電磁場理論和電磁波在電子通訊技術(shù)中的應(yīng)用探析

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電磁場與電磁波理論是電子電工科學(xué)技術(shù)中的重要理論基礎(chǔ)，在當(dāng)前電子信息技術(shù)快速發(fā)展的信息化時期，電磁場與電磁波理論依然具有很大的應(yīng)用前景，在當(dāng)下很多前沿的電子技術(shù)和信息技術(shù)中都能得到實(shí)際運(yùn)用。本文重點(diǎn)以電子通信技術(shù)為例，探討了電磁場與電磁波理論在移動通信、微波通信以及衛(wèi)星通信中的應(yīng)用方向及基礎(chǔ)應(yīng)用思路。期望本文的研究對于電子電工職業(yè)教育電磁場與電磁波課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)有所幫助。

在現(xiàn)代化的工作生活中電子通訊設(shè)備也有著很大使用優(yōu)勢，給我們生產(chǎn)生活帶來了很多方便。在電子通訊中電磁波和電磁場具有關(guān)鍵地位，可以促進(jìn)各種信號的快速傳輸。而近些年在移動通訊網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展背景下，隨著各種智能終端設(shè)備在社會上的快速廣泛使用，電子通訊也開始深入到經(jīng)濟(jì)社會的各個方面，而移動通訊更是需要全面發(fā)展對電磁場和電磁波的運(yùn)用，因此有關(guān)單位有必要進(jìn)一步提高問題關(guān)注度。

1 電磁場與電磁波理論綜述

按照有關(guān)的文獻(xiàn)資料說法，電磁場現(xiàn)象最初是由英國人吉爾伯特發(fā)明的，不過在當(dāng)時因?yàn)槭芗夹g(shù)和實(shí)踐條件制約，對電磁場發(fā)展現(xiàn)象還沒有做出過全面闡述[1]。直到18世紀(jì)開始英國物理學(xué)家法拉第首先提出，電與磁場相互之間具有一定聯(lián)系，之后又經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才加以證明，而最后將電磁棒接入導(dǎo)體線圈中之后就會形成電流，根據(jù)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就可以證明電與磁場相互之間的關(guān)聯(lián)，并由此促進(jìn)了電磁研究群的發(fā)展。后來由于科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，有較多物理學(xué)家也進(jìn)行了比較深入的研究，對電磁關(guān)系加以了分析，總結(jié)電磁場技術(shù)的基本內(nèi)容，并進(jìn)而提出了位移電流的相關(guān)理論性概念。

從科學(xué)化角度上來說，無線電也都是同一類電能，只不過是物質(zhì)都可以通過放電反應(yīng)。而就如同天氣，可以在人制造生活的環(huán)境中隨處產(chǎn)生。而電磁性運(yùn)動的主要形態(tài)也就是無線電，而也就是電磁性運(yùn)動的主要運(yùn)行形態(tài)[2]。而電磁性運(yùn)動在變化流程中，像水波會以一定點(diǎn)位中心向四周展開擴(kuò)展，并且在空氣擴(kuò)展流程中逐步形成了無線電。而又有高度低頻區(qū)分，但目前在低頻電振動流程中，磁和電之間相互產(chǎn)生的變換速度相對遲緩，因此電能傳輸范圍較小，而低頻電磁性波則無法完全輻射。目前在高頻電磁波中，電與磁性相互變換速度較快，在震蕩中流傳的電路無法把其電能全部吸收，向周圍進(jìn)行擴(kuò)散的電能則不需借助介質(zhì)便可完成傳輸，屬于輻射現(xiàn)象。

2 電磁場和電磁波理論在電子通信技術(shù)中的應(yīng)用方向

現(xiàn)階段由于當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，電子通訊科學(xué)技術(shù)已發(fā)展到嶄新階段。各類新型智能電子產(chǎn)品對電磁場和電氣波的依賴性也更強(qiáng)[3]。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，由于電磁波的現(xiàn)實(shí)使用范圍廣泛，包括對講機(jī)、電話、無線網(wǎng)絡(luò)等是可以在充分發(fā)揮電磁波的使用價值基礎(chǔ)上進(jìn)行有效地互通使用的。因此在信息通訊產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展中，各個數(shù)據(jù)的高效傳輸系統(tǒng)都必須充分發(fā)揮出電磁波的使用價值。

