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电 磁 场 论 文
072202H
王焱
200722070223
电子
高新技术与电磁场理论
摘 要 本文就最近发展的高新技术中有关电磁场和电磁波问题展开探讨,并在此基础上对当前高新技术的发展与电磁场理论的关系进行了较全面的概括,同时提出了作者的个人看法。电磁场理论是电工学和电子学的一门十分重要的基础课程。无论是电机、电器、高压输电、测量仪表以及一切无线电工程系统,例如,通信、广播、雷达、导航等的无线收发、讯号传输、电波传播等等,大到宇宙空间的星体辐射,小到集成电路的布线位置都牵涉到电磁场理论的问题,这一点大家都已很清楚了。这里我准备就最近发展的高新技术中有关电磁场和电磁波的问题谈谈自己的一点认识。
1.电子学方面的高新技术在1991年的海湾战争中得到了最集中和最充分的表演。
在这场战争中号称世界第四大军事强国的伊拉克在以美国为首的多国部队的电子战的打击下,一开始整个电子指挥系统,包括通信,武器装备,重要设防等就遭到严重的干扰和破坏,呈现瘫痪挨打的被动局面。因此只打了42天战争就损失兵员30万,财产1000～2000亿美元,最后不得不答应无条件投降。相反,多国部队在这场投下炸弹为当年在日本投下的原子弹几十倍的激烈战争中,在80万兵员中只死亡149人。这一奇迹,充分显示出电子战的重大威力。因而有人称海湾战争是一场“频谱战争”,是“电子战争”,是“信息战争”。这场电子战的主要手段包括电子侦察与精确定位(包括全球定位系统(ＧＰＳ)和辐射源定位),电子干扰、精密制导、隐身飞机、Ｃ3Ｉ系统等等。这些高新技术都牵涉到电波与天线的问题。与过去不同的是地空一体化,把遥远分开的作战分部统一指挥控制,统一协调起来。对武器的性能指标要求精密度更高,响应时间更短,抗干扰的能力更强。因此对自适应天线,相控阵天线、毫米波天线、微带天线、卫星通信、移动通信等等提出了更高的要求。而这些研究课题的基础离不开电磁场理论。
2.隐身技术是目前国防军事的热门话题。
在海湾战争中美军使用Ｆ-117Ａ隐身飞机成功地突破伊拉克的空防线完成了许多危险性最大的战略性攻击任务,占攻击目标的40%,命中率高达85%。参战的44架Ｆ117Ａ型隐身飞机共出动1300次,飞行6900小时,没有一架被击落 ,可见其隐身的有效性。飞机在鼻锥方向对微波雷达的ＲＣＳ只有 0.0 2 5ｍ2 ,为常规战斗机的 1 / 2 0 0。隐身技术的很重要一个方面的内容是电磁波的散射问题。电磁波投射到飞行目标上将发生散射。散射回来的电磁波究竟有多大场强 ,怎样减少回波的强度以达到隐身的目的 ,这些问题引起了广大从事电磁场研究工作人员的关注。因此目前大量的研究工作集中在如何计算电磁波投射到各种不同材料组成的各种形状物体的散射场上。根据最近报导 ,用碳化硅烧结出来的陶瓷 ,能有效地吸收频率从 1 0ＭＨｚ到 10.2Ｇｚ的电磁波 ,吸收率达到 99.2 %。电磁散射的研究不只是为了隐身的目的 ,对地下资源和地层结构的勘探 ,对目标识别 ,对天线辐射 ,对电磁兼容等都有非常重要的意义。逆散射是由已知散射场的分布反过来确定波源和散射体的位置形状和组成。目标识别形状重建和微波成像都是逆散理论的具体应用。
