电磁场与电磁波在电子通讯中的应用

张皓宇

摘 要：电磁场的作用产生了电磁波，而信息可以通过电磁波为载体进行传播，现如今我们所使用的一切电子设备通讯功能都离不开电磁场与电磁波。电磁场与电磁波推动了通信技术的发展，通信技术也促进了电磁场与电磁波的进一步研究，可以说他们是相互影响的。本文将对电磁场与电磁波的基本作用原理以及通讯中的用途和应用方式进行研讨，希望可以为通讯行业的发展做出贡献。

关键词：电磁场;电磁波;应用;电子通讯

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）19-0017-02

0 引言

电磁场与电磁波从被发现到证实再到现如今的应用可以说是经历了漫长的历程，现在生活中的一切基本都离不开电磁场与电磁波，我们所使用的通信方式大多都是电磁波通讯，电磁场与电磁波对于现在的信息时代极为重要，它提高了信息传递的速度、效率和准确度，所以说，我们有必要对电磁场与电磁波对信息传递的应用进行进一步研究分析。

1 电磁场与电磁波的概述

1.1 电磁场与电磁波发展历程

1.1.1 电与磁

英国科学家吉尔伯特最先发现了电和磁之间有着密切的关系，但由于当时技术的限制，他只能发现现象而无法对其本质进行进一步探究，但是这个发现却为之后的电磁研究奠定了基础。

1.1.2 法拉第对电磁学的研究

继吉尔伯特之后，法拉第进一步对电磁之间的关系进行研究。他通过实验的方式，将磁棒插入导线圈产生了电流以此证明了电与磁之间的关系。为之后得出位移电流等概念奠定了基础。

1.1.3 麦克斯韦与电磁场

在以上科学家、学者做出贡献的基础上，英国物理学家麦克斯韦经过不懈努力后，测出了电磁场的存在，并发现了电与磁的宏观基本规律，并且建立了电场、磁场的偏微分方程组，这其中也包含了电荷密度、电流密度的关系。由此，电磁场与电磁波的完整理论正式建立起来，并且在不断发展与完善[1]。

1.2 电磁场与电磁波的关系

1.2.1 电磁场的基本概念

所谓电磁场其实是一种带电物体产生的一种物理场，这种场会使处于场中的带电物体产生力的作用。电磁场是电场和磁场随时间互相因果转化产生的，磁场是由移动的电荷或电场产生，而电场中磁通量的变化又产生了电流。所以电磁场的产生方式有两种：有加速度的带电粒子产生;也可由强弱变化的电流产生。

1.2.2 电场与磁场的作用方式

电场的作用方式表现为对在电场中移动的电荷做功（即电场的能量）而磁场的作用方式表现在对放入其中磁体产生力的作用。

1.2.3 电磁波

电磁波是电磁场的一种表现形式，电磁场以光速传播产生了电磁波。本质上来讲，电磁波是由电场和磁场在空间中相互垂直衍射放射的震荡粒子波，三者相互垂直。电磁波的传播速度为光速，无需介质。因为电磁波是横波，当其能阶跃迁过辐射临界点，便以光的形式向外辐射，此阶段波体为光子，电磁波按照不同的频率分为：无线电波、微波、红外线和可见光等。并且光的波长越长，频率也就越低，而光是由放射源产生的，放射源温度越高，波长越短。电磁波辐射的原理便是电磁场会以一个点为中心向四周移动形成电磁波，在较高频的电磁波的震荡过程中电与磁的转换极为快速而无法收回全部转换过程中产生的能量而损耗能量，丢失的能量会扩散出去，这就是电磁波辐射原理[2]。

2 电磁场与电磁波在通信系统中的应用简介

2.1 应用方式

电磁波广泛应用于通信行业，主要应用于移动通讯、微波通讯以及卫星通讯。

2.1.1 移动通讯

第一代通讯技术采用的蜂窝移动通信技术，但随着用户的增多和用户需求提升，随之发展起来的传输技术取代了蜂窝技术，这就是第二代移动通信技术，这两代技术为通讯技术的发展起到了重要的基础作用。第三代通讯技术（即3G）在上一代基础上大大提高了传输速度，此外还与互联网结合，实现了较为全能化的通讯技术，这使人们的出行通讯变得更加便利。此时三大电信运营商主推了WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA[3]。这使电子通信技术不仅使无线频率的利用效率空前提升，而且通信速度也更快，同时还能支持各类多媒体功能的服务。而如今的第四代通讯技术（4G）进一步提升了传输速度，速度达到100MB/s，也优化了无线频率应用效率，完美与网络相结合。相比第三代，第四代还添加了频率转换这一功能使得通信技术更为便捷。5G通信技术的标准制定权近年来被多个国家争夺，我国自然也不甘落后，可以预见，未来的5G通信系统中，电磁场和电磁波的应用水平会进一步提升，功能和配置也会进一步完善，这必将给用户带来更好的移动通信体验。