2.1 電磁場與電磁波理論在微波通信中的應(yīng)用

微波通信技術(shù)具體是指通過無線網(wǎng)絡(luò)中的微波頻段將信息有效傳輸?shù)牡孛嬉暰鄠鞑ゼ夹g(shù)。作為電力體系通信科技的中心應(yīng)急構(gòu)建，微波科技對電力體系的穩(wěn)定生產(chǎn)有著重要作用。目前，微波超視距技術(shù)作為微波技術(shù)的新興技術(shù)逐漸進(jìn)入了專業(yè)人士的視野，我們將微波的信號源在光亮的圓球上，超越視線距離的傳導(dǎo)方法之外的電磁波形式，較為微波超視距傳播，去通信工程有著繞道、散射等多樣化類別傳播形式。

微波通信技術(shù)屬于移動互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的一種，微波通信技術(shù)是指通過無線網(wǎng)絡(luò)中的微波頻段將信息進(jìn)行有效傳輸?shù)牡孛嬉暰鄠鞑ゼ夹g(shù)。作為電力體系通信科技的核心應(yīng)急架構(gòu)，微波科技對電力系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)有著舉足輕重地位和作用。目前，微波超視距技術(shù)作為微波技術(shù)的新興技術(shù)逐漸進(jìn)入了專業(yè)人士的視野。例如利用微波通信技術(shù)在電磁場相對復(fù)雜的配電系統(tǒng)中，仍能夠建立穩(wěn)定性較高的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，便于電力系統(tǒng)推廣普及現(xiàn)代化、信息化、智能化的運(yùn)維管理模式[4]。目前電磁場與電磁波都在微波通訊中有著主要功能，但微波通訊主要目的是在信號傳輸流程中，利用微波技術(shù)以頻率然作為載波對各種信號實(shí)現(xiàn)傳輸，同時借助無線電波傳播作用能夠接續(xù)擴(kuò)大通訊區(qū)域。由于微波波長有限，在受到外界條件環(huán)境影響之下，實(shí)際傳輸尺寸的有限，決定了微波通訊僅能利用中繼接力方式手段實(shí)現(xiàn)通信傳輸。微波中繼站在現(xiàn)實(shí)布設(shè)流程中必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化間距區(qū)域予以布置，目前要求限制在50公里間距區(qū)域內(nèi)。但以整體規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)體系，在現(xiàn)實(shí)運(yùn)營流程中往往需要得到較多的微波中繼站保障，而這種狀況也使得其現(xiàn)實(shí)使用的成果有限。

2.2 電磁場和電磁波理論在衛(wèi)星通信中應(yīng)用

衛(wèi)星通信技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋面大、通信不受距離限制，可以一個網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)并存等特點(diǎn)。而且其容量可擴(kuò)展性強(qiáng)、獨(dú)立性好，不受電信運(yùn)營商的限制，應(yīng)用性強(qiáng)、有優(yōu)質(zhì)的通信質(zhì)量，傳播時延大。以VSAT衛(wèi)星通信技術(shù)為例，首先它是面向用戶直接通信，而不是網(wǎng)絡(luò)；其次增加了許多智能化功能，如操作、管理、業(yè)務(wù)支撐、傳輸管理等；安裝應(yīng)用簡單、耗電量低、集成度高等，在作業(yè)環(huán)境相對復(fù)雜，通信精確度時效性要求較高的電力系統(tǒng)、軍事、大型基建等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

