電磁場與電磁波在電子通信技術中的應用

趙 娟

（河南工業貿易職業學院，河南 鄭州 451191）

0 引 言

電子通信是電子工程中的重要技術，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，提高了社會各項生產力。電磁場與電磁波是促進通信技術發展的2大介質，2者之間存在著緊密的關聯性，將其應用在電子通信技術中，能夠滿足人們多樣化的通信需求。

1 電磁場與電磁波

1.1 電磁場

電磁場是由帶電物體所產生的一種物理場，其主要由內在聯系與相互依存的電場與磁場所構成，可以由帶電的粒子引起，也可以由強弱變化的電流引起。電磁場以光速向四周傳播，形成電磁波，具有一定的能量以及動量，以物質的方式存在，其性質、特征以及運動變化規律均由麥克斯韋方程組確定[1]。根據時間變化的不同，電磁場分為時變電磁場和靜態電磁場，其中時變電磁場所產生的效應對電工技術發展起到了決定性作用。

1.2 電磁波

電磁波的主要構成元素是震蕩粒子波，由互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發射而成，主要以波動的方式傳輸。電磁波的電場、磁場以及傳播方向互相垂直，因此可以斷定電磁波是橫波。電場與磁場總會同時出現和消失，并可以進行轉換，因此將電波與磁波統稱為電磁波。從量子力學的角度來說，電磁波的能量以一份份的光子呈現，在一定的頻率范圍內可以被肉眼識別到[2]。

2 電子通信技術的發展歷程

1820年，丹麥物理學家奧斯特發現電流的磁效應。1831年，法拉第首次發現電磁感應現象，為后期電磁式電報機的發明奠定了良好的基礎。1844年，美國科學家莫爾斯利用長途電波通信實現了全球第一份電報的遠程輸送。隨著對電磁波與電磁場的深入研究，進一步推動了通信技術的發展。1876年，貝爾發明了電話機，預示著人們傳遞信息將不再僅僅依靠文字形式開展[3]。

進入電通信階段，電磁波與電磁場理論得到了進一步的發展。1891年，美國人史瑞喬發明了自動電話選擇器，實現了電話線路自動聯通[4]。隨著無線電技術的問世，電視、廣播等媒體技術也進入了大眾的視野。1964年，世界上第一臺數字電子計算機誕生，不僅推動了通信技術的發展，還改變了人們的生產與生活方式。1992年以后，全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM） 的應用也使得電子通信技術進入了一個前所未有的發展時期，從原有的1G、2G、3G網絡到現在高速率、高穩定性的4G、5G網絡都離不開電磁場與電磁波理論的加持，為提高社會生產力做出了貢獻[5]。

3 電子通信技術中電磁場和電磁波的應用

3.1 在衛星通信中的應用

衛星通信是利用人造地球衛星作為中繼站實現無線電的轉發，保證2個或2個以上的地球站之間能夠實現通信作業。衛星通信中充分應用了電磁場與電磁波原理，使得信息可以實現無障礙輸送。衛星通信運作原理如圖1所示。

圖1 衛星通信運作原理

以甚小口徑衛星通信終端（Very Small Aperture Terminal，VSAT）衛星通信技術為例，在其中利用電磁場與電磁波可以提高通信作業的智能性，為人們提供更加豐富、直接的服務，包括傳輸業務、業務支撐、支撐管理以及管理操作等。在環境復雜的條件下，仍然可以完成低能耗、高集成、準確通信作業，當前主要應用于大型基建工程和軍事等方面[6]。

隨著電磁場與電磁波理論的深度發掘，依據通信衛星使用性能的不同，目前大致可以分為大氣通信站、海洋通信站、地面通信站。應用電磁場與電磁波原理可以提高衛星通信的強度，網絡的覆蓋面積更廣，不容易受距離和運營商的限制，能夠實現1個網絡多個業務作業的通信模式。同步衛星相對關系如圖2所示。

