从电磁场观点审视宽频带的无线通信

 摘要: 指出移动网络的数据流量无法一直依靠增加基地台的数组天线个数提升，认为电磁波在复杂的立体空间传播所产生各种穿透与反射的波传递现象深深影响了数据流量。提出了可能的有效物理方法或路径，用以克服高速移动、多媒体宽频带通信的诸多困难。

1 电磁场与移动无线通信

伴随3G 的普及和4G 无线移动通信的来临，基站数目随之增加，以满足高速而大量的数据传输量。1990年的第2代移动通信数据传输率小于200kbit/s，到2000年的第3代移动通信数据传输率小于2 Mbit/s，再到2010 年的第4 代移动通信，数据传输率可达到100 Mbit/s。这个趋势可由香农信道容量理论来描述[1]：

在(1)中, Bi 是信道带宽，PS 是信号强度，PN 是干扰强度。从调变技术的演进过程可看出，为了更有效地提高传输数据量，科学家已把调变方法从时间域转到频率域，再转到码域中。唯一可以继续开拓的只有空间域了，可见将来5G 的技术关键将是空间信道技术。通过增加每个基站的天线数或增加通道数Bi，或增加信号功率对杂波功率比，都可以增加信号通载量。而使用多输入多输出(MIMO)来增加无线基站的传送数据能力，已是相当普遍的做法了。基站或基站天线数的增加，也已无法让无线信道容量呈线性增加，甚至当天线增加到移动数量后信号容量也无法再提升。从上述观察我们可看出现今的通信技术无论在硬件或软件似乎达到某一极限。这对4G 移动通信的改进以及未来5G 移动通信的设计都蒙上一层阴影。是不是现今无线移动通信理论面临无法突破的障碍? 频宽不足是真实的主因吗? 文章将从电磁理论与技术角度，探讨电磁波传导现象，并结合香农信道容量理论的实际使用状况进行讨论。

2 近场、远场的电磁现象及其影响

在香农信道容量理论中PS 及PN 是代表两个标量(正实数)，其前提条件是天线的辐射场是远场。目前移动通信信道分析中普遍采用如下的一些假设：

•不考虑发射天线和接收天线的几何尺寸。

•不考虑接收发射天线间的几何走向，也就是假设接发收天线相互水平放置或垂直放置都不会对信道产生任何的影响。

•不考虑接发收天线几何大小的不同。

•电磁波在空间的传播是标量，可利用射线跟踪法来估算多径。

•天线辐射的电磁波是在自由无界的空间。

这时PS 及PN 所代表的物理量必须是远场才有可能实现。如果是近场的情况，PS 及PN 是复数，此时香农信道容量理论无法代入复数量。

从电磁场理论可以知道，自由平面电磁波是一个矢量波，并且波的特征和天线的放置有关，但实际的天线都是假设在离地面一定高度的地方，而地面均被假设是一个良好的无限大导体。这时候除去射线跟踪法中描述的LoS 路径外，还存在着许多其他的波传输路径，最主要的是地面发射波和表面波。同样，当天线辐射的电磁波照射到立体的建筑物表面时，也会产生反射波和表面波。无论是基站的设置或是室内Wi-Fi 接入点的架设，人们往往没有考虑到上述的这些情形。