2.1.2 微波通讯

电磁波在微波通讯中发挥了极大作用，电磁波通过传送载体的方式来实现信息传递。在微波通讯领域中所使用的电磁波波长通常在0.1毫米到1米之间，微波通讯是直接以电磁波为传输介质，因为微波波长小、频率高，所以其传播效率高、容量大、质量好、传输损耗小、抗干扰能力强。但也正因为微波因为波长较小的缘故，所以在传输中很容易遭到物体阻碍，而这会致使通信质量急剧下降，因此为了加强微波的传输作用，现实中一般会采用接力传输的方式，即每隔一定距离就设置一个微波增强装置，通过对微波信号的增强来弥补中途传输的消耗。因此微波通讯多用于通信网，以及军事通信领域，是一项高效的传输技术。

2.1.3 卫星通讯

卫星通讯最早起始于二战，电磁波与电磁场的技术因此得到了广泛的应用，从1958年美国第一颗服务与通讯技术的卫星发射，到1964年卫星导航的问世，再到1969定点同步卫星的成功发射，卫星通讯开始被世界认可并成为重要的通讯方式。在中国，卫星通讯也是得到广泛应用。从上世纪七十年代发展到现在，中国已经和200多个国家通过卫星通讯展开了通讯业务。卫星通讯系统是由三个轨道形成，根据不同的位置与高度分为低轨道卫星、同步卫星、高轨道卫星，卫星系统的相互配合传输不仅提高了电磁信息的传递效率，还增大了衛星覆盖面积。我们出行所使用的导航、天气预报以及新闻都是卫星通讯技术所给予的。而这正是基于电磁场与电磁波的理论应用与技术发展。

2.2 传输原理与关键技术

电磁波传输原理：不论是微波通讯还是卫星通讯，其都是以电磁波作为信息载体进行传播，而电磁波正是由电磁场的定向移动形成的。电磁波以光速在空气中携带信息传播，在传播过程中由于滤波器的影响会造成滤波作用，这样可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行选择滤除，得到一个特定频率的電源信号[4]，或消除一个特定频率后的电源信号。由于微波的频率极高，波长又很短，故在空中的传播特性与光波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信，超过视距以后需要中继转发，所以通信时，需要每隔50公里左右，就设置一个中继站，将电磁波放大转发而延伸，这种通信方式，可以经过几十次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。

关键技术（MIMO）：该技术是指在发送机和接收机之间采用多个无线收发器来建立多个信道通道，从而能够在不增加带宽的情况成倍改善UE的通信质量或提高通信效率的技术[5]，MIMO技术的主要作用有两个：一是通过为系统提供空间复用增益来提高信道容量，二是提升空间分集增益来防止信道衰落。随着移动通信技术的不断进步、技术标准不断更新发展、用户需求的不断增加，4G系统终将会被取代，而MIMO数据传输速率理论上可以提升到每秒千兆比特，这也为5G技术的开展奠定了坚实的基础。5G技术大量应用了单位比特消耗MIMO技术，但是在目前的小区蜂窝天线配置模式下，MIMO传输系统会出现频谱和功率提升的问题，为此，通信工作者提出用大规模陈列天线替代蜂窝天线，由此形成大规模的MIMO无线通信环境，来改善相关问题。

3 结语

通过上文所叙述的内容可以看出如今的各种通讯技术都离不开电磁波，而电磁波的本身便是由电磁场产生的，电磁波通信的发展离不开先前科学家对电磁场等基础理论的研究，所以说今天的科技世界是科学家们打下的基础，前沿的科技是以严谨的科学理论为基础，所以我们要加强对以电磁波电磁场为例的基础科学的重视，用科学带动科技不断发展！

参考文献

[1] 曹建章.电磁场与电磁波理论基础[M].科学出版社，2010.

[2] 王斌，郝宏刚，阮巍，等.”电磁场与电磁波”与”电磁学”的区别与衔接[J].读写算：教师版，2016（15）：4-5.

[3] 陈玉林.电磁场与电磁波在电子通信技术中的应用[J].科技创新导报，2015，12（31）：33-34.

[4] 迟航民.电子通信技术中电磁场与电磁波的应用分析[J].科技风，2017（10）：70.

[5] 凌璟.子通信技术中电磁场和电磁波的运用[J].山东工业技术，2017（16）：146.