电磁场和电磁波在电子通信技术中的应用研究

2023-12-20闵文兵

通信电源技术 2023年18期

闵文兵

（同方电子科技有限公司，江西九江 332000）

0 引言

电磁场是由带电物体产生的物理场，会对带电物体产生作用力。电磁场由电场和磁场共同组成，两者相互依存且存在密切的内在联系。电场会产生磁场，磁场也会反过来产生电场。电磁场一直存在于自然界，整个地球就是一个巨大的电磁场[1]。人类最早对电和磁的认知来源于磁棒的南北两极，但很长一段时间以来人们并没有将电与磁紧密联系起来。直到19 世纪前期，奥斯特通过实验将电与磁联系起来，意识到电与磁之间有着密切关系，并对电磁力的性质有了一定认知。

随着科学的进步，人们对电和磁的认知逐步深化，并定义了电磁场这一概念。电磁场是变化的电场和磁场相互依存、相互作用的空间，会产生电磁波。电磁波是同相振荡且互相垂直的电场和磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波，本质上是传播的电磁场。电磁波的传播方向与其伴随的电场方向和磁场方向相互垂直。电磁波是电波和磁波的总称，进一步反映了电场和磁场之间的紧密关联。电磁波的传播无须介质，特定范围内的电磁波可以用肉眼看见，如太阳光就是一种可见的电磁波辐射形态[2]。

电磁波具有3 大属性，即振幅、频率和波形。电磁波的波动性和粒子性均与频率、波长密切相关。在传播过程中，电磁波会发生折射等现象，其传播速度等于波长与频率的乘积。电磁波具有能量，其能量大小与电场强度、磁场强度紧密相关。电磁波可以分解为电场分量和磁场分量，它们始终处于相互垂直、相位相同的状态，且在传播过程中会相互转化能量。

1 电磁场与电磁波在电子通信技术中的应用

1.1 移动通信

1.1.1 移动通信的基本特点

移动通信环境具有一些基本特点，这使得移动通信对通信波有着较高的要求。

第一，传播的开放性。移动通信中需要实现信号的全方位传播，具有较高的空间开放性要求。电磁波可在空间中向不同方向传播，完全能满足移动通信的开放性传播需求。通过空间传播，可保障信息传播的有效性。

第二，信号接收位置环境的复杂性和多样性。由于移动通信环境的变化，信号接收点可能在任何地点，其环境具有复杂性和多样性。在这种情况下，应用电磁波是一种有效的方法。利用电磁波的特性，可确保信号在各种环境条件下都能进行穿透性传播，从而确保不同的信号接收点都能接收到电磁波传递的信息[3]。

第三，用户的随机移动性。移动通信的用户在通信过程中经常处于不断移动的状态，不同用户的移动也具有明显的随机性。例如，有的用户可能在通信过程中行走缓慢，有的用户则可能在乘坐汽车或轮船时进行通信。在这种情况下，应用电磁场和电磁波可以有效解决信号接收问题。由于电磁波具有持续传播的特性，可以确保随机移动的用户能持续、有效地接收信号，从而保障移动通信的稳定性和可靠性。

1.1.2 移动通信中无线电波的基本特点

移动通信中的电磁波被称为无线电波。无线电波的传播速度与传播媒介有关，其在真空中的传播速度等于光速，而在空气中的传播速度略小于光速。此外，无线电波的传播速度还与波长、频率有关。作为无线通信的载体，移动通信中的无线电波实际上是通过发射机中的振荡电路产生频率很高的电磁振荡。通过对高频振荡信号进行调制，获得装载有信息的无线电波。通过无线电波的传输，可实现移动通信。

无线电波可根据频率大小进行划分，不同频率的无线电波适用于不同的通信方式。对于频率为30 ～300 kHz 的长波，主要传播介质为地面波，用于电报、导航以及长距离通信；对于频率为300 ～1 500 kHz 的中波，主要传播介质为天波和地面波，用于无线电波广播、导航、海上移动通信以及地对空通信等；对于频率为1.6 ～6 MHz 的中短波，主要传播介质为天波，用于广播中长距离通信；对于频率为6 ～30 MHz 的短波，主要传播介质为电离层反射波，用于无线电光波通信、中长距离通信；对于频率为300 ～3 000 MHz 的分米波，主要传播介质为天波和空间波，用于短距离通信和电视通信；对于频率为3～30 GHz的厘米波，主要传播介质为天波和地球层，用于中继通信和无线电通信；对于频率更高的毫米波与亚毫米波，则主要用于雷达通信与光通信。

无线电波在传播过程中会产生沿着电场方向的极化，包括线极化、椭圆极化、圆极化等不同形式。移动通信中，需要使用具有对应极化特性的天线来接收这些极化波，否则可能会因极化损失而影响信号传播质量和通信质量。无线电波在移动通信中的传播具有视距传播、多径传播等特点，同时会出现路径传播损耗、慢衰落损耗以及快衰落损耗等不同形式的损耗，需要针对性地采取措施来优化通信方案[4]。

