您当前的位置 :首页 > 终端 > 正文

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。

2D 2/0 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,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。

参考文献

[1] SHANNON C E. Communication in the presence of noise [J]. Proceedings of the IRE, 1949(1): 10-21.

[2] MANTEUFFEL D, BAHR A, WALDOW P, WOLFF I. Numerical analysis of absorption mechanisms for mobile phones with integrated multiband antennas [J]. Antennas and Propagation Society International Symposium, 2001(3): 82-85.

[3] LIANG M C,LAI K L,LIN S T. The effect of finite ground on a rectangular C-patch antenna [J]. Antennas and Propagation Society International Symposium, 2003(2): 732-735.

[4] MOK W C, WONG S H, LUK K M, LEE K F. Single-Layer Single-Patch Dual-Band and Triple-Band Patch Antennas [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013 (61): 4341-4344.

[5] BILGIC W, RENNINGS A, WOLFF I. Influence of the grid density of a wavelet-transformed (WT) FDTD on the accuracy of scattering parameters [J]. Antennas and Propagation Society International Symposium, 2006: 1819-1822.

[6] MIRHADI S, SOLEIMANI M, ABDOLALI A. Analysis of finite ground plane effects on antenna performance using discrete Green's function [J]. 2012 15th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics, 2012: 1-3.

[7] ECHEVERRI BAUTISTA M A, FRANCAVILLA M A , VIPIANA F, VECCHI G. A hierarchical fast solver for EFIE-MoM analysis of multiscale structures at very low frequencies [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014(3): 1523-1528.

[8] FAYYAZ N, ABBASPOUR T A, SAFAVI N S, HODJAT N. Design and analysis of a circular patch antenna on a finite conical ground plane [J]. Antennas and Propagation Society International Symposium, 1996(1): 680-683.

[9] MILLARD X, LIU Q H. A fast volume integral equation solver for electromagnetic scattering from large inhomogeneous objects in planarly layered media [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2003(9): 2393-2401.

[10] YUAN M, SARKAR T K, KOLUNDZIJA B. Solution of large complex problems in computational electromagnetics using higher-order basis in MoM with out-ofcore solvers [J]. Antennas and Propagation Magazine, 2006(2):55-62.

[11] SARKAR T K. Analysis of arbitrarily oriented thin wire antennas over a plane imperfect ground [J]. Archiv fuer Elektronik und Uebertragungstechnik, 1977(31): 449-457.

[12] ZIVKOVIC Z, SENIC D, BODENDORF C, SKRZYPCZYNSKI J, SAROLIC A. Radiation pattern and impedance of a quarter wavelength monopole antenna above a finite ground plane [J]. 2012 20th International Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM), 2012: 1-5.

[13] DYAB W M, SARKAR T K, SALAZARPALMA M. A physics-based green’s function for analysis of vertical electric dipole radiation over an imperfect ground plane [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2013(8): 4148-4157.

[14] CHATTERJEE D, CHETTIAR E. Analytical calculation of input impedance of rectangular microstrip patch antennas on finite ground planes [J]. IEEE/ACES International Conference on Wireless Communications and Applied Computational Electromagnetics, 2005(2): 960-963.

[15] HU C N,TZUANG C K C. Analysis and design of large leaky-mode array employing the coupled-mode approach [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2001(4): 629-636.

Copyright © 2016-2018 www.holleycomm.com All Rights Reserved.
华立通信 版权所有 网站ICP号:粤ICP备18027101号