电波传播研究综述

电波传播研究综述电波传播是一门历史悠久的学科。一百多年前赫兹著名的实验，就是首次电波传播试验。经过一百多年，电波传播研究获得了巨大的发展，现在人了比较成熟的时期。但是，客观世界是无穷的，电波传播的一些基本规律虽然已经掌握，但结合具体的应用，有待研究的问题还很多，所以电波传播至今仍具有很强的发展潜力。电波传播是一门理论性很强的学科，根据她自身学科发展的需要，会提出许多新的研究课题。同时，电波传播又是一门实用性极强的技术，它的研究一直就是围绕应用需求来开展的。特别是发展到了今天，她的发展动力，更多地是来自应用的需求。也就是说，电波传播发展的总趋势是应用牵引，交叉渗透。应用的需求将推动着电波传播研究继续向前发展。下面就从客观应用的需求出发，对电波传播研究的发展，作一些粗浅的展望。1.配合无线(wireless)通信的发展，开展电波传播课题研究电信发展的历史，是一部无线通信和有线通信相互竞争，相互促进的发展史。光纤通信的出现和发展，似乎使有线通信占了主导地位。不错，在固定的干线通信中，光纤网无疑是占有非常重要的地位。但就整个通信领域而言，情况却不是这样。近一二十年来，随着微电子技术的进步，纠错编码和信号处理技术的发展，无线通信的面貌焕然一新。过去认为无线讯道不稳定，可靠性差的缺点，都获得很大的克服。现在的无线通信已经成为频带宽、可靠性良好、设备轻巧简单，架设容易，造价低廉的重要通信手段。应用的范围愈来愈广泛。在一些非用无线通信不可的地方，如卫星通信、移动通信、宇航通信、航空通信、舰船通信，特别是军事通信等领域，无线通信当然更加兴旺发达。其中特别引人注目的是蜂窝移动通信，他已经从1代、2代、2.5代发展到今天正在部署的第4代，并且正在向第5代进军。人们不仅在手机上通话，还要上网，要办理许多业务。移动通信的用户，在许多国家已经超过固定通信的用户。我国现在大概有5亿多通信用户，其中移动通信用户接近3亿，已经超过固定通信用户。无线通信不仅在蜂窝移动通信中使用，还正在其他一些通信领域中兴起。如无线接人网、无线局域网、个人网和家庭网、短距离固定毫米波通信线路等，真可谓花样翻新，日新月异。美国9.11事件后，该地区的所有通信系统都被摧毁。就是依靠毫米波通信，在很短的时间内，恢复事件发生地区的通信，显示了无线通信的威力。无线通信已经成为当代通信的主流。无线通信应用的频段，正在从微波向毫米波、亚毫米波扩展。光波的无线通信最近也有很大的发展。在一些大城市中，利用光束在自由空中的传播，设备很小，置于高楼楼顶，易于构成宽带的局域网络，解决城市难以埋设光缆的问题。针对无线通信如此发展，需要更多的电波传播知识予以配合。因而开展了一系列新的研究课题。这些问题大致有:1.1地空电路传播特性的研究利用卫星(同步卫星、近地卫星、小卫星、气球等)这个平台，进行通信、广播、遥感、导航，继续快速发展。卫星通信具有地面通信不可替代的作用。卫星导航系统从军用到民用，现在已经普及到个人。卫星电视直播在国外也已经非常普及。为了获得更大的通信带宽，卫星通信的频率愈来愈高，除了继续使用L波段和C波段外，Ku(10/20GHz)波段、Ka(30/20GHz)波段正在发展，F波(50/40GHz)也在考虑中。这样，大气层的影响越来越重要。对这样的地空电路有影响的主要是对流层和电离层。频率高于IOGHz以上，电离层的影响就很小。降水、云、大气气体分子等的吸收、闪烁、交叉极化等对电路通信质量有重大影响。频率愈高，仰角愈低，这些大气层的影响愈严重。最关心的项目是雨衰减。在世界范围进行了大量测试。ITU-R也给出了预测模型。但是降雨的分布极端复杂，季节变化很大。所以研究还在继续中。在对付雨衰减方面，除留出足够大的余额之外，采用分集接收也是一个可行的办法。目前国际上正在致力于研究空间分集(也就是站址分集)和波速分集，以及卫星分集等的效果。由于对流层中的湍流运动，引起温、湿、压的随机起伏，导致介电常数的随机起伏。引起接收信号相位和幅度的快速变化。