3 近场、远场表面波

天线种类非常多，除了熟知的方向性天线如号角天线，电流流动双极式天线、单极式天线或磁流流动的回路天线，另外还有贴片天线等[2-4]。这些不同的天线置于实际的无线通信环境中，其辐射场型(远场)往往产生大幅变化。因为，有所谓的镜像电流伴随边界条件而产生[5- 8]。由于是矢量的电磁场，天线的辐射源和它的镜像所产生的综合场型会产生建设性或破坏性电磁辐射场，这使得远场场型更加不易掌握。因此，天线的摆设，譬如极化方向、天线和周边环境的物理距离，譬如天线Aperture，都会对远场辐射产生很大影响[9-10]。有两个值得注意的问题：(1) 多远才是远场?一般可用d > 2D 2/λ 0 来评估距离天线多远才是远场。其中，d 代表物体距天线的距离，D 代表天线的有效辐射面积，λ 0 代表天线操作频率对应的波长。假设一个1.0 GHz 双极化天线悬挂在20 m 空中，其远场大约是2.67 km 之外。我们可以推测，大部分时候，我们是在天线的近场范围内工作。同时，天线也会激发出地面的表面波。表面波的存在，使电磁传播在地表更复杂。虽然表面波的研究已有数十年了，但是它的存在对电磁无线通道的影响，迄今尚未有完整的研究。天线所发出的电磁波，入射到地表时，除了反射和折射外，地表的表面波也会和入射波一起作用。 (2) 是否能对表面波多加利用?我们不仅可以增加通道，还可以改进无线移动通信品质。众所周知，光是电磁波。太阳离我们很远，可以假设成远场合电源。即使如此，当阳光照射到水面时(水面这时候可以假设成理想导体表面)，水中不仅仅是一个太阳的镜像。我们常常看到一条太阳的带子在水面上。如果把我们的眼睛当作接收天线(点源)，我们除了接收到了太阳直射光线和镜像光线(射线跟踪法可以描述)外，还收到了水面表面波。

4 近场的波阻抗

天线在远场时，有明确的辐射场型;而在近场时，它的辐射场型随观察点到天线的距离变化而变化[11- 14]。因此，近场辐射场型是不确定的。利用精准全波电磁场论我们可计算在近场时，电磁波的传播方向由电场(Et)及磁场(Ht)决定, 所呈现的波阻抗特性。波的阻抗(Z0)由电场(Et)除以磁场(Ht)计算得出。由于电场与磁场均为向量，包含大小与相位。因此，波的阻抗为复数值，不仅随距离变化，也随天线极化方向(或天线之摆设)、天线的性质、天线所处环境等等而有所不同，其特性类似于一般微小化天线的输入阻抗特性。由此，如需要设置近场的天线，可借精密电磁估算出复数的波阻抗。由此，我们得以将天线电路系统优化。譬如采用共轭复数阻抗匹配来达到功率匹配目的，这和一般将天线输入端视为某一正实数之阻抗匹配设计是截然不同的，也解释了为什么实际使用香农信道容量理论一直无法达到它应有的理论的上限值。

5 阵列天线的模型

无线通信理论工作者及工程师，往往视天线阵列(两支天线或更多)中的天线为标量辐射源，根据此假设推导出MIMO 使用状况的空间通道模型，而忽略了实际上电磁场的是运作在矢量场的状况。虽然大量的文献报导了天线(辐射源)与天线(辐射源)之间的藕合对通道的影响，但是却忽略了它们是电磁信号源。无论何种形式，都是矢量信号源，必须考虑天线的极化现象，加上天线尺寸的大小和形状[2] 皆改变了电磁辐射场型。因此，只有准确地计算Maxwell 方程式所描述的物理状况才能让阵列天线信号处理变得有意义。阵列天线的近场模型，不仅具有单一天线时的复数波阻抗，同时其藕合天线阵列自身也产生所谓多模的状态。而任意被激发出的阵列天线信号，即是这种多模天线状态的线性组合[15]。电磁场是一个矢量场的基本物理事实，一方面让标量场假设所导出的信号处理方式变得过度简化，另一方面也腾出一个大幅改进现今信号处理天线阵列的巨大空间，得以改善4G 无线移动通信，或进一步研发更有效率的无线移动通信的空间使用，但这都可源自精确掌握实际电磁场的电路效应。

6 结束语

文章简述了电磁波在无线电环境中如何扮演重要角色但又被忽略的情形。此现象若不予以适当改进, 则无法对信号处理进行最佳化设计。这是因为大幅度违背物理现象, 则不可能有最佳设计，因此无法让无线电通道传播更大量且更高速的数据。另一方面，用精确电磁计算得到的天线辐射模型，无论是近场或远场，都提供了最佳化微波通信系统电路的解决方向，从而可大幅提升信号与杂波的比值(S/N)。因此，无线电通道和天线系统间电磁物理现象的掌握，对4G、5G 等高速移动无线通信，会有重要的贡献。