從電磁場(chǎng)觀(guān)點(diǎn)審視寬頻帶的無(wú)線(xiàn)通信

指出移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的數據流量無(wú)法一直依靠增加基地臺的數組天線(xiàn)個(gè)數提升，認為電磁波在復雜的立體空間傳播所產(chǎn)生各種穿透與反射的波傳遞現象深深影響了數據流量。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(xiàn)通信

伴隨3G的普及和4G無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信的來(lái)臨，基站數目隨之增加，以滿(mǎn)足高速而大量的數據傳輸量。1990年的第2代移動(dòng)通信數據傳輸率小于200kbit/s，到2000年的第3代移動(dòng)通信數據傳輸率小于 2 Mbit/s，再到2010 年的第4代移動(dòng)通信，數據傳輸率可達到100 Mbit/s。這個(gè)趨勢可由香農信道容量理論來(lái)描述：

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(shù)的演進(jìn)過(guò)程可看出，為了更有效地提高傳輸數據量，科學(xué)家已把調變方法從時(shí)間域轉到頻率域，再轉到碼域中。唯一可以繼續開(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(xiàn)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(lái)增加無(wú)線(xiàn)基站的傳送數據能力，已是相當普遍的做法了?；净蚧咎炀€(xiàn)數的增加，也已無(wú)法讓無(wú)線(xiàn)信道容量呈線(xiàn)性增加，甚至當天線(xiàn)增加到移動(dòng)數量后信號容量 也無(wú)法再提升。從上述觀(guān)察我們可看出現今的通信技術(shù)無(wú)論在硬件或軟件似乎達到某一極限。這對4G 移動(dòng)通信的改進(jìn)以及未來(lái)5G 移動(dòng)通信的設計都蒙上一層陰影。是不是現今無(wú)線(xiàn)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，探討電磁波傳導現象，并結合香農信道容量理論的實(shí)際使用狀況進(jìn)行討論。

2 近場(chǎng)、遠場(chǎng)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(gè)標量（正實(shí)數），其前提條件是天線(xiàn)的輻射場(chǎng)是遠場(chǎng)。目前移動(dòng)通信信道分析中普遍采用如下的一些假設：

•不考慮發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的幾何尺寸。

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

•不考慮接發(fā)收天線(xiàn)幾何大小的不同。

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

•天線(xiàn)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場(chǎng)才有可能實(shí)現。如果是近場(chǎng)的情況，PS 及PN 是復數，此時(shí)香農信道容量理論無(wú)法代入復數量。

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(xiàn)的放置有關(guān)，但實(shí)際的天線(xiàn)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(gè)良好的無(wú)限大導體。這時(shí)候除去射線(xiàn)跟蹤法中描述的LoS路徑外，還存在著(zhù)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，當天線(xiàn)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)論是基站的設置或是室內Wi-Fi接入點(diǎn)的架設，人們往往沒(méi)有考慮到上述的這些情形。

3 近場(chǎng)、遠場(chǎng)表面波

天線(xiàn)種類(lèi)非常多，除了熟知的方向性天線(xiàn)如號角天線(xiàn)，電流流動(dòng)雙極式天線(xiàn)、單極式天線(xiàn)或磁流流動(dòng)的回路天線(xiàn)，另外還有貼片天線(xiàn)等。這些不同 的天線(xiàn)置于實(shí)際的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境中，其輻射場(chǎng)型（遠場(chǎng)）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。由于是矢量的電磁場(chǎng)，天線(xiàn)的輻射源和它的鏡像所產(chǎn)生的綜合場(chǎng)型會(huì )產(chǎn)生建設性或破壞性電磁輻射場(chǎng)，這使得遠場(chǎng)場(chǎng)型更加不易掌握。

因此，天線(xiàn)的擺設，譬如極化方向、天線(xiàn)和周邊環(huán)境的物理距離，譬如天線(xiàn)Aperture，都會(huì )對遠場(chǎng)輻射產(chǎn)生很大影響。有兩個(gè)值得注意的問(wèn)題：(1) 多遠才是遠場(chǎng)?一般可用d > 2D2/λ0來(lái)評估距離天線(xiàn)多遠才是遠場(chǎng)。其中，d 代表物體距天線(xiàn)的距離，D 代表天線(xiàn)的有效輻射面積，λ0代表天線(xiàn)操作頻率對應的波長(cháng)。假設一個(gè)1.0GHz 雙極化天線(xiàn)懸掛在20 m 空中，其遠場(chǎng)大約是2.67km之外。我們可以推測，大部分時(shí)候，我們是在天線(xiàn)的近場(chǎng)范圍內工作。同時(shí)，天線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通道的影響，迄今尚未有完整的研究。