无线电波的传播特性与其所处的电波传播环境密切相关。这些环境因素包括地形地貌、人工建筑、气象条件、电磁干扰、使用频段以及移动台的移动速度等。在蜂窝移动通信系统中，接收机的接收功率会随着距离的增加而减小，这就是无线电波传输中的路径损耗。在现代化的密集城区，由于大量高层建筑的阻挡，发射机与接收机之间可能没有直接视距路径，从而产生较强的绕射损耗。无线电波传播过程中不同长度的路径电波也会相互影响，导致多径损耗，进一步影响移动通信的范围和质量。无线电波传播过程中还存在阴影效应，即由地形结构引起的传播损耗，通常表现为慢衰落或长期衰落。此外，移动通信中的无线电波传播会产生多普勒效应，即移动体的运动方向和速度会导致接收到的无线电波信号出现随机调频现象[5]。

在移动通信中，无线电波的传输损耗主要分为2种情况。一种是在距离较近且存在直射波的情况下，传播损耗接近自由空间中的传播损耗，即损耗和传播距离的平方成正比；另一种是在甚高频和特高频频段的移动通信中，无线电波传播存在直射波、反射波以及散射波，相应的传播损耗与这3 种波的传播距离密切相关。

1.1.3 移动通信中的无线电波形式

移动通信中无线电波的传播形式主要有5 种，分别是直射波、反射波、绕射波、透射波以及散射波。

（1）直射波。在移动通信中，直射波指视距覆盖区内无遮挡情况下的无线电波。受现实环境的影响，实际上很难找到适合直射波传播的理想自由空间。然而，直射波的传播往往是移动通信环境中电波传播问题研究的传播环境参考标准，可以帮助人们以较为简单的方式分析和研究辐射功率密度、接收天线有效面积、接收天线功率以及路径损耗等参数。

（2）反射波。反射波指移动通信中在遇到比波长大得多的物体后发生反射的无线电波。由于反射波在传输到信号接收位置时会经过物体反射，其信号强度相较于直射波更弱。现代移动通信领域中反射波广泛存在，尤其是球形地面的反射和平坦地面的反射被广泛用于移动通信的信号传播研究与实践。

（3）绕射波。绕射波指移动通信中绕开障碍物继续传播的无线电波，即无线电波的传播绕开了障碍物。绕射波在移动通信中发挥着重要作用，能有效突破障碍物的阻挡，扩大移动通信的信号传播范围，提高通信质量。

（4）透射波。在移动通信中，透射波主要在室外向室内传播的情况下出现。无线电波从室外向室内传播时，会出现反射和投射2 种情况，其中投射还会伴随折射现象。大部分能量通过反射传播到其他区域，透射后的无线电波场强会快速衰减，因此在四周墙体较厚的室内，移动通信信号较弱。

（5）散射波。散射波是移动通信中无线电波传播时遇到许多尺寸小于波长的散射体而出现的现象。这些散射体会影响电波的传播方向，使其朝着各个方向散射，导致电波信号的强度大幅削弱。

1.1.4 移动通信的电磁辐射监测与控制

电磁波存在电磁辐射，对人们的健康有一定威胁，因此在现代移动通信发展进程中，需要加强对电磁辐射的监测与控制，尽可能减轻电磁辐射对人体的伤害。移动通信企业需要做好通信基站电磁辐射环境监测工作，合理布设监测点位，确保监测范围覆盖合理、监测点位数量满足要求以及监测点位能避开其他辐射源的干扰。规范监测项目，对移动通信基站电磁辐射环境和气象条件进行同步监测。结合话务量随时间变化的规律合理调整监测时段，同时落实取样采集工作，做好数据记录和报告审核工作，确保监测报告的科学性、合理性及有效性。制定合适的质控方案，完善相应的应急预案，并根据监测报告审核结果采取合理策略加强质控，防止电磁辐射场过强对人们的健康造成严重威胁。

1.2 微波通信

微波通信是通过频率范围为300 MHz ～3 000 GHz的电磁波进行通信的重要方式。微波通信的特点在于直接使用微波作为传输介质，无须固体介质，具有传输容量大、质量好、传播距离远等优势。微波通信目前主要作为国家通信网和各种专用通信网，需要使用发信机、收信机、天馈线系统、多路复用设备以及用户终端设备等共同组成相应的通信系统[6]。

发信机是发射信号的设备，包含调制器、上变频器以及高功率放大器等，对信号进行调制处理。收信机则是信号接收设备，由低噪声放大器、下变频器、调节器等组成。微波通信中使用的天线通常为反射面天线、抛物面天线以及卡塞格伦天线等，而远距离微波通信会通过中继方式进行。目前，微波通信中基于电磁波传播的特点应用了各种技术来强化抗衰落效果，能很好地改善吸收衰落、散射衰落、K 型衰落、波导型衰落以及闪烁衰落等对通信效果的影响。

1.3 卫星通信

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，在2 个或多个地面站之间所进行的通信。电磁场与电磁波技术是卫星通信的基础。电磁波作为卫星通信的信号载体，可实现地球端和通信卫星之间的信号传播。卫星通信的电磁波传播具有信号传播距离远、传播空间近似于自由空间的特点。不同轨道类型的卫星由于轨道高度不同、信号传播距离不同，卫星用途也有所不同，能在观测、通信、导航、气象观测等领域发挥作用。由于电磁波传输距离较远，卫星通信受天气的影响较大。一些特殊的自然现象如日凌中断等，也会对卫星通信造成影响。