從電磁場(chǎng)觀點(diǎn)審視寬頻帶的無(wú)線通信

指出移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量無(wú)法一直依靠增加基地臺(tái)的數(shù)組天線個(gè)數(shù)提升，認(rèn)為電磁波在復(fù)雜的立體空間傳播所產(chǎn)生各種穿透與反射的波傳遞現(xiàn)象深深影響了數(shù)據(jù)流量。提出了可能的有效物理方法或路徑，用以克服高速移動(dòng)、多媒體寬頻帶通信的諸多困難。

1 電磁場(chǎng)與移動(dòng)無(wú)線通信

伴隨3G的普及和4G無(wú)線移動(dòng)通信的來(lái)臨，基站數(shù)目隨之增加，以滿足高速而大量的數(shù)據(jù)傳輸量。1990年的第2代移動(dòng)通信數(shù)據(jù)傳輸率小于200kbit/s，到2000年的第3代移動(dòng)通信數(shù)據(jù)傳輸率小于 2 Mbit/s，再到2010 年的第4代移動(dòng)通信，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到100 Mbit/s。這個(gè)趨勢(shì)可由香農(nóng)信道容量理論來(lái)描述：

在（1）中, Bi是信道帶寬，PS是信號(hào)強(qiáng)度，PN是干擾強(qiáng)度。從調(diào)變技術(shù)的演進(jìn)過(guò)程可看出，為了更有效地提高傳輸數(shù)據(jù)量，科學(xué)家已把調(diào)變方法從時(shí)間域轉(zhuǎn)到頻率域，再轉(zhuǎn)到碼域中。唯一可以繼續(xù)開(kāi)拓的只有空 間域了，可見(jiàn)將來(lái)5G的技術(shù)關(guān)鍵將是空間信道技術(shù)。通過(guò)增加每個(gè)基站的天線數(shù)或增加通道數(shù)Bi，或增加信號(hào)功率對(duì)雜波功率比，都可以增加信號(hào)通載量。而使用多輸入多輸出（MIMO） 來(lái)增加無(wú)線基站的傳送數(shù)據(jù)能力，已是相當(dāng)普遍的做法了?；净蚧咎炀€數(shù)的增加，也已無(wú)法讓無(wú)線信道容量呈線性增加，甚至當(dāng)天線增加到移動(dòng)數(shù)量后信號(hào)容量 也無(wú)法再提升。從上述觀察我們可看出現(xiàn)今的通信技術(shù)無(wú)論在硬件或軟件似乎達(dá)到某一極限。這對(duì)4G 移動(dòng)通信的改進(jìn)以及未來(lái)5G 移動(dòng)通信的設(shè)計(jì)都蒙上一層陰影。是不是現(xiàn)今無(wú)線移動(dòng)通信理論面臨無(wú)法突破的障礙？ 頻寬不足是真實(shí)的主因嗎？ 文章將從電磁理論與技術(shù)角度，探討電磁波傳導(dǎo)現(xiàn)象，并結(jié)合香農(nóng)信道容量理論的實(shí)際使用狀況進(jìn)行討論。

2 近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)的電磁現(xiàn)象及其影響

在香農(nóng)信道容量理論中PS及PN是代表兩個(gè)標(biāo)量（正實(shí)數(shù)），其前提條件是天線的輻射場(chǎng)是遠(yuǎn)場(chǎng)。目前移動(dòng)通信信道分析中普遍采用如下的一些假設(shè)：

•不考慮發(fā)射天線和接收天線的幾何尺寸。

•不考慮接收發(fā)射天線間的幾何走向，也就是假設(shè)接發(fā)收天線相互水平放置或垂直放置都不會(huì)對(duì)信道產(chǎn)生任何的影響。

•不考慮接發(fā)收天線幾何大小的不同。

•電磁波在空間的傳播是標(biāo)量，可利用射線跟蹤法來(lái)估算多徑。

•天線輻射的電磁波是在自由無(wú)界的空間。

這時(shí)PS及PN所代表的物理量必須是遠(yuǎn)場(chǎng)才有可能實(shí)現(xiàn)。如果是近場(chǎng)的情況，PS 及PN 是復(fù)數(shù)，此時(shí)香農(nóng)信道容量理論無(wú)法代入復(fù)數(shù)量。