圖2 同步衛星相對關系

3.2 在移動通信技術中的應用

以全入網通信系統（Total Access Communications System，TACS）模擬數字信號移動設備為例，其通過信號模擬和頻分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）的方式，實現了移動通信技術的突破。5G技術在原有4G技術傳輸速度快、連接方式多樣化的基礎上，又提高了通信作業的穩定性，能夠為用戶提供虛擬現實（Virtual Reality，VR）、3D視頻等智能服務，提升了人、機、物之間的互聯共通性[7]。

以構建智慧園區為例，充分發揮電磁場與電磁波所具備的優勢。利用5G技術實現了多信息、高速率傳輸的目標，空中接口時延不足1 ms，并且支持多個應用場景，企業可以根據自身的實際需求設計操作系統，有效解決了園區范圍大不能實現網絡全覆蓋的問題。電磁波與電磁場在電子通信技術的革新中發揮著重要作用，改變了人們的生活與生產方式，實現了傳統業務流程的轉型。

3.3 在微波通信技術中的應用

微波通信技術需要利用0.1 mm～1 m波長的電磁波完成通信，所對應的頻率范圍在300 MHz～3 000 GHz。微波通信技術直接利用微波作為介質實現通信，無須其他固體介質的加持。如果2個通信點之間的距離是直線，則能夠實現無障礙傳送，具備容量大、質量高、距離遠的特征，當前被廣泛應用于各類專用通信網絡。

根據信道性質和傳輸媒質的不同，可以將微波技術分為多種不同的類型，例如大氣層視距地面微波通信技術、對流層超視距散射通信技術以及模擬微波通信技術等[8]。隨著我國科學技術的不斷發展，當前微波通信技術的主要研究方向為高頻段、高集成化、智能化以及低成本建設等，結合同步數字體系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）數字通信多狀態正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）調制技術能夠進一步擴大微波通信的容量，加上無線電軟件技術的應用，還能實現微波通信的智能化與低成本化，提高其適應能力。

3.4 電子通信干擾因素防治

電磁波與電磁場在電子通信技術中的傳遞需要依賴各種有形的導電體，在通信的過程中也存在著較多的干擾因素。在利用電磁波和電磁場原理開展相關通信業務時，技術人員要加大對既有問題和潛在問題的分析，并對問題現象進行嚴格管理，保證通信過程的安全穩定性，同時還要避免系統故障導致信息數據丟失等問題[9]。

在實際應用過程中，可以采用有線等效保密（Wired Equivalent Privacy，WEP）協議技術，其具備加密管理的功能，能夠有效避免各類設備通信數據信息被盜取。為避免電磁干擾問題的出現，工作人員要加大對電磁干擾耦合進或耦合出芯片途徑的研究，從源頭上防治電磁干擾問題[10]。此外，也可以通過人工電磁超表面技術提高電磁抗干擾性能，提升天線罩結構的韌性[11]。

3.5 未來應用與發展的方向

未來電磁場與電磁波在電子通信技術中的應用，應滿足更大容量、覆蓋范圍更廣以及體驗感更高的5G-Advanced無線通信技術的需求。電磁波有著極高的信息承載能力，利用此項優勢能夠建立新型通信系統架構，對于相關垂直行業的應用起到了推動作用。面向新型的通信系統框架，未來系統容量的評估和逼近容量系統的設計方法仍是需要研究的重點問題。

就當前的發展形勢來看，需要將電磁信息理論與香農信息理論和麥克斯電磁理論有機結合，從而搭建一套具有統一性的理論框架，為未來評估系統性能和指導系統設計提供支持，推動我國無線通信技術的發展。目前我國在電磁信息理論的分析、信號處理、信道建模以及天線設計標準化等方面仍處于起步階段，在未來需要通過相關學術界和產業界的共同努力實現我國電磁信息領域關鍵技術與創新應用形式的突破，從而掌握核心競爭力，在世界電子通信技術中大放異彩。

4 結 論

信息時代背景下，電磁場與電磁波作為電子通信過程中的重要介質，應加大對其應用方向的研究，深度發掘其存在的優勢，實現電子通信技術的改進與創新，減少通信過程中的干擾因素。以科學發展觀為指導理念，加強理論體系與實踐作業的有機結合，從而推動我國電子工程信息科學技術的不斷發展。