3.核爆炸产生强大的电磁脉冲 ,这种冲击波将摧毁在其周围的电子仪器的正常工作。研究这种瞬时暴发的冲击波的传播规律、作用距离、场强大小和散射特性等无疑会对保护人身安全 ,保护仪器设备 ,采用屏蔽措施等等起到重要的指导作用。这种具有强大摧毁力的脉冲现在又被试图用作战争中的杀伤武器 ,即所谓高功率微波弹 ,其单个输出脉冲峰值功率可到 15ＧＷ。如果辐射的能量密度达到 3～ 13ｍＷ/ｃｍ2 ,就可使人产生神经紊乱 ,心力衰竭并致盲。而对于电子仪器只要有 0.01～ 1μＷ /ｃｍ2 的能量密度 ,仪器就不能正常运转。此外 ,人们发现 ,利用冲击脉冲的宽广频谱 ,可以从散射波形中提取大量的信息 ,从而可以识别目标。大功率的脉冲源可以利用光导开关和集成阵列达到空间合成的一致性要求。小功率的冲击波雷达 ,由于设备简单 ,成本低 ,已在诸如地下探测 ,汽车防撞和机场管制等方面得到应用。因此 ,最近人们对瞬变电磁波的传播 ,辐射、传输、散射等问题产生了浓厚的兴趣。和经典分析正弦时谐波的方法不一样 ,这是一个全新的等待开拓的领域。
4.由于计算机的迅速发展 ,计算电磁场边值问题时出现的积分方程和微分方程均可用数值方法来求解。
人们提出了许许多多方法 ,如矩量法、有限差分法、有限元法、边界元法、共轭梯度和快速付里叶变换法、时域有限差分法、多重多极展开法等等。关于电磁场的数值计算方法已经有专门的著作 ,1994年在北京还专门召开了一次计算电磁学的国际会议。另外一个新提出来的方法是小波理论(亦称子波理论)。我们知道 ,从目标散射回来的电磁能量提供了识别目标的信息。回波可以用频域法分析 ,也可以用时域法分析。全面掌握目标的特征 ,应该采用时间－频率合一法来表示回波。过去是采用ＳＴＦＴ(Ｓｈｏｒｔ-ＴｉｍｅＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ)来获得时间－频率表征图 ,它的缺点是分辩率固定不变。如果采用小波变换 ,则在时间上有可变的分辨率 ,而在频率上又有多个分辨率。小波表示法比通常的ＳＴＦＴ表示法有更完善的表示目标散射回波的时间－频率表征图 ,因此藉助这种方法可以获得更高的精确度。此外 ,小波变换理论又为大规模并行计算和信号实时处理提供了可能。由于小波变换作为运算工具有着十分看好的前景 ,它已受到人们愈来愈多的关注。英国皇家数学会并把它列为 90年代重点发展的十个方向之一。分形(或分数维)理论是近十多年才发展起来的一种数学方法 ,它在电磁场理论中的应用刚刚起步。我们知道 ,微波遥感器接收到的信息总是把地物目标的几何特性与电磁特性混合在一起。采用分形理论可以把几何特性进行量化 ,从而可将表征电磁特性的量分离开来 ,这是目前遥感工作者十分关注的问题。5.人们已经进入了信息时代 ,无论是战时或平时 ,占有信息对我们都是非常重要的事情。为此 ,从 1993年 9月起各国为了尽快占有信息 ,确保竞争优势 ,纷纷提出要投入大量人力、物力建设“信息高速公路”。美国准备投资 4000亿美元用 20年时间建成全美信息高速公路。所谓“信息高速公路”主要是大力发展光纤网络和卫星通信 ,建立遍布全国的双向大容量高速数据传输网。目前一根光纤已可同时传输 30240条话路和 300多套数字彩色电视节目。超大容量的光纤通信系统 ,其传输速率在 2.5Ｇｂ/ｓ以上 ,实现的途径一是采用量子阶激光器;另外就是在终端采用ＷＤＭ波分复用技术并用掺铒光纤放大器(ＥＤＦＡ)作中继器。长距离高比特率传输的主要障碍是光纤的色散与非线性问题。因此又有人提出利用光弧子传输的可能性。为了减低光纤传输的损耗 ,一方面是在材料上想办法 ,例如,采用金属卤化物玻璃作光纤;另一方面是试图在亚毫米波段实现自由空间低损耗无线“光纤”传输 ,这只是在约瑟夫森(ＳＩＳ)器件发展之后提供了在亚毫米波段有大的输出功率和高的信噪比之后才有可能实现。
