shí)際上很難找到適合直射波傳播的理想自由空間。然而，直射波的傳播往往是移動(dòng)通信環(huán)境中電波傳播問(wèn)題研究的傳播環(huán)境參考標(biāo)準(zhǔn)，可以幫助人們以較為簡(jiǎn)單的方式分析和研究輻射功率密度、接收天線有效面積、接收天線功率以及路徑損耗等參數(shù)。

（2）反射波。反射波指移動(dòng)通信中在遇到比波長(zhǎng)大得多的物體后發(fā)生反射的無(wú)線電波。由于反射波在傳輸?shù)叫盘?hào)接收位置時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)物體反射，其信號(hào)強(qiáng)度相較于直射波更弱?，F(xiàn)代移動(dòng)通信領(lǐng)域中反射波廣泛存在，尤其是球形地面的反射和平坦地面的反射被廣泛用于移動(dòng)通信的信號(hào)傳播研究與實(shí)踐。

（3）繞射波。繞射波指移動(dòng)通信中繞開(kāi)障礙物繼續(xù)傳播的無(wú)線電波，即無(wú)線電波的傳播繞開(kāi)了障礙物。繞射波在移動(dòng)通信中發(fā)揮著重要作用，能有效突破障礙物的阻擋，擴(kuò)大移動(dòng)通信的信號(hào)傳播范圍，提高通信質(zhì)量。

（4）透射波。在移動(dòng)通信中，透射波主要在室外向室內(nèi)傳播的情況下出現(xiàn)。無(wú)線電波從室外向室內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反射和投射2 種情況，其中投射還會(huì)伴隨折射現(xiàn)象。大部分能量通過(guò)反射傳播到其他區(qū)域，透射后的無(wú)線電波場(chǎng)強(qiáng)會(huì)快速衰減，因此在四周墻體較厚的室內(nèi)，移動(dòng)通信信號(hào)較弱。

（5）散射波。散射波是移動(dòng)通信中無(wú)線電波傳播時(shí)遇到許多尺寸小于波長(zhǎng)的散射體而出現(xiàn)的現(xiàn)象。這些散射體會(huì)影響電波的傳播方向，使其朝著各個(gè)方向散射，導(dǎo)致電波信號(hào)的強(qiáng)度大幅削弱。

1.1.4 移動(dòng)通信的電磁輻射監(jiān)測(cè)與控制

電磁波存在電磁輻射，對(duì)人們的健康有一定威脅，因此在現(xiàn)代移動(dòng)通信發(fā)展進(jìn)程中，需要加強(qiáng)對(duì)電磁輻射的監(jiān)測(cè)與控制，盡可能減輕電磁輻射對(duì)人體的傷害。移動(dòng)通信企業(yè)需要做好通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，合理布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，確保監(jiān)測(cè)范圍覆蓋合理、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位數(shù)量滿足要求以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位能避開(kāi)其他輻射源的干擾。規(guī)范監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，對(duì)移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境和氣象條件進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)。結(jié)合話務(wù)量隨時(shí)間變化的規(guī)律合理調(diào)整監(jiān)測(cè)時(shí)段，同時(shí)落實(shí)取樣采集工作，做好數(shù)據(jù)記錄和報(bào)告審核工作，確保監(jiān)測(cè)報(bào)告的科學(xué)性、合理性及有效性。制定合適的質(zhì)控方案，完善相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，并根據(jù)監(jiān)測(cè)報(bào)告審核結(jié)果采取合理策略加強(qiáng)質(zhì)控，防止電磁輻射場(chǎng)過(guò)強(qiáng)對(duì)人們的健康造成嚴(yán)重威脅。

1.2 微波通信

微波通信是通過(guò)頻率范圍為300 MHz ～3 000 GHz的電磁波進(jìn)行通信的重要方式。微波通信的特點(diǎn)在于直接使用微波作為傳輸介質(zhì)，無(wú)須固體介質(zhì)，具有傳輸容量大、質(zhì)量好、傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。微波通信目前主要作為國(guó)家通信網(wǎng)和各種專(zhuān)用通信網(wǎng)，需要使用發(fā)信機(jī)、收信機(jī)、天饋線系統(tǒng)、多路復(fù)用設(shè)備以及用戶終端設(shè)備等共同組成相應(yīng)的通信系統(tǒng)[6]。

發(fā)信機(jī)是發(fā)射信號(hào)的設(shè)備，包含調(diào)制器、上變頻器以及高功率放大器等，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理。收信機(jī)則是信號(hào)接收設(shè)備，由低噪聲放大器、下變頻器、調(diào)節(jié)器等組成。微波通信中使用的天線通常為反射面天線、拋物面天線以及卡塞格倫天線等，而遠(yuǎn)距離微波通信會(huì)通過(guò)中繼方式進(jìn)行。目前，微波通信中基于電磁波傳播的特點(diǎn)應(yīng)用了各種技術(shù)來(lái)強(qiáng)化抗衰落效果，能很好地改善吸收衰落、散射衰落、K 型衰落、波導(dǎo)型衰落以及閃爍衰落等對(duì)通信效果的影響。

1.3 衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電波，在2 個(gè)或多個(gè)地面站之間所進(jìn)行的通信。電磁場(chǎng)與電磁波技術(shù)是衛(wèi)星通信的基礎(chǔ)。電磁波作為衛(wèi)星通信的信號(hào)載體，可實(shí)現(xiàn)地球端和通信衛(wèi)星之間的信號(hào)傳播。衛(wèi)星通信的電磁波傳播具有信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)、傳播空間近似于自由空間的特點(diǎn)。不同軌道類(lèi)型的衛(wèi)星由于軌道高度不同、信號(hào)傳播距離不同，衛(wèi)星用途也有所不同，能在觀測(cè)、通信、導(dǎo)航、氣象觀測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮作用。由于電磁波傳輸距離較遠(yuǎn)，衛(wèi)星通信受天氣的影響較大。一些特殊的自然現(xiàn)象如日凌中斷等，也會(huì)對(duì)衛(wèi)星通信造成影響。

2 結(jié) 論

現(xiàn)代電子通信技術(shù)對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用非常廣泛。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，電子通信領(lǐng)域的發(fā)展水平逐步提升，基于電磁場(chǎng)與電磁波的相關(guān)研究、發(fā)明、技術(shù)等也持續(xù)得到改進(jìn)。通過(guò)分析電磁場(chǎng)和電磁波在電子通信技術(shù)中的應(yīng)用，為整個(gè)電子通信行業(yè)的進(jìn)步發(fā)展提供有力保障。