从电磁场观点审视宽频带的无线通信

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。