电磁场与电磁波在电子通信技术领域中的应用

     电磁场作为无线电技术的理论基础,集中于三大类应用问题的研究。电磁场(或电磁波)作为能量的一种形式,是当今世界最重要的能源,其研究领域涉及能量的产生、储存、变换、传输和综合利用;电磁波作为信息传输的载体,成为当今人类社会发布和获取信息的主要手段,主要研究领域为信息的产生、获取、交换、传输、储存、处理、再现和综合利用;电磁波作为探测未知世界的一种重要手段,主要研究领域为电磁波与目标的相互作用特性、目标特征的获取与重建、探测新技术等。

     1887年,德国科学家赫兹用火花隙激励一个环状天线,用另一个带隙的环状天线接收,证实了麦克斯韦关于电磁波存在的预言,这一重要的实验导致了后来无线电报的发明。从此开始了电磁场理论应用与发展的时代,并且发展成为当代最引人注目的学科之一。1895年意大利马可尼成功地进行了2.5公里距离的无线电报传送实验。1896年,波波夫进行了约250米距离的类似试验, 1899年, 无线电报跨越英吉利海峡的试验成功;1901年,跨越大西洋的3200公里距离的试验成功。马可尼以其在无线电报等领域的成就,获得了1909年的诺贝尔奖金物理学奖。无线电报的发明,开始了利用电磁波时期;1876年美国A.G.贝尔在美国建国100周年博览会上展示了他所发明的有线电话。此后,有线电话便迅速普及开来;1906年美国费森登用50千赫频率发电机作发射机,用微音器接入天线实现调制,使大西洋航船上的报务员听到了他从波士顿播出的音乐。1919年,第一个定时播发语言和音乐的无线电广播电台在英国建成。次年,在美国的匹兹堡城又建成一座无线电广播电台;1884年德国尼普科夫提出机械扫描电视的设想,1927年,英国贝尔德成功地用电话线路把图像从伦敦传至大西洋中的船上。

       兹沃霄金在1923和1924 年相继发明了摄像管和显像管。1931年,他组装成世界上第一个全电子电视系统;二次世界大战前夕,飞机成为主要进攻武器。英、美、德、法等国竞相研制一类能够早期警戒飞机的装置。1936年,英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。1938年,美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。1940年,多腔磁控管的发明,微波雷达的研制成为可能。1944年,能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。1945年,能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明,使雷达更加完善。

     在整个第二次世界大战期间 , 雷达成了电磁场理论最活跃的部分; 1958年美国发 射低轨的“斯科尔”卫星成功 , 这是第一颗用于通信的试验卫星。 1964年 , 借助定 点同步通信卫星首次实现了美、 欧、 非三大洲的通信和电视转播。 1965年 , 第一 颗商用定点同步卫星投入运行。 1969年 , 大西洋、 太平洋和印度洋上空均已有定 点同步通信卫星 , 卫星地球站已遍布世界各国,这些卫星地球站又和本国或本地 区的通信网接通。卫星通信经历 10年的发展,终趋于成熟; 1957年卫星发射成 功后,人们试 图将雷达引入卫星,实现以卫星为基地对地球表面及近地空间 目标的定位和导航。 1958年底,美国开始研究实施这一计划,于 1964年研究成 功子午仪卫星导航系统。

        1973年美国提出了由 24颗卫星组成的实用系统新方案, 即 GPS 计划。它是英 Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System 的字头缩写 NA VSTAR/GPS的简称,其含义是利用导航卫星进行测时和 测距。 1990年最终的 GPS 方案是由 21颗工作卫星和 3颗在轨备用卫星组成。 电磁场与电磁波理论在人们的需求中一步步地发展应用。 当今世界, 电子信 息系统,不论是通信、雷达、广播、电视,还是导航、遥控遥测,都是通过电磁 波传递信息来进行工作的。 因此以宏观电磁理论为基础, 电磁信息的传输和转换 为核心的电磁场与电磁波工程技术将充分发挥其重要作用。 当今的无线通信、 广 播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、卫星定位以及光纤 通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。