電磁場和電磁波理論也同樣在數(shù)字程控交換科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮中了主要的理論基礎(chǔ)角色。由于現(xiàn)階段數(shù)字程控交換科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展需要對電磁場和電磁波理論提供有效支撐，因此數(shù)字程控交換重點(diǎn)就是發(fā)展出人造的地球衛(wèi)星應(yīng)用價值，使之成為中繼站，進(jìn)而可以對無線電信號波傳輸進(jìn)行有效傳送與輻射，其通信過程在實(shí)際的發(fā)展過程中也必須在不同地球站間同時進(jìn)行。目前地球臺站可分成不同類型，大致有地球表面溝通站、海水通信站、大氣通信站等。現(xiàn)階段在一般情形下可以把數(shù)字程控交換作為運(yùn)用微波頻率，把通訊衛(wèi)星視為特殊形態(tài)的中繼站，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究表明數(shù)字程控交換工作頻率和微波通信存在相似之處。

另外，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星通信也被逐漸應(yīng)用在如種植業(yè)、畜牧業(yè)等民生行業(yè)上。就目前的中國民用通信衛(wèi)星實(shí)際使用狀況分析，在同步工作形式中可以將它稱之為同步衛(wèi)星通訊系統(tǒng)。從地球表面狀況分析，如果此顆衛(wèi)星在天空中不進(jìn)行運(yùn)動，可以將它看作是靜止衛(wèi)星。從二戰(zhàn)結(jié)束以后，世界上的許多發(fā)達(dá)國家都開始投身到數(shù)字程控交換技術(shù)研發(fā)中，在數(shù)字程控交換中電磁場和電磁波都是信息傳輸中的核心技術(shù)，通過利用衛(wèi)星建立信號傳遞中轉(zhuǎn)站，就可以對多種電磁信號實(shí)現(xiàn)傳輸、轉(zhuǎn)換、反射。

2.3 電磁場理論與電磁波在移動通訊技術(shù)中的運(yùn)用

電磁場、電磁波廣泛應(yīng)用在電子通訊中，而移動通訊則是最普遍同時也是最主要的一個應(yīng)用形態(tài)，這主要是由于移動通訊業(yè)務(wù)和人類的日常生活中有著密切地聯(lián)系。尤其隨著全球3G/4G技術(shù)的蓬勃發(fā)展和日益成熟完善，推動中國的移動通訊產(chǎn)業(yè)逐步進(jìn)入嶄新領(lǐng)域。當(dāng)下隨著我國在5G移動通信技術(shù)研發(fā)應(yīng)用方面的領(lǐng)先地位，我國已經(jīng)成為了移動通信技術(shù)研發(fā)與實(shí)踐的世界強(qiáng)國。而相比與4G技術(shù)，通信效率高上好幾倍的5G通信技術(shù)，同樣是基于電磁波理論產(chǎn)生的，5G技術(shù)實(shí)際上就是移動通信技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域?qū)﹄姶挪ɡ碚摰倪M(jìn)一步深入發(fā)掘。5G技術(shù)已經(jīng)將電磁波的通信波段提升到了超高頻段，極大地提高了電磁波的傳播速度，也就相對的提高了通信效率。

正是基于電磁波波段范圍增加與波長范圍成反比的這一基本理論，5G技術(shù)與4G技術(shù)相比，雖然通信效率得到了質(zhì)的提升，但實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定5G通信所需要的通信基站數(shù)量也要稍高于4G通信。這也使得5G通信技術(shù)的普及會帶來較大的通信服務(wù)基建成本，也是當(dāng)前5G通信技術(shù)普及的最大障礙之一。正是基于電磁場與電磁波基礎(chǔ)理論，使得微基站的新型5G通信基建模式應(yīng)運(yùn)而生，也使的5G通信技術(shù)開始逐漸到民用領(lǐng)域。

