电磁场与电磁波在电子通信技术中的应用研究

李 丹，李 彬，谢 瑜

（1.新疆水利水电学校，新疆 乌鲁木齐 830013；2.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052）

在对电磁现象讨论研究的过程中，电磁场的概念应运而生。电磁场最早由英国科学家提出，随着研究的深入，电磁场的概念不断完善，人们发现电和磁关系密切。在实验的过程中，在导体中放入导棒就会产生很强的电流，说明了二者之间关系密切。带电物体产生的物理场就是电磁场，其具有相互联系、依存的特点。电磁波的产生需要垂直和振荡的电场以及电磁场，二者在波的状态下移动时，物体会有电磁波产生和释放。在电子通信技术中，电磁波和电磁场发挥了十分重要的作用。尤其是电磁波的应用十分广泛，包括手机、网络传输等，为人们的通信带来了极大的便利。其具有较高的应用价值，需要更深入的研究和探索。

1 电磁场与电磁波在电子通信技术中的应用

1.1 在微波通信技术中的应用

在电磁波活动的过程中，电磁场发挥着十分重要的作用。对于电磁波来说，微波是不可或缺的一部分，作为无线电波中的有限频段之一，微波的频率在300 MHz～300 GHz，也是一种电磁波[1]。在微波通信中，不论是电磁场还是电磁波都发挥着重要的作用。通常，无线电波的频率没有微波高，微波的穿透性更强，同时具有吸收功能。微波通常不会被玻璃、瓷器等材料吸收，所以该通信可以通过微波频率加载各种信息，并且在空气中光速传播，通过无线电波使通信范围扩大。微波长会受到限制，在空间传输的过程中也会出现损耗。所以在外部环境的影响下，传播范围会明显缩小，如果传播距离在50 km 以上，则需要采用中继站对微波进行放大，确保其可以继续传输。可见，中继技术在微波传输中发挥着十分重要的作用。通过布设中继站，可以扩大微波通信的传输范围，远至几千千米也可以进行传输，且保持通信质量。所以，要做好中继站的布设工作，在布设的过程中要严格按照标准规范进行施工，将布设距离控制在50 km 的范围内。如果通信系统规模较大，则需要较多的中继站支持通信。除了中继站外，微波传输的过程中还需要终端站、分路站、枢纽站的支持，不同类型的微波站功能不同，所以需要匹配不同的设备。通常包括发信设备、天线馈线系统、监控设备等。微波接力传输系统主要采用2 种中继方式：第1 种，中继站接收到信号之后，对信号进行解调和调制，经过放大后向下一站转发；第2 种，中继站接收到信号后，不需要解调和调制，直接变频即可，经过变频转换后放大，并且向下一站发射。

1.2 在卫星通信技术中的应用

雷达就是应用电磁场技术开发出的通信设备，在二战时期广泛应用，发挥了巨大的作用。随着技术的发展以及研究的深入，通信卫星（图1）应运而生，通过电磁场和电磁波技术的应用，可以更好地进行卫星通信。所谓卫星通信，就是利用人造卫星中转站传输和转换电磁信息，确保各个通信卫星之间可以进行电磁信息的无障碍传输。根据应用范围，我国通信卫星主要可以分为3 种，分别是大气通信站、地面通信站和海洋通信站[2]。卫星通信可以和微波信息保持一致，所以卫星通信的中转站也可以用于中转微波信息。此外，二者还有很多相似之处，包括需要中转站的配合才能完成信号传输和转换等。根据不同的标准，通信卫星可以分为多个种类。根据通信转发器，可以分为无源通信卫星和有源通信卫星；根据运行轨道，可以分为低轨道通信卫星、中轨道通信卫星和高轨道通信卫星；根据姿态稳定方式，可以分为自旋稳定卫星和三轴稳定卫星。此外，还包括单频段卫星、国际通信卫星等。研究表明，卫星通信的实现需要有电磁场、电磁波理论的支撑，该通信模式充分发挥了人造地球卫星的作用，将卫星作为中继站，发射并转发无线电波。在这个过程中，需要各个空间站的相互配合。我国早在1972 年就建设了首个卫星通信地球站，1984 年成功发射第一颗试验通信卫星，随后建立了5 个公用网地球站，为中央电视台节目的传输提供技术支持。通过专用网的建设，很多行业的通信问题得到解决，包括电力、水利、交通和天然气等。随着技术的完善，卫星电视广播业务、卫星移动通信业务在不断发展。今后会逐渐开发新频段，促进频谱利用率的提升，从单一的C 频段逐渐向Ku、Ka、L、S 等频段发展；公用干线通信网也会逐渐向数字、宽带、高速的方向发展，高速通信网的速率可以达到1 000 Mbit/s，同时利用SDH、ATM构建国家信息高速公路，也就是天基宽带综合业务数字通信网。此外，还会逐渐向小型化、智能化VSAT 专用卫星通信网的方向发展，业务也会不断增多。星上交换、星上处理、多波束等技术不断完善和广泛应用，进一步提升卫星通信网络的安全性、保密性，使电磁信息的传递、转换更加便捷、迅速。