天線(xiàn)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(xiàn)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，可以假設成遠場(chǎng)合電源。即使如此， 當陽(yáng)光照射到水面時(shí)（水面這時(shí)候可以假設成理想導體表面），水中不僅僅是一個(gè)太陽(yáng)的鏡像。我們常?？吹揭粭l太陽(yáng)的帶子在水面上。如果把我們的眼睛當作接收 天線(xiàn)（點(diǎn)源），我們除了接收到了太陽(yáng)直射光線(xiàn)和鏡像光線(xiàn)（射線(xiàn)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(xiàn)在遠場(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(guān)察點(diǎn)到天線(xiàn)的距離變化而變化。因此，近場(chǎng)輻射場(chǎng)型是不確定的。利用精準全波電磁場(chǎng)論我們可計算在近場(chǎng)時(shí)，電磁波的傳播方向由電場(chǎng)（Et）及磁場(chǎng)（Ht）決定, 所呈現的波阻抗特性。波的阻抗（Z0）由電場(chǎng)（Et）除以磁場(chǎng)（Ht）計算得出。由于電場(chǎng)與磁場(chǎng)均為向量，包含大小與相位。因此，波的阻抗為復數值，不僅 隨距離變化，也隨天線(xiàn)極化方向（或天線(xiàn)之擺設）、天線(xiàn)的性質(zhì)、天線(xiàn)所處環(huán)境等等而有所不同，其特性類(lèi)似于一般微小化天線(xiàn)的輸入阻抗特性。由此，如需要設置 近場(chǎng)的天線(xiàn)，可借精密電磁估算出復數的波阻抗。由此，我們得以將天線(xiàn)電路系統優(yōu)化。譬如采用共軛復數阻抗匹配來(lái)達到功率匹配目的，這和一般將天線(xiàn)輸入端視 為某一正實(shí)數之阻抗匹配設計是截然不同的，也解釋了為什么實(shí)際使用香農信道容量理論一直無(wú)法達到它應有的理論的上限值。

5 陣列天線(xiàn)的模型

無(wú)線(xiàn)通信理論工作者及工程師，往往視天線(xiàn)陣列（兩支天線(xiàn)或更多）中的天線(xiàn)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(shí)際上電磁場(chǎng)的是運作在矢量場(chǎng)的狀況。雖然大量的文獻報導了天線(xiàn)（輻射源）與天線(xiàn)（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(wú)論何種形式，都是矢量信號源，必須考慮天線(xiàn)的極化現象，加上天線(xiàn)尺寸的大小和形狀[2] 皆改變了電磁輻射場(chǎng)型。因此，只有準確地計算Maxwell 方程式所描述的物理狀況才能讓陣列天線(xiàn)信號處理變得有意義。陣列天線(xiàn)的近場(chǎng)模型，不僅具有單一天線(xiàn)時(shí)的復數波阻抗，同時(shí)其藕合天線(xiàn)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(xiàn)信號，即是這種多模天線(xiàn)狀態(tài)的線(xiàn)性組合。電磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)的基本物理事實(shí)，一方面讓標量場(chǎng)假設所導出的信號處 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)現今信號處理天線(xiàn)陣列的巨大空間，得以改善4G 無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信，或進(jìn)一步研發(fā)更有效率的無(wú)線(xiàn)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。

6 結束語(yǔ)

文章簡(jiǎn)述了電磁波在無(wú)線(xiàn)電環(huán)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(jìn), 則無(wú)法對信號處理進(jìn)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(wú)法讓無(wú)線(xiàn)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(xiàn)輻射模型，無(wú)論是近場(chǎng)或遠場(chǎng)，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(wú)線(xiàn)電通道和天線(xiàn)系統間電磁物理現象的掌握，對4G、5G 等高速移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信，會(huì )有重要的貢獻。