我们称之为“闪烁”——(Scintilation)，这也是目前研究的重点。1.2复杂条件下的地面视距传播蜂窝移动通信，以及大量使用微波、毫米波、亚毫米波来组成局域网，这些网可以是企业内部网，也可以是接人网。这些电路多数是在建筑物林立的城市使用，地形复杂，电磁环境恶劣。电路基本上是在建筑物和树木中间的多次散射传播，到达接收机的是来自不同方的具有不同相位和幅度的多径信号。其衰减特性和衰落特性均非常复杂。为了给系统设计提供一个比较准确的传播模型，电波传播工作者正在开展理论和实验工作。特别是最近在无线通信中，广泛使用所谓MIMO体制，即多输人一多输出(MultipleInput-MultipleOutput)系统。在收、发两端都有多付天线。它已经用在3G移动通信，将来可以用于高度可靠的无线局域网。它可以构成一个高度有效的天线分集系统;还可以作为多路平行信息传输通道，增大通信容量，提高频率利用率。同样，ITU-R也提供了预测模型，但是精度还不够理想，还有许多工作要做。1.3楼宇传播特性的研究无线通信有许多情况是在室内进行的。家庭网、企业网、许多无线局域网等都是在室内。近年来，研究楼宇传播非常受到关注。这里包括收、发端均在楼宇内部的传播和一端在外，另一端在楼宇内部的传播，以及房间内部有无金属家具等多种不同情况。特别是新的建筑材料不断出现，微波毫米波在这些材料的墙体、天花板、地板的反射、散射，以及穿透这些材料的特性，都需要进行研究。大体上有统计模型法、定点路径测试、计算机射线追迹等方法。1.4短波通信这是使用最久远的一种通信。由于它的频带很窄，使用的范围已经有所缩小。但她并没有完全退出历史舞台。在军事通信，航空通信、广播等方面，仍有应用前景。广泛采用各种自适应技术，如频率自适应，天线自适应，数码率自适应等，使短波通信的质量和通信带宽都有大幅度的提高。近垂直人射短波天波(Near-Vertical-IncidenceSkywave)通信，可以在近距离(几百公里)克服地形的地物，如丛林、沙漠、高山等的影响。据报道，美国在海湾战争中就使用了这种通信。2环境监测中的电波传播问题随着人们生活水平的提高，以及工业化对环境影响的加剧，人们愈来愈关心环境对人类工作和生活的影响。环境问题引起了全人类的极大关注。环境的实时监测和准确预报，成为科学技术领域的热点问题。2.1用电磁波(包括光波)的方法，来监测地球大气层和宇宙空间遥远探测是测量大气层和宇宙空间最常用的方法。电离层测高仪、激光雷达、非相干散射雷达、部分反射雷达、相干散射雷达、SAR、辐射计(radiome-ter)、散射计(scaterometer)、卫星信标接收法、大功率加热法等等，种类繁多，难以一一列举。在所有这些设备中，多需要分析所测得的资料，得出所需要的结果。这就需要了解电磁波和环境参数相互作用的机制和定量关系，这些都是电波传播需要研究的问题。有些参数需要全球进行观测，才能得出有意义的结果，所以国际合作特别重要。以电离层观测为例，全球几十个国家用各种不同的方法，观测了几十年。为了提出一个国际通用的电离层模型，国际电离层参考模型(IRI)，几十个国家的科学家通力合作，已经公布了IRI的模型。但是还需要继续努力，不断提高。每年召开一次国际会议进行讨论。多数全球性的观测，需要用统一观测标准和数据处理规范，组成一个全球的监测网。所测资料除送世界数据中心外，还实时地送到互联网上的网站，供大家共享。2.2环境的监测有许多电磁环境参数，直接影响到人类的生活和身体健康，需要不断地加以监测，发现异常，及时发出警报。大面积的如太阳爆发的监测、臭氧层监测、流星雨监测、小行星的检测等。需要全球合作，交换资料数据，即时发出警报。小范围的如电磁干扰的测量、有害辐射的监测等。2.3灾难事件的预报用电磁波方法来预报灾难事件，如地震、洪水、火山爆发、雷电等的发生是一个正在探索中的领域。以地震预报为例，日本和俄罗斯的科学家，接收和分析震前辐射的电磁波已有多年的历史。