從電磁場觀點審視寬頻帶的無線通信

摘要: 指出移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量無法一直依靠增加基地臺的數(shù)組天線個數(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、多媒體寬頻帶通信的諸多困難。

1 電磁場與移動無線通信

    伴隨3G 的普及和4G 無線移動通信的來臨，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代移動通信數(shù)據(jù)傳輸率小于200kbit/s，到2000年的第3代移動通信數(shù)據(jù)傳輸率小于2 Mbit/s，再到2010 年的第4 代移動通信，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到100 Mbit/s。這個趨勢可由香農(nóng)信道容量理論來描述[1]：

    在（1）中, Bi 是信道帶寬，PS 是信號強度，PN 是干擾強度。從調(diào)變技術(shù)的演進過程可看出，為了更有效地提高傳輸數(shù)據(jù)量，科學(xué)家已把調(diào)變方法從時間域轉(zhuǎn)到頻率域，再轉(zhuǎn)到碼域中。唯一可以繼續(xù)開拓的只有空間域了，可見將來5G 的技術(shù)關(guān)鍵將是空間信道技術(shù)。通過增加每個基站的天線數(shù)或增加通道數(shù)Bi，或增加信號功率對雜波功率比，都可以增加信號通載量。而使用多輸入多輸出（MIMO）來增加無線基站的傳送數(shù)據(jù)能力，已是相當(dāng)普遍的做法了。基站或基站天線數(shù)的增加，也已無法讓無線信道容量呈線性增加，甚至當(dāng)天線增加到移動數(shù)量后信號容量也無法再提升。從上述觀察我們可看出現(xiàn)今的通信技術(shù)無論在硬件或軟件似乎達(dá)到某一極限。這對4G 移動通信的改進以及未來5G 移動通信的設(shè)計都蒙上一層陰影。是不是現(xiàn)今無線移動通信理論面臨無法突破的障礙？ 頻寬不足是真實的主因嗎？ 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)信道容量理論的實際使用狀況進行討論。

2 近場、遠(yuǎn)場的電磁現(xiàn)象及其影響

    在香農(nóng)信道容量理論中PS 及PN 是代表兩個標(biāo)量（正實數(shù)），其前提條件是天線的輻射場是遠(yuǎn)場。目前移動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對信道產(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估算多徑。

•天線輻射的電磁波是在自由無界的空間。

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

    從電磁場理論可以知道，自由平面電磁波是一個矢量波，并且波的特征和天線的放置有關(guān)，但實際的天線都是假設(shè)在離地面一定高度的地方，而地面均被假設(shè)是一個良好的無限大導(dǎo)體。這時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，也會產(chǎn)生反射波和表面波。無論是基站的設(shè)置或是室內(nèi)Wi-Fi 接入點的架設(shè)，人們往往沒有考慮到上述的這些情形。

3 近場、遠(yuǎn)場表面波

    天線種類非常多，除了熟知的方向性天線如號角天線，電流流動雙極式天線、單極式天線或磁流流動的回路天線，另外還有貼片天線等[2-4]。這些不同的天線置于實際的無線通信環(huán)境中，其輻射場型（遠(yuǎn)場）往往產(chǎn)生大幅變化。因為，有所謂的鏡像電流伴隨邊界條件而產(chǎn)生[5- 8]。由于是矢量的電磁場，天線的輻射源和它的鏡像所產(chǎn)生的綜合場型會產(chǎn)生建設(shè)性或破壞性電磁輻射場，這使得遠(yuǎn)場場型更加不易掌握。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，都會對遠(yuǎn)場輻射產(chǎn)生很大影響[9-10]。有兩個值得注意的問題：(1) 多遠(yuǎn)才是遠(yuǎn)場?一般可用d > 2D 2/λ 0 來評估距離天線多遠(yuǎn)才是遠(yuǎn)場。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，λ 0 代表天線操作頻率對應(yīng)的波長。假設(shè)一個1.0 GHz 雙極化天線懸掛在20 m 空中，其遠(yuǎn)場大約是2.67 km 之外。我們可以推測，大部分時候，我們是在天線的近場范圍內(nèi)工作。同時，天線也會激發(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，但是它的存在對電磁無線通道的影響，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，除了反射和折射外，地表的表面波也會和入射波一起作用。 (2) 是否能對表面波多加利用？我們不僅可以增加通道，還可以改進無線移動通信品質(zhì)。眾所周知，光是電磁波。太陽離我們很遠(yuǎn)，可以假設(shè)成遠(yuǎn)場合電源。即使如此，當(dāng)陽光照射到水面時（水面這時候可以假設(shè)成理想導(dǎo)體表面），水中不僅僅是一個太陽的鏡像。我們常常看到一條太陽的帶子在水面上。如果把我們的眼睛當(dāng)作接收天線（點源），我們除了接收到了太陽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 近場的波阻抗

    天線在遠(yuǎn)場時，有明確的輻射場型；而在近場時，它的輻射場型隨觀察點到天線的距離變化而變化[11- 14]。因此，近場輻射場型是不確定的。利用精準(zhǔn)全波電磁場論我們可計算在近場時，電磁波的傳播方向由電場（Et）及磁場（Ht）決定, 所呈現(xiàn)的波阻抗特性。波的阻抗（Z0）由電場（Et）除以磁場（Ht）計算得出。由于電場與磁場均為向量，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數(shù)之阻抗匹配設(shè)計是截然不同的，也解釋了為什么實際使用香農(nóng)信道容量理論一直無法達(dá)到它應(yīng)有的理論的上限值。

5 陣列天線的模型

    無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，而忽略了實際上電磁場的是運作在矢量場的狀況。雖然大量的文獻(xiàn)報導(dǎo)了天線（輻射源）與天線（輻射源）之間的藕合對通道的影響，但是卻忽略了它們是電磁信號源。無論何種形式，都是矢量信號源，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型。因此，只有準(zhǔn)確地計算Maxwell 方程式所描述的物理狀況才能讓陣列天線信號處理變得有意義。陣列天線的近場模型，不僅具有單一天線時的復(fù)數(shù)波阻抗，同時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，即是這種多模天線狀態(tài)的線性組合[15]。電磁場是一個矢量場的基本物理事實，一方面讓標(biāo)量場假設(shè)所導(dǎo)出的信號處理方式變得過度簡化，另一方面也騰出一個大幅改進現(xiàn)今信號處理天線陣列的巨大空間，得以改善4G 無線移動通信，或進一步研發(fā)更有效率的無線移動通信的空間使用，但這都可源自精確掌握實際電磁場的電路效應(yīng)。

6 結(jié)束語

    文章簡述了電磁波在無線電環(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, 則無法對信號處理進行最佳化設(shè)計。這是因為大幅度違背物理現(xiàn)象, 則不可能有最佳設(shè)計，因此無法讓無線電通道傳播更大量且更高速的數(shù)據(jù)。另一方面，用精確電磁計算得到的天線輻射模型，無論是近場或遠(yuǎn)場，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與雜波的比值（S/N）。因此，無線電通道和天線系統(tǒng)間電磁物理現(xiàn)象的掌握，對4G、5G 等高速移動無線通信，會有重要的貢獻(xiàn)。

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作者：馬建國 蔡彥麗 莊晴光 來源：《中興通訊技術(shù)》2014年第4期