6.高新技术的发展对天线和电波传播提出了许多新的研究课题。例如,由于固体微波源已经发展到可以用微处理机按预定方式控制其幅度与相位(频率),也由于高速数字处理器已经可以对及其复杂的信号进行加工和实时图象识别 ,自适应天线得到了快速发展。随着要求雷达能面对多目标同时进行搜索和跟踪 ,以及在复杂电子对抗环境下照常工作的需要 ,数字波束形成(ＤＢＦ)技术日益受到重视。它不但可以提供多个低副瓣密集波束,而且具有精确高速处理多个目标的能力,因为只有在数字系统中才能实现快速、复杂的控制算法。结合卫星通信的发展 ,地面站和卫星上多波束天线的研究受到关注。在遥感技术中合成孔径雷达(ＳＡＲ)的分辨力已可达到 1ｍ× 1ｍ。新的研究方向是 3Ｄ-ＳＡＲ和动目标的检测问题。微带天线的问题仍然是加大带宽 ,双极化与圆极化、以及多层互耦的问题。在Ｋｕ波段(1 2ＧＨｚ)卫星直播(ＤＢＳ)中采用的天线已由抛物面转向平面型。过去用微带 ,现已改用径向开槽天线(ＲＬＳＡ),具有低增耗、高增益、低成本 ,高效率等优点。移动通信的发展要求对电磁波在城市、山区以及隧道中的传播进行研究。
7.随着电子科学的飞速发展 ,电子设备的数量大大增加。根据统计 ,差不多每 4～ 5年增加一倍。举一个简单例子就可说明 :美军一个步兵师就至少拥有 70部雷达 ,2800部电台。这些电子设备占有很宽的频谱 ,加上发射功率年年增大(最近 10-15年增加了 20-30倍),同时接收机的灵敏度又提高到 10-12Ｗ ,因此电台之间的干扰愈来愈严重。电磁兼容的问题已经到了非解决不可的时代了。这里也牵涉到电磁场和电磁波的辐射、传播、散射、耦合等等问题。例如 ,电磁波的泄漏与安全问题、移动通信网的电磁兼容问题、空中飞行器的电磁兼容问题、雷电干扰、屏蔽及测量以及最近发展的地震电磁学等等。
8.高新技术的发展也对材料和工艺提出了新的要求、手征(ｃｈｉｒａｌ)材料涂敷于散射体可以减小散射。如将它填充于波导中可产生极化旋转和模式变换。此外 ,还可以作为微带天线的衬底以加强辐射 ,由于这些独特的特性 ,引起了人们对电磁场与手征媒质的相互作用产生了浓厚了兴趣。超导是另外一个高新技术的前沿学科。早在 1911年荷兰物理学家翁尼斯就发现汞在低于 4.15Ｋ温度时电阻下降了 1010 倍。超导的应用日益受到关注。例如 ,超导磁体被用在磁浮列车上 ,用在粒子加速器上等等。将两段超导导线用一薄层绝缘材料(如ＡＬ2Ｏ3)连接起来构成的约瑟夫森结可用作电子开关 ,它的转换速度可在 1 μμｓ内完成 ,另外 ,利用超导量子干涉仪(ＳＱＵＩＤ)可以测出极其微弱的磁场强度。其它新开发的材料 ,例如 ,一种高μ(5000)、高饱和磁通密度和高居里温度的材料具有良好的宽频带抗干扰的能力;利用微波 /毫米波集成电路(ＭＩＭＩＣ)技术可以在 50ｎｓ之内改变相控阵单元的相位等等。