国际上出现了地震电磁学这个科学名词。认为在地震前和地震中有很强的电磁辐射，能量分布在DC,ULF,ELF,VLF,HF很宽的波段范围。有文献报道，关岛大地震收到了ULF信号。日本神户大地震,VLF导航信号出现异常。希腊科学家曾成功地预报一次地震。日本综合通信研究所的科学家们，利用甚长基线干涉仪和激光雷达来监测地球“板块”之间的距离和相对运动。雷电的研究有很大的发展，美国已经在全国建立一个雷电观测网。雷电所辐射出的能量可以引起输电线路和电器设备产生故障，飞机航行也要躲开雷电区。人们还发展了人工触发雷电的方法，以便更主动地来研究雷电。煤岩挤压，发生断裂，也可以辐射电磁波。研究这些辐射的特性，可望发展出预报煤矿事故的电子系统。发展更先进的过程预报方法，也是今后的重要发展方向。要利用功能强大的计算机，以及正在发展中的分维理论、遗传算法、神经网络、模糊理论、人工智能等新理论和新算法，发展出能够进行自学习、自组织、自更新的智能化预报模型或预报方法。预测模型对于电波传播研究是十分重要的。电波传播研究，实际上要经过测试、模型化(建模)、应用这三个阶段，也可以称之为电波传播研究的三要素。建模是十分重要的一个环节。3电波传播与遥感和电磁兼容的结合上世纪末期，遥感和电磁兼容获得迅速发展。电波传播研究和这两门学科相结合，引出许多新的课题研究。遥感中使用各种光学的、微波的探测设备。由于微波遥感可以做到全天候探测，在各种天气条件下，能够24小时工作,所以倍受青睐。使用的频率主要是C波段和L波段。从卫星、飞机、气球，用散射计(Scaterometer)、辐射计(Radiome-ter)、综合孔径雷达(SAR)，特别是在SAR上加极化分集、干涉仪工作方式。探测地面、海面、地物、冰雪、植被、农作物、土壤盐含量等参量。分解度可以达到3m至100m。遥感不仅和设计通信电路一样，需要知道电波传播各种路经特性，它还需要掌握各种被测对象在不同人射角、不同频率、不同介电特性的反射特性和散射特性。没有充分的电波传播资料，就不可能反演出所需的测量结果。反演资料所用的方法，多数是电波传播研究中广泛研究的电磁数字计算方法。所以遥感是电波传播研究的一种应用和电波传播的研究紧密相连。电磁兼容学科的蓬勃发展，是人们广泛使用电器设备、电子系统的必然结果。合理安排各种设备的工作频率、辐射功率、彼此的间隔，使得不产生相互干扰，彼此“和平共处”，是电磁兼容的研究任务。计算各种原件、部件、印制板、导线的辐射特性;计算各个辐射源之间的相互作用和影响;研究各种材料、形状、构件的电磁波屏蔽特性;制定各种辐射标准等等，是电磁兼容的任务。这里面有大量的电波传播问题。多数问题是电波传播研究的应用，有些问题利用电波传播的研究方法。所以电波传播和电磁兼容的关系，既是电波传播成果在电磁兼容方面的应用，同时也可以看成是电波传播和电磁兼容相互交叉，相互促进。和电波传播相比，电磁兼容和工业生产结合更加紧密，实用性很强，更加易于获得社会的支持。所以，电波传播研究的许多成果，可以转移到电磁兼容，则将获得更加强劲的发展势头。4电磁波生物效应研究电磁波对人体的影响，已经有很长的历史。但近年来，由于超高压输电网的兴起，通信、雷达及其他工业设备中大功率辐射的存在，特别是移动电话和无绳电话，无接触式智能卡的广泛应用，电磁波对人体的影响，引起了社会的广泛关注。研究生物效应的动力来自两个方面。一是研究电磁辐射对人体的有坏影响。另外方面是利用电磁波来诊断疾病和治疗疾病。因为电磁波对人体的影响有很大的频率依赖性，研究最多的有两个频段，一个是电力工频(50^-60赫兹)，另一个是包括微波在内的无线电波段。对电力线的研究开始注重电场的影响，以后发现电场的影响很小，而磁场的影响是主要的。一根输电线的电压是不变的，而电流则变化很大，所以电力线周围的磁场变化是大的。曾经有报导电力线磁场和儿童出现白血病有关。近来的研究表明，多数科学家倾向于电力线的影响不大。微波辐射对人体影响的研究，获得了很大的进展。