電磁場與電磁波在電子通訊中的應用

張皓宇

摘 要：電磁場的作用產生了電磁波，而信息可以通過電磁波為載體進行傳播，現如今我們所使用的一切電子設備通訊功能都離不開電磁場與電磁波。電磁場與電磁波推動了通信技術的發展，通信技術也促進了電磁場與電磁波的進一步研究，可以說他們是相互影響的。本文將對電磁場與電磁波的基本作用原理以及通訊中的用途和應用方式進行研討，希望可以為通訊行業的發展做出貢獻。

關鍵詞：電磁場;電磁波;應用;電子通訊

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0017-02

0 引言

電磁場與電磁波從被發現到證實再到現如今的應用可以說是經歷了漫長的歷程，現在生活中的一切基本都離不開電磁場與電磁波，我們所使用的通信方式大多都是電磁波通訊，電磁場與電磁波對于現在的信息時代極為重要，它提高了信息傳遞的速度、效率和準確度，所以說，我們有必要對電磁場與電磁波對信息傳遞的應用進行進一步研究分析。

1 電磁場與電磁波的概述

1.1 電磁場與電磁波發展歷程

1.1.1 電與磁

英國科學家吉爾伯特最先發現了電和磁之間有著密切的關系，但由于當時技術的限制，他只能發現現象而無法對其本質進行進一步探究，但是這個發現卻為之后的電磁研究奠定了基礎。

1.1.2 法拉第對電磁學的研究

繼吉爾伯特之后，法拉第進一步對電磁之間的關系進行研究。他通過實驗的方式，將磁棒插入導線圈產生了電流以此證明了電與磁之間的關系。為之后得出位移電流等概念奠定了基礎。

1.1.3 麥克斯韋與電磁場

在以上科學家、學者做出貢獻的基礎上，英國物理學家麥克斯韋經過不懈努力后，測出了電磁場的存在，并發現了電與磁的宏觀基本規律，并且建立了電場、磁場的偏微分方程組，這其中也包含了電荷密度、電流密度的關系。由此，電磁場與電磁波的完整理論正式建立起來，并且在不斷發展與完善[1]。

1.2 電磁場與電磁波的關系

1.2.1 電磁場的基本概念

所謂電磁場其實是一種帶電物體產生的一種物理場，這種場會使處于場中的帶電物體產生力的作用。電磁場是電場和磁場隨時間互相因果轉化產生的，磁場是由移動的電荷或電場產生，而電場中磁通量的變化又產生了電流。所以電磁場的產生方式有兩種：有加速度的帶電粒子產生;也可由強弱變化的電流產生。

1.2.2 電場與磁場的作用方式

電場的作用方式表現為對在電場中移動的電荷做功（即電場的能量）而磁場的作用方式表現在對放入其中磁體產生力的作用。

1.2.3 電磁波

電磁波是電磁場的一種表現形式，電磁場以光速傳播產生了電磁波。本質上來講，電磁波是由電場和磁場在空間中相互垂直衍射放射的震蕩粒子波，三者相互垂直。電磁波的傳播速度為光速，無需介質。因為電磁波是橫波，當其能階躍遷過輻射臨界點，便以光的形式向外輻射，此階段波體為光子，電磁波按照不同的頻率分為：無線電波、微波、紅外線和可見光等。并且光的波長越長，頻率也就越低，而光是由放射源產生的，放射源溫度越高，波長越短。電磁波輻射的原理便是電磁場會以一個點為中心向四周移動形成電磁波，在較高頻的電磁波的震蕩過程中電與磁的轉換極為快速而無法收回全部轉換過程中產生的能量而損耗能量，丟失的能量會擴散出去，這就是電磁波輻射原理[2]。

2 電磁場與電磁波在通信系統中的應用簡介

2.1 應用方式

電磁波廣泛應用于通信行業，主要應用于移動通訊、微波通訊以及衛星通訊。

2.1.1 移動通訊

第一代通訊技術采用的蜂窩移動通信技術，但隨著用戶的增多和用戶需求提升，隨之發展起來的傳輸技術取代了蜂窩技術，這就是第二代移動通信技術，這兩代技術為通訊技術的發展起到了重要的基礎作用。第三代通訊技術（即3G）在上一代基礎上大大提高了傳輸速度，此外還與互聯網結合，實現了較為全能化的通訊技術，這使人們的出行通訊變得更加便利。此時三大電信運營商主推了WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA[3]。這使電子通信技術不僅使無線頻率的利用效率空前提升，而且通信速度也更快，同時還能支持各類多媒體功能的服務。而如今的第四代通訊技術（4G）進一步提升了傳輸速度，速度達到100MB/s，也優化了無線頻率應用效率，完美與網絡相結合。相比第三代，第四代還添加了頻率轉換這一功能使得通信技術更為便捷。5G通信技術的標準制定權近年來被多個國家爭奪，我國自然也不甘落后，可以預見，未來的5G通信系統中，電磁場和電磁波的應用水平會進一步提升，功能和配置也會進一步完善，這必將給用戶帶來更好的移動通信體驗。

