电磁场与电磁波在电子通信技术中的应用

赵 娟

（河南工业贸易职业学院，河南 郑州 451191）

0 引 言

电子通信是电子工程中的重要技术，其主要起到信息传输和处理的作用，拉近了人与人之间的距离，提高了社会各项生产力。电磁场与电磁波是促进通信技术发展的2大介质，2者之间存在着紧密的关联性，将其应用在电子通信技术中，能够满足人们多样化的通信需求。

1 电磁场与电磁波

1.1 电磁场

电磁场是由带电物体所产生的一种物理场，其主要由内在联系与相互依存的电场与磁场所构成，可以由带电的粒子引起，也可以由强弱变化的电流引起。电磁场以光速向四周传播，形成电磁波，具有一定的能量以及动量，以物质的方式存在，其性质、特征以及运动变化规律均由麦克斯韦方程组确定[1]。根据时间变化的不同，电磁场分为时变电磁场和静态电磁场，其中时变电磁场所产生的效应对电工技术发展起到了决定性作用。

1.2 电磁波

电磁波的主要构成元素是震荡粒子波，由互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射而成，主要以波动的方式传输。电磁波的电场、磁场以及传播方向互相垂直，因此可以断定电磁波是横波。电场与磁场总会同时出现和消失，并可以进行转换，因此将电波与磁波统称为电磁波。从量子力学的角度来说，电磁波的能量以一份份的光子呈现，在一定的频率范围内可以被肉眼识别到[2]。

2 电子通信技术的发展历程

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现电流的磁效应。1831年，法拉第首次发现电磁感应现象，为后期电磁式电报机的发明奠定了良好的基础。1844年，美国科学家莫尔斯利用长途电波通信实现了全球第一份电报的远程输送。随着对电磁波与电磁场的深入研究，进一步推动了通信技术的发展。1876年，贝尔发明了电话机，预示着人们传递信息将不再仅仅依靠文字形式开展[3]。

进入电通信阶段，电磁波与电磁场理论得到了进一步的发展。1891年，美国人史瑞乔发明了自动电话选择器，实现了电话线路自动联通[4]。随着无线电技术的问世，电视、广播等媒体技术也进入了大众的视野。1964年，世界上第一台数字电子计算机诞生，不仅推动了通信技术的发展，还改变了人们的生产与生活方式。1992年以后，全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM） 的应用也使得电子通信技术进入了一个前所未有的发展时期，从原有的1G、2G、3G网络到现在高速率、高稳定性的4G、5G网络都离不开电磁场与电磁波理论的加持，为提高社会生产力做出了贡献[5]。

3 电子通信技术中电磁场和电磁波的应用

3.1 在卫星通信中的应用

卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站实现无线电的转发，保证2个或2个以上的地球站之间能够实现通信作业。卫星通信中充分应用了电磁场与电磁波原理，使得信息可以实现无障碍输送。卫星通信运作原理如图1所示。

图1 卫星通信运作原理

以甚小口径卫星通信终端（Very Small Aperture Terminal，VSAT）卫星通信技术为例，在其中利用电磁场与电磁波可以提高通信作业的智能性，为人们提供更加丰富、直接的服务，包括传输业务、业务支撑、支撑管理以及管理操作等。在环境复杂的条件下，仍然可以完成低能耗、高集成、准确通信作业，当前主要应用于大型基建工程和军事等方面[6]。

随着电磁场与电磁波理论的深度发掘，依据通信卫星使用性能的不同，目前大致可以分为大气通信站、海洋通信站、地面通信站。应用电磁场与电磁波原理可以提高卫星通信的强度，网络的覆盖面积更广，不容易受距离和运营商的限制，能够实现1个网络多个业务作业的通信模式。同步卫星相对关系如图2所示。