图1 通信卫星

1.3 在移动通信技术中的应用

在电子通信中，电磁场和电磁波也发挥着重要的作用，尤其在移动通信中的广泛应用，为人们的生活和工作提供便利。早在1920 年，移动通信就已经被通信研究人员所重视，我国在20 世纪80 年代开始大规模应用移动通信，将1987 年建立的模拟蜂窝移动作为基础，构建了移动电话系统，但依旧依靠模拟技术、FDMA 技术传输数据信息，也就是采用多频管理技术。以该技术为基础进行研究，随之产生了2G、3G 技术。在3G 技术成熟的同时，互联网和移动网络相互结合，无线频率的应用更加深入和广泛。在3G 的基础上，4G 技术发展而来，结合了宽带网络技术，使信号传输能力进一步增强，从而在性能上有了极大的提升。4G 的传输速度更快，可以达到100 Mb/s，为移动通信带来了巨大的改变。目前，5G 时代已经来临，作为全新的移动通信网络，5G 既要解决人与人通信的需求，还要为用户提供虚拟现实、3D 视频、增强现实等可以让用户感到身临其境的业务体验，从而解决人与物、物与物之间的通信问题，满足不同行业对网络通信的需求，包括移动医疗、智能家居和工业控制等[3]。5G 的峰值速率应该达到10～20 Gbit/s，这样才能满足大数据量的传输需求。空中接口的时延应该在1 ms 以内，具备百万连接的能力，满足物联网通信需求。在连续广域覆盖、高移动性的情况下，速率依旧要达到100 Mbit/s。流量密度应该超过10 Mbps/m2，移动性支持能力应该达到500 km/h。5G主要用于满足物联网的使用需求，以MIMO、OFDMA 技术为基础，支持三大应用场景，系统设计更加灵活。在频段方面，4G 支持中低频，但此类资源有限，所以5G 可以在中低频、高频段使用，中低频可以满足覆盖、容量的要求；高频则可以满足容量提升的要求。针对中低频，该技术采用了统一的解决方案，支持MHz 的基础带宽。为了满足高速率传输、扩大覆盖的需求，采用了LDPC、Polar新型信道编码方案等技术，具有可靠性高、时延低、反馈快速等特点。5G 的应用领域十分广泛，包括工业领域、自动驾驶、能源领域、医疗领域等。在电磁波谱的范围中，通信采用远远小于光波的频谱。可见光为纳米波，而5G 为厘米波到毫米波的范围，初始频段为3.3～3.6 GHz、4.8～5 GHz 两个频段，都为中频段。5G 采用微基站，具有小巧、覆盖范围广、数量多的特点。5G 站点组成如图2 所示。

图2 5G 站点组成

2 电子通信中出现的干扰问题

在电子通信的过程中，难免会受到各种干扰和影响，如果出现通信故障，则需要对硬件使用情况进行分析，比较常见的问题就是传输媒介与设备故障问题。技术管理人员要先明确故障范围，然后分析故障产生的主要原因。在通信系统中，可以采用WEP 协议，该协议具有加密管理各个设备通信数据的作用，可以避免数据信息被窃取。但在使用过程中存在一些问题，如果网络发生故障，则设备无法通过服务器获取IP 地址，造成网络无法连接[4]。所以，相同地区采用的通信设备往往不同，不同设备之间会产生各种干扰问题。如果设备之间干扰较大，则会影响网络稳定性。所以，应该严格控制干扰源发射信号频率，对干扰要素进行有效控制，然后采用调频技术、扩频技术进行调节和控制。针对干扰问题，要根据不同的干扰类型采取不同的措施。对于信号干扰，要先明确干扰因素，然后强化信号的穿透能力。以5G 通信来说，针对电磁干扰问题，首先了解电磁干扰噪声耦合进或耦合出芯片的途径，从源头、耦合路径、易感设备几个方面入手。采用人工电磁超表面技术，不仅保障天线罩的结构韧性，同时提升电磁特性，可以满足抗干扰的需求。

电子通信干扰并不只是通信中的问题，也可以作为防止网络窃取信息的一种手段。例如，俄罗斯马斯科姆公司研制了一种新型电子干扰系统，可以对地方通信波段进行压制和干扰，使地方无法利用无线网络进行情报的窃取和传输。采用“阿巴特”系统，可以将7 台大小相同的干扰装置串联在一起，然后覆盖范围中所有无线通信波段。经过测试，该系统采用不同的配置，可以阻断办公室、办公楼甚至半径250 m 内的所有通信网络，可见其使用效果明显。随着技术的发展，该系统对5G 网络情报窃取也有一定的遏制作用。

3 结束语

综上所述，在电子通信技术发展和研究的过程中，电磁场和电磁波发挥了十分重要的作用。以这两项技术学科为基础，对微波通信、卫星通信和移动通信进行深入的研究，同时分析干扰通信的主要原因，并且采取有效的改进对策，促进通信质量的提升。