     电磁场与电磁波的应用贯穿于整个移动通信技术, 20世纪 20年代,现代移 动通信技术的发展宣告开始。从 20世纪 20年代至 40年代是现代移动通信的起 步阶段。 1987年 11月 18日,中国第一个 TACS 模拟蜂窝移动电话系统在广东 省建成并投入商用。这一时期的系统主要是依赖第一代移动通信技术(1G ) ,采 用的是模拟技术和频分多址(FDMA )技术。第二代移动通信(2G )主要采用 的是数字的时分多址 (TDMA ) 技术和码分多址 (COMA ) 技术, 频谱利用率高, 可大大提高系统容量, 能提供数字化的语言业务及低速数据业务。 目前正在迅速 发展的是第三代移动通信技术(3G ) ,它是将高速移动接入和基于互联网协议的 服务结合起来, 提高无线频率的利用效率, 实现高速数据传输和宽带多媒体服务, 传输速率最低为 384KB/s,最高为 2MB/s,带宽可达 5MHz 以上,使用频率 1.885~2.025GHz和 2.110~2.200GHz,提供全球覆盖,实现有线和无线以及不同无 线网络之间业务的无缝连接,满足多媒体业务的要求。主要技术有 WCDMA 、 CDMA2000、 TD-SCDMA 。 3G 系统仍然无法满足未来的多媒体通信的需求,未 来的移动通信系统是第四代移动通信系统(4G ) 。它是宽带(broadband )接入和 分布网络, 具有更高的无线频率使用效率, 且具有更好的抗信号衰落性能, 上网 速度可提高到 100MB/s,具有不同频率间的自动切换能力。

     电磁场与电磁波的应用贯穿于整个微波通信, 微波通信是指利用微波频率用 作载波携带信息,通过无线电波进行中继接力的通信方式。微波是指频率为 300MHz~300GHz的电磁波。微波的波长很短,绕过障碍物而传播的尺度很小, 这就决定微波通信只能采取中继接力方式, 大约 50km 就必须设一个微波中继站。 较大的通信系统需要建设非常多的中继站,这也限制了它的使用。

电磁场与电磁波的应用贯穿于卫星通信, 卫星通信是利用人造地球卫星作为 中继站, 转发或反射无线电波, 在两个或多个地球站之间进行通信。 地球站是设 在地球表面, 包括地面、 海洋和大气中的通信站。 实际上卫星通信可以看作是利 用微波频率, 把通信卫星作为中继站而进行的一种特殊的微波中继通信。 卫星通 信工作频段与微波通信相同。 目前民用通信卫星使用同步工作方式, 称为同步卫星通信系统。从地面上看,这颗卫星永远像挂在天空不动,因此同步卫星也称为“静止卫星”。

     电磁场与电磁波的应用贯穿于光纤通信,以光作载波的通信方式即是光通信。人们想到以光作为载波,这是很自然的,这是因为光的频率很高,为1014~1015Hz,因此利用光通信会有更大的通信容量。但是光在大气中受到的影响因素非常多,如大气中水蒸气尘埃的影响、恶劣天气的影响。另外还受到激光束本身的影响,如激光束非常细小给光学设备的对准、控制及跟踪带来困难,所以限制了大气光通信的使用。于是人们就想到利用介质来传输光信号,这种介质即是光导纤维。这种利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。人们通过大量的实验发现,纯净的石英材料在0.8~1.8μm,对应的频率为167~375THz 的近红外光波入射,损耗很少。并且在0.85μm、1.31μm和1.55μm附近损耗最低,光导纤维通常采用同轴圆柱体结构,由纤芯和包层构成。

     除了以上应用之外,电磁场与电磁波的应用还贯穿于很多电子通信领域,如利用目标对电波的散射而发现目标,并测定目标的空间位置的雷达、水下电磁波通信、极低频(BLF)无线电通信、甚低频(VLF)无线电通信、GMDSS系统、地面通信系统及船用设备、卫星通信系统及船用设备、INMARSAT系统、COSPAS SARSAT系统等。

以宏观电磁理论为基础,电磁信息的传输和转换为核心的电磁场与电磁波工程技术将在电子通信领域充分发挥其重要作用。