3 電子通信中的干擾要素

電磁波的傳遞主要記住于各種有形的導(dǎo)電體，所以各種硬件設(shè)施都會對電子設(shè)備的通訊質(zhì)量形成很大影響，當(dāng)通訊網(wǎng)絡(luò)在使用中發(fā)生故障之后，就必須對電子設(shè)備及通訊設(shè)備中硬件的使用狀況進(jìn)行分析，其中以傳輸介質(zhì)和裝置故障問題比較普遍。因此技術(shù)人員就必須對問題范圍加以管理，全面調(diào)節(jié)通信故障情況。在電子設(shè)備使用過程中，采用WEP協(xié)定的配置干擾效應(yīng)最強(qiáng)。此協(xié)定又可稱之為有線等效保密協(xié)定，可以對各種電子設(shè)備通訊裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保密，從而防止裝置中在無線網(wǎng)絡(luò)信息環(huán)境下的多項(xiàng)重要信息數(shù)據(jù)被人竊取。不過在實(shí)際使用中也可以發(fā)現(xiàn)WEP協(xié)議遇到了一定問題，如一旦使用互聯(lián)網(wǎng)時發(fā)生了故障，電子通訊設(shè)備無法透過服務(wù)器設(shè)備獲得IP位置，從而導(dǎo)致在接入互聯(lián)網(wǎng)的過程中發(fā)生問題。

目前在多個地方使用不同的無線通訊設(shè)施，各個設(shè)備在使用中會彼此干涉和產(chǎn)生影響，如果造成的干擾性很大，對無線網(wǎng)的安全工作會造成很大危害，致使電子通訊設(shè)備處在不安定工作狀況中。無線局域網(wǎng)的使用容易遭受外界條件因素，導(dǎo)致的輸入輸出功率與頻度頻率遭受很大負(fù)面影響，對網(wǎng)絡(luò)的功能造成間接影響。通過對干擾源信號的頻譜范圍進(jìn)行監(jiān)控，就可以使系統(tǒng)對各種干涉特性的要求加以控制，然后再通過采用擴(kuò)頻和調(diào)頻等方式，對其與發(fā)射信號的不同頻加以調(diào)整。而面對于各種干涉要求，還必須進(jìn)行更加標(biāo)準(zhǔn)化的控制。如對硬件影響要素、設(shè)備故障、信號頻率范圍等方面加以管理。

為了應(yīng)對電子通信過程中的電磁波干擾問題，也相繼誕生出了一系列針對各類復(fù)雜應(yīng)用場景的電磁波抗干擾技術(shù)與通信設(shè)備。例如基于麥克斯韋的古典電氣學(xué)說，電氣輻射中同樣有電能和動力，而能量動力又分為直線動力和角動量。當(dāng)波束中存在與角向關(guān)聯(lián)的位相分布時，就會產(chǎn)生與角向位相分布關(guān)聯(lián)的角動量，叫做軌跡角動量假設(shè)一般電磁波的軌跡角動量模型為零，其波前是均勻平面波。而假設(shè)一般電磁波的OAM模型不為零，則其是螺旋形等角相位面的特定波前。具有螺旋狀相位波前的這種特殊電磁波，我們稱其為渦漩電磁波。同一頻段的波具有無限多模式，所以渦旋波在通訊中具備頻譜效率高、抗干擾能力的優(yōu)點(diǎn)。將它作為軍用通信有著得天獨(dú)厚的優(yōu)越性，如圖1所示。

圖1 各種常見OAM模式渦旋波束的相位波前Fig.1 Phase wavefronts of vortex beams of various common OAM modes

4 結(jié)論

電子通信技術(shù)是信息化時代應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，而當(dāng)前主流的移動通信、微波通信、衛(wèi)星通信都是基于電磁場與電磁波理論而產(chǎn)生的。可以說電磁場與電磁波理論是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)科理論，而由此研發(fā)實(shí)踐誕生的各類電子通信技術(shù)則是利用電磁場與電磁波理論的一種技術(shù)手段。因此，我們應(yīng)該重視電磁場與電磁波基礎(chǔ)理論的教育工作，將電磁場與電磁波課程作為電子電工職業(yè)教育的基礎(chǔ)課程。同時將電磁場與電磁波理論作為電子通信技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，進(jìn)一步發(fā)掘電磁場與電磁波理論在電子通信技術(shù)領(lǐng)域的潛力。