9.另外一个反映高新技术的重要发展是边沿交叉科学的崛起。生物电磁学是一门新生的边缘科学。例如磁共振成像(ＭＲＩ)是利用强大磁场使人体内氢原子产生磁共振 ,由此产生的信号成像后(如血流的变化状态)可以帮助医疗分析。手持收发机对人体的影响也是目前人们关注的一个课题。大多数的效应是在人体内感应电流 ,由此产生热效应使体温上升。据说手持机除场致热效应外 ,还有非热效应的危害 ,关于这方面的研究还刚开始。根据最近报导 ,有一种新的医疗仪器 ,将它的电极插入人的脑部可以消除帕金森患者的颤抖;反过来用 ,这种电极的电磁脉冲刺激肌肉 ,可以使瘫痪病人恢复活动起来。其它如微波治癌、用同步加速器产生Ｘ射线等等都是利用电磁场和电磁波的理论产生出来的一些医疗设备。微波化学是另一门新生的边缘科学 ,1 992年 1 0月在荷兰召开了第一届世界微波化学会议 ,标志着这一新的交叉科学的诞生。微波化学是利用微波进行介质加热 ,改变化学键 ,加速化学反应速度或产生一些新的化学反应 ,以获得独特特性的产物。目前微波化学已应用到工业、食品、农业、医药、石油化工及环境工程等多个领域。1993年秋俄罗斯科学家建议用强大功率的微波扫描大气层使其放电 ,从而瓦解氟利昂分子以防止它进入臭氧层 ,使后者可以得到保护 ,这是想利用微波来净化环境。最近新兴起来的一门科学—可视化技术(Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ)就可以用来帮助我们进行电磁场的数值计算。可视化技术是随着计算机软硬件的迅猛发展 ,结合计算机图形学、神经网络与人工智能技术、图像处理等多门学科综合形成的又一门新兴的交叉科学。采用这一技术可以将二维、三维标量场和矢量场绘制出来 ,由此了解电磁场的分布 ,并据此调整设计。另外采用这种技术还可动态地显示波在波导中的传播、衰减、反射和散射等过程。结合神经网络和人工智能技术可以通过一个学习与记忆的过程 ,帮助我们针对不同的电磁场边值问题 ,选择一种或几种最好的数值方法。并且在这些最优方法中自动采取最佳方案。这种技术还可能对求解逆散射问题有帮助。利用计算机图形学对复杂目标采用参数曲面(如ＮＵＲＢＳ)来建模具有划分曲面片少而精度高的优点。一架飞机只需几百个ＮＵＲＢＳ曲面片就可把它复杂的外形细节表示出来 ,拟合精度达到毫米级。用图解电磁计算法(ＧＲＥＣＯ)予估复杂目标的ＲＣＳ更充分体现出将计算机图形学、可视化技术与电磁场理论相结合的突出成果。另外一个例子是“智能电磁波技术” ,利用这一技术可以在频域、空域和时域进行电台自适应控制 ,使无线电台站能最大限度地利用电磁波技术 ,例如 ,天线频道控制的自适应信道分配以解决电台拥挤的问题 10.以上是我在参阅国内外一些期刊报导 ,有关高新技术的发展 ,就其与电磁场理论的关系提出自己的一些看法。这些内容不可能概括全面 ,有许多问题因限于篇幅而未能一一涉及。例如 ,有关利用大功率ＨＦ电磁波使电离层人工变态以实现(或破坏)通信、制造假目标和产生能量隧道的问题;用混沌动力学方法计算电磁场的问题;用微波功率驱动直升飞机;在空间建立太阳能发电站 ,以微波型式将能量输送到地面的问题;超光速下的量子隧道效应;纳米科学中原子、分子团簇体的超导性 ,金属铁氧体超微粉的吸波性和顽磁性等等惊人的特性将会对未来的科学技术产生巨大的影响。总之 ,通过这篇文章的介绍 ,我想说明两个问题 :一是电磁场与电磁波所牵涉的范围非常广阔 ,二是需要研究和解决的电磁波的课题也非常广阔.
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