图2 同步卫星相对关系

3.2 在移动通信技术中的应用

以全入网通信系统（Total Access Communications System，TACS）模拟数字信号移动设备为例，其通过信号模拟和频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）的方式，实现了移动通信技术的突破。5G技术在原有4G技术传输速度快、连接方式多样化的基础上，又提高了通信作业的稳定性，能够为用户提供虚拟现实（Virtual Reality，VR）、3D视频等智能服务，提升了人、机、物之间的互联共通性[7]。

以构建智慧园区为例，充分发挥电磁场与电磁波所具备的优势。利用5G技术实现了多信息、高速率传输的目标，空中接口时延不足1 ms，并且支持多个应用场景，企业可以根据自身的实际需求设计操作系统，有效解决了园区范围大不能实现网络全覆盖的问题。电磁波与电磁场在电子通信技术的革新中发挥着重要作用，改变了人们的生活与生产方式，实现了传统业务流程的转型。

3.3 在微波通信技术中的应用

微波通信技术需要利用0.1 mm～1 m波长的电磁波完成通信，所对应的频率范围在300 MHz～3 000 GHz。微波通信技术直接利用微波作为介质实现通信，无须其他固体介质的加持。如果2个通信点之间的距离是直线，则能够实现无障碍传送，具备容量大、质量高、距离远的特征，当前被广泛应用于各类专用通信网络。

根据信道性质和传输媒质的不同，可以将微波技术分为多种不同的类型，例如大气层视距地面微波通信技术、对流层超视距散射通信技术以及模拟微波通信技术等[8]。随着我国科学技术的不断发展，当前微波通信技术的主要研究方向为高频段、高集成化、智能化以及低成本建设等，结合同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）数字通信多状态正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）调制技术能够进一步扩大微波通信的容量，加上无线电软件技术的应用，还能实现微波通信的智能化与低成本化，提高其适应能力。

3.4 电子通信干扰因素防治

电磁波与电磁场在电子通信技术中的传递需要依赖各种有形的导电体，在通信的过程中也存在着较多的干扰因素。在利用电磁波和电磁场原理开展相关通信业务时，技术人员要加大对既有问题和潜在问题的分析，并对问题现象进行严格管理，保证通信过程的安全稳定性，同时还要避免系统故障导致信息数据丢失等问题[9]。

在实际应用过程中，可以采用有线等效保密（Wired Equivalent Privacy，WEP）协议技术，其具备加密管理的功能，能够有效避免各类设备通信数据信息被盗取。为避免电磁干扰问题的出现，工作人员要加大对电磁干扰耦合进或耦合出芯片途径的研究，从源头上防治电磁干扰问题[10]。此外，也可以通过人工电磁超表面技术提高电磁抗干扰性能，提升天线罩结构的韧性[11]。

3.5 未来应用与发展的方向

未来电磁场与电磁波在电子通信技术中的应用，应满足更大容量、覆盖范围更广以及体验感更高的5G-Advanced无线通信技术的需求。电磁波有着极高的信息承载能力，利用此项优势能够建立新型通信系统架构，对于相关垂直行业的应用起到了推动作用。面向新型的通信系统框架，未来系统容量的评估和逼近容量系统的设计方法仍是需要研究的重点问题。

就当前的发展形势来看，需要将电磁信息理论与香农信息理论和麦克斯电磁理论有机结合，从而搭建一套具有统一性的理论框架，为未来评估系统性能和指导系统设计提供支持，推动我国无线通信技术的发展。目前我国在电磁信息理论的分析、信号处理、信道建模以及天线设计标准化等方面仍处于起步阶段，在未来需要通过相关学术界和产业界的共同努力实现我国电磁信息领域关键技术与创新应用形式的突破，从而掌握核心竞争力，在世界电子通信技术中大放异彩。

4 结 论

信息时代背景下，电磁场与电磁波作为电子通信过程中的重要介质，应加大对其应用方向的研究，深度发掘其存在的优势，实现电子通信技术的改进与创新，减少通信过程中的干扰因素。以科学发展观为指导理念，加强理论体系与实践作业的有机结合，从而推动我国电子工程信息科学技术的不断发展。