從電磁場觀點審視寬頻帶的無線通信
發布時間：2014-9-2 14:38
發布者：老電工
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，基站數目隨之增加，以滿足高速而大量的數據傳輸量。1990年的第2代移動通信數據傳輸率小于200kbit/s，到2000年的第3代移動通信數據傳輸率小于2 Mbit/s，再到2010 年的第4 代移動通信，數據傳輸率可達到100 Mbit/s。這個趨勢可由香農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。從調變技術的演進過程可看出，為了更有效地提高傳輸數據量，科學家已把調變方法從時間域轉到頻率域，再轉到碼域中。唯一可以繼續開拓的只有空間域了，可見將來5G 的技術關鍵將是空間信道技術。通過增加每個基站的天線數或增加通道數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據能力，已是相當普遍的做法了�；净蚧咎炀�數的增加，也已無法讓無線信道容量呈線性增加，甚至當天線增加到移動數量后信號容量也無法再提升。從上述觀察我們可看出現今的通信技術無論在硬件或軟件似乎達到某一極限。這對4G 移動通信的改進以及未來5G 移動通信的設計都蒙上一層陰影。是不是現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角度，探討電磁波傳導現象，并結合香農信道容量理論的實際使用狀況進行討論。
2 近場、遠場的電磁現象及其影響 在香農信道容量理論中PS 及PN 是代表兩個標量（正實數），其前提條件是天線的輻射場是遠場。目前移動通信信道分析中普遍采用如下的一些假設： * 不考慮發射天線和接收天線的幾何尺寸。 * 不考慮接收發射天線間的幾何走向，也就是假設接發收天線相互水平放置或垂直放置都不會對信道產生任何的影響。 * 不考慮接發收天線幾何大小的不同。 * 電磁波在空間的傳播是標量，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場才有可能實現。如果是近場的情況，PS 及PN 是復數，此時香農信道容量理論無法代入復數量。 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，但實際的天線都是假設在離地面一定高度的地方，而地面均被假設是一個良好的無限大導體。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，最主要的是地面發射波和表面波。同樣，當天線輻射的電磁波照射到立體的建筑物表面時，也會產生反射波和表面波。無論是基站的設置或是室內Wi-Fi 接入點的架設，人們往往沒有考慮到上述的這些情形。
3 近場、遠場表面波 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境中，其輻射場型（遠場）往往產生大幅變化。因為，有所謂的鏡像電流伴隨邊界條件而產生[5- 8]。由于是矢量的電磁場，天線的輻射源和它的鏡像所產生的綜合場型會產生建設性或破壞性電磁輻射場，這使得遠場場型更加不易掌握。因此，天線的擺設，譬如極化方向、天線和周邊環境的物理距離，譬如天線Aperture，都會對遠場輻射產生很大影響[9-10]。有兩個值得注意的問題：(1) 多遠才是遠場?一般可用d > 2D 2/λ 0 來評估距離天線多遠才是遠場。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的波長。假設一個1.0 GHz 雙極化天線懸掛在20 m 空中，其遠場大約是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工作。同時，天線也會激發出地面的表面波。表面波的存在，使電磁傳播在地表更復雜。雖然表面波的研究已有數十年了，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。眾所周知，光是電磁波。太陽離我們很遠，可以假設成遠場合電源。即使如此，當陽光照射到水面時（水面這時候可以假設成理想導體表面），水中不僅僅是一個太陽的鏡像。我們常�？吹揭粭l太陽的帶子在水面上。如果把我們的眼睛當作接收天線（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，波的阻抗為復數值，不僅隨距離變化，也隨天線極化方向（或天線之擺設）、天線的性質、天線所處環境等等而有所不同，其特性類似于一般微小化天線的輸入阻抗特性。由此，如需要設置近場的天線，可借精密電磁估算出復數的波阻抗。由此，我們得以將天線電路系統優化。譬如采用共軛復數阻抗匹配來達到功率匹配目的，這和一般將天線輸入端視為某一正實數之阻抗匹配設計是截然不同的，也解釋了為什么實際使用香農信道容量理論一直無法達到它應有的理論的上限值。 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）中的天線為標量輻射源，根據此假設推導出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。雖然大量的文獻報導了天線（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數波阻抗，同時其藕合天線陣列自身也產生所謂多模的狀態。而任意被激發出的陣列天線信號，即是這種多模天線狀態的線性組合[15]。電磁場是一個矢量場的基本物理事實，一方面讓標量場假設所導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。 6 結束語 文章簡述了電磁波在無線電環境中如何扮演重要角色但又被忽略的情形。此現象若不予以適當改進, 則無法對信號處理進行最佳化設計。這是因為大幅度違背物理現象, 則不可能有最佳設計，因此無法讓無線電通道傳播更大量且更高速的數據。另一方面，用精確電磁計算得到的天線輻射模型，無論是近場或遠場，都提供了最佳化微波通信系統電路的解決方向，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間電磁物理現象的掌握，對4G、5G 等高速移動無線通信，會有重要的貢獻。
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