從電磁場(chǎng)理論可以知道，自由平面電磁波是一個(gè)矢量波，并且波的特征和天線的放置有關(guān)，但實(shí)際的天線都是假設(shè)在離地面一定高度的地方，而地面均被假設(shè)是一個(gè)良好的無(wú)限大導(dǎo)體。這時(shí)候除去射線跟蹤法中描述的LoS路徑外，還存在著許多其他的波傳輸路徑，最主要的是地面發(fā)射波和表面波。同樣，當(dāng)天線輻射的電磁波照射到立體的建筑物表面時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生反射波和表面波。無(wú)論是基站的設(shè)置或是室內(nèi)Wi-Fi接入點(diǎn)的架設(shè)，人們往往沒(méi)有考慮到上述的這些情形。

3 近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)表面波

天線種類非常多，除了熟知的方向性天線如號(hào)角天線，電流流動(dòng)雙極式天線、單極式天線或磁流流動(dòng)的回路天線，另外還有貼片天線等。這些不同 的天線置于實(shí)際的無(wú)線通信環(huán)境中，其輻射場(chǎng)型（遠(yuǎn)場(chǎng)）往往產(chǎn)生大幅變化。因?yàn)?，有所謂的鏡像電流伴隨邊界條件而產(chǎn)生。由于是矢量的電磁場(chǎng)，天線的輻射源和它的鏡像所產(chǎn)生的綜合場(chǎng)型會(huì)產(chǎn)生建設(shè)性或破壞性電磁輻射場(chǎng)，這使得遠(yuǎn)場(chǎng)場(chǎng)型更加不易掌握。

因此，天線的擺設(shè)，譬如極化方向、天線和周邊環(huán)境的物理距離，譬如天線Aperture，都會(huì)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射產(chǎn)生很大影響。有兩個(gè)值得注意的問(wèn)題：(1) 多遠(yuǎn)才是遠(yuǎn)場(chǎng)?一般可用d > 2D2/λ0來(lái)評(píng)估距離天線多遠(yuǎn)才是遠(yuǎn)場(chǎng)。其中，d 代表物體距天線的距離，D 代表天線的有效輻射面積，λ0代表天線操作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。假設(shè)一個(gè)1.0GHz 雙極化天線懸掛在20 m 空中，其遠(yuǎn)場(chǎng)大約是2.67km之外。我們可以推測(cè)，大部分時(shí)候，我們是在天線的近場(chǎng)范圍內(nèi)工作。同時(shí)，天線也會(huì)激發(fā)出地面的表面波。表面波的存在，使電磁傳播在地表更復(fù)雜。雖然表面波 的研究已有數(shù)十年了，但是它的存在對(duì)電磁無(wú)線通道的影響，迄今尚未有完整的研究。

天線所發(fā)出的電磁波，入射到地表時(shí)，除了反射和折射外，地表的表面波也會(huì) 和入射波一起作用。 (2) 是否能對(duì)表面波多加利用？我們不僅可以增加通道，還可以改進(jìn)無(wú)線移動(dòng)通信品質(zhì)。眾所周知，光是電磁波。太陽(yáng)離我們很遠(yuǎn)，可以假設(shè)成遠(yuǎn)場(chǎng)合電源。即使如此， 當(dāng)陽(yáng)光照射到水面時(shí)（水面這時(shí)候可以假設(shè)成理想導(dǎo)體表面），水中不僅僅是一個(gè)太陽(yáng)的鏡像。我們常常看到一條太陽(yáng)的帶子在水面上。如果把我們的眼睛當(dāng)作接收 天線（點(diǎn)源），我們除了接收到了太陽(yáng)直射光線和鏡像光線（射線跟蹤法可以描述）外，還收到了水面表面波。