2.1.2 微波通訊

電磁波在微波通訊中發揮了極大作用，電磁波通過傳送載體的方式來實現信息傳遞。在微波通訊領域中所使用的電磁波波長通常在0.1毫米到1米之間，微波通訊是直接以電磁波為傳輸介質，因為微波波長小、頻率高，所以其傳播效率高、容量大、質量好、傳輸損耗小、抗干擾能力強。但也正因為微波因為波長較小的緣故，所以在傳輸中很容易遭到物體阻礙，而這會致使通信質量急劇下降，因此為了加強微波的傳輸作用，現實中一般會采用接力傳輸的方式，即每隔一定距離就設置一個微波增強裝置，通過對微波信號的增強來彌補中途傳輸的消耗。因此微波通訊多用于通信網，以及軍事通信領域，是一項高效的傳輸技術。

2.1.3 衛星通訊

衛星通訊最早起始于二戰，電磁波與電磁場的技術因此得到了廣泛的應用，從1958年美國第一顆服務與通訊技術的衛星發射，到1964年衛星導航的問世，再到1969定點同步衛星的成功發射，衛星通訊開始被世界認可并成為重要的通訊方式。在中國，衛星通訊也是得到廣泛應用。從上世紀七十年代發展到現在，中國已經和200多個國家通過衛星通訊展開了通訊業務。衛星通訊系統是由三個軌道形成，根據不同的位置與高度分為低軌道衛星、同步衛星、高軌道衛星，衛星系統的相互配合傳輸不僅提高了電磁信息的傳遞效率，還增大了衛星覆蓋面積。我們出行所使用的導航、天氣預報以及新聞都是衛星通訊技術所給予的。而這正是基于電磁場與電磁波的理論應用與技術發展。

2.2 傳輸原理與關鍵技術

電磁波傳輸原理：不論是微波通訊還是衛星通訊，其都是以電磁波作為信息載體進行傳播，而電磁波正是由電磁場的定向移動形成的。電磁波以光速在空氣中攜帶信息傳播，在傳播過程中由于濾波器的影響會造成濾波作用，這樣可以對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行選擇濾除，得到一個特定頻率的電源信號[4]，或消除一個特定頻率后的電源信號。由于微波的頻率極高，波長又很短，故在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此微波通信的主要方式是視距通信，超過視距以后需要中繼轉發，所以通信時，需要每隔50公里左右，就設置一個中繼站，將電磁波放大轉發而延伸，這種通信方式，可以經過幾十次中繼而傳至數千公里仍可保持很高的通信質量。

關鍵技術（MIMO）：該技術是指在發送機和接收機之間采用多個無線收發器來建立多個信道通道，從而能夠在不增加帶寬的情況成倍改善UE的通信質量或提高通信效率的技術[5]，MIMO技術的主要作用有兩個：一是通過為系統提供空間復用增益來提高信道容量，二是提升空間分集增益來防止信道衰落。隨著移動通信技術的不斷進步、技術標準不斷更新發展、用戶需求的不斷增加，4G系統終將會被取代，而MIMO數據傳輸速率理論上可以提升到每秒千兆比特，這也為5G技術的開展奠定了堅實的基礎。5G技術大量應用了單位比特消耗MIMO技術，但是在目前的小區蜂窩天線配置模式下，MIMO傳輸系統會出現頻譜和功率提升的問題，為此，通信工作者提出用大規模陳列天線替代蜂窩天線，由此形成大規模的MIMO無線通信環境，來改善相關問題。

3 結語

通過上文所敘述的內容可以看出如今的各種通訊技術都離不開電磁波，而電磁波的本身便是由電磁場產生的，電磁波通信的發展離不開先前科學家對電磁場等基礎理論的研究，所以說今天的科技世界是科學家們打下的基礎，前沿的科技是以嚴謹的科學理論為基礎，所以我們要加強對以電磁波電磁場為例的基礎科學的重視，用科學帶動科技不斷發展！

參考文獻

[1] 曹建章.電磁場與電磁波理論基礎[M].科學出版社，2010.

[2] 王斌，郝宏剛，阮巍，等.”電磁場與電磁波”與”電磁學”的區別與銜接[J].讀寫算：教師版，2016（15）：4-5.

[3] 陳玉林.電磁場與電磁波在電子通信技術中的應用[J].科技創新導報，2015，12（31）：33-34.

[4] 遲航民.電子通信技術中電磁場與電磁波的應用分析[J].科技風，2017（10）：70.

[5] 凌璟.子通信技術中電磁場和電磁波的運用[J].山東工業技術，2017（16）：146.