4 近場(chǎng)的波阻抗

天線在遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)，有明確的輻射場(chǎng)型；而在近場(chǎng)時(shí)，它的輻射場(chǎng)型隨觀察點(diǎn)到天線的距離變化而變化。因此，近場(chǎng)輻射場(chǎng)型是不確定的。利用精準(zhǔn)全波電磁場(chǎng)論我們可計(jì)算在近場(chǎng)時(shí)，電磁波的傳播方向由電場(chǎng)（Et）及磁場(chǎng)（Ht）決定, 所呈現(xiàn)的波阻抗特性。波的阻抗（Z0）由電場(chǎng)（Et）除以磁場(chǎng)（Ht）計(jì)算得出。由于電場(chǎng)與磁場(chǎng)均為向量，包含大小與相位。因此，波的阻抗為復(fù)數(shù)值，不僅 隨距離變化，也隨天線極化方向（或天線之?dāng)[設(shè)）、天線的性質(zhì)、天線所處環(huán)境等等而有所不同，其特性類似于一般微小化天線的輸入阻抗特性。由此，如需要設(shè)置 近場(chǎng)的天線，可借精密電磁估算出復(fù)數(shù)的波阻抗。由此，我們得以將天線電路系統(tǒng)優(yōu)化。譬如采用共軛復(fù)數(shù)阻抗匹配來(lái)達(dá)到功率匹配目的，這和一般將天線輸入端視 為某一正實(shí)數(shù)之阻抗匹配設(shè)計(jì)是截然不同的，也解釋了為什么實(shí)際使用香農(nóng)信道容量理論一直無(wú)法達(dá)到它應(yīng)有的理論的上限值。

5 陣列天線的模型

無(wú)線通信理論工作者及工程師，往往視天線陣列（兩支天線或更多）中的天線為標(biāo)量輻射源，根據(jù)此假設(shè)推導(dǎo)出MIMO 使用狀況的空間通道模型，而忽略了實(shí)際上電磁場(chǎng)的是運(yùn)作在矢量場(chǎng)的狀況。雖然大量的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了天線（輻射源）與天線（輻射源）之間的藕合對(duì)通道的影響，但 是卻忽略了它們是電磁信號(hào)源。無(wú)論何種形式，都是矢量信號(hào)源，必須考慮天線的極化現(xiàn)象，加上天線尺寸的大小和形狀[2] 皆改變了電磁輻射場(chǎng)型。因此，只有準(zhǔn)確地計(jì)算Maxwell 方程式所描述的物理狀況才能讓陣列天線信號(hào)處理變得有意義。陣列天線的近場(chǎng)模型，不僅具有單一天線時(shí)的復(fù)數(shù)波阻抗，同時(shí)其藕合天線陣列自身也產(chǎn)生所謂多模 的狀態(tài)。而任意被激發(fā)出的陣列天線信號(hào)，即是這種多模天線狀態(tài)的線性組合。電磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)的基本物理事實(shí)，一方面讓標(biāo)量場(chǎng)假設(shè)所導(dǎo)出的信號(hào)處 理方式變得過(guò)度簡(jiǎn)化，另一方面也騰出一個(gè)大幅改進(jìn)現(xiàn)今信號(hào)處理天線陣列的巨大空間，得以改善4G 無(wú)線移動(dòng)通信，或進(jìn)一步研發(fā)更有效率的無(wú)線移動(dòng)通信的空間使用，但這都可源自精確掌握實(shí)際電磁場(chǎng)的電路效應(yīng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章簡(jiǎn)述了電磁波在無(wú)線電環(huán)境中如何扮演重要角色但又被忽略的情形。此現(xiàn)象若不予以適當(dāng)改進(jìn), 則無(wú)法對(duì)信號(hào)處理進(jìn)行最佳化設(shè)計(jì)。這是因?yàn)榇蠓冗`背物理現(xiàn)象, 則不可能有最佳設(shè)計(jì)，因此無(wú)法讓無(wú)線電通道傳播更大量且更高速的數(shù)據(jù)。另一方面，用精確電磁計(jì)算得到的天線輻射模型，無(wú)論是近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)，都提供了最佳化微波通信系統(tǒng)電路的解決方向，從而可大幅提升信號(hào)與雜波的比值（S/N）。因此，無(wú)線電通道和天線系統(tǒng)間電磁物理現(xiàn)象的掌握，對(duì)4G、5G 等高速移動(dòng)無(wú)線通信，會(huì)有重要的貢獻(xiàn)。