有关的权威机构，陆续公布了无线电辐射照射的安全标准。这个标准规定3千赫至300千兆赫，最大允许照射(MPE)值和比吸收率(SAR)两个阀值。认为在这个阀值以下，就没有太大影响。值得注意的是，照射分全身照射和局部照射。移动电话的照射属于局部照射，据说70%的能量都被人脑所吸收，其影响当然远大于全身照射的情况。电磁波对生物组织的效应，可以分为热效应和非热效应。热效应的机制比较明确，当组织中所感应的电磁场达到一定的数值后，就会体温升高。上述标准就是根据热效应制定出来的。现在问题是电磁波的非热效应。非热效应的机制还不很清楚，特别是在电磁波长期照射下(虽然强度在安全阀值以下)，会对分子水平和细胞水平会产生什么影响，是否会使DNA产生变化等等问题，远未得到解决。文献上发表了很多关于这方面的测试结果，但还缺乏系统的、长期的测试资料。有些测试结果甚至是互相矛盾的。电磁波对人体的影响也有可利用的一面。利用电磁波对人体影响来诊断和治疗疾病，已经发展成为专门的技术。如核磁共振成像(MRI)、微波治疗仪等就是例子。可否利用电磁辐射，来影响和改变人体的DNA，使之向有利于人体的方向转化，是科学家们正在探索的问题。总之，电磁辐射对动物和人体的影响，是一个重要的研究课题，尽管已经取得了一些进展，但没有搞清楚的问题还很多。还需要开展更多的研究，特别是需要有系统的、长期的、合乎科学规范的测试研究。5计算电磁学的研究计算电磁学是在计算机技术快速发展的情况下发展起来的一门新兴学科。它是研究电磁现象的一种新的有力手段。特别是对一些复杂系统，它差不多是唯一可用的手段。所谓复杂系统是指结构上很复杂、物体形状复杂，或者媒质性质复杂。假如希望对问题得出精确的，而不是粗略的近似结果，许多过去认为是简单的问题，现在也都会成为复杂问题。例如，一部通信车顶上装一副天线，过去计算假定车顶是个无限大平面，这是一个非常粗略的近似。假如现在要考虑车身的不规则形状对天线性能如方向图的影响，这就是个复杂系统。又比如媒质方面，新出现许多新的媒质。非线性媒质、周期性不均匀媒质、手征型(Chiral)媒质、各向异性媒质、双各向异性(Bianisotropic)等媒质，计算起来就是个复杂系统问题。计算电磁学已经成为电磁波工程领域中非常活跃的领域。计算电磁学的内涵非常广泛，用于处理天线、电磁兼容、电波传播、遥感逆散射、微波元件设计和计算、雷达目标特性、集成电路设计等方面的问题，都获得了良好的结果。在今后，随着计算机性能的进一步提高，将会出现更多新的计算方法。计算电磁学除了用于处理散射、逆散射等问题外，电磁计算成象是新近发展起来的一个分支。人们不满足于一大堆数据，而希望有三维的图形显示。另外也将引人很多新的计算方法，如人工神经网络、遗传算法、分维理论、模糊算法、小波分析法、人工智能算法等，以及它们互相结合所产生的新的计算方法。这些算法各有其所长。例如，神经网络算法在模式识别、图象处理等方面表现出很好的应用前景。遗传算法则在优化设计方面表现出很好。总之，针对不同的问题，采用不同的算法。当然，许多较为成熟的方法，如矩量法、有限元法、有限差分法等，将继续发展，特别是注重发展一些杂交性方法。6能量传输的研究传统地，电磁波主要用于传输信息，传输能量则主要是有线的责任。近年来，将电磁波用来传输能量的研究有了一定的进展。利用微波将在空间获取的太阳能传送到地面，在美国和日本等国已进行了多年的研究。最近又有报导，有利用电磁波从地面向飞行体如飞机、气球、飞艇等输送能源的研究。也有人研究利用微波向在高速公路行驶中的汽车输送能量的可能性。空间太阳能的利用，整个系统包括一个收集太阳能的空间平台、将太阳能转换成微波能的装置，然后用一个微波发射系统将这些微波能发射到地面。在地面用天线接收这些来自空间的微波能，然后再将其转换为便于人们使用的电能。这是一种可以持续使用的能源，在不可再生能源日益紧张的今天，空间微波能源不失是一个可能的替代能源。近日再度受到人们的重视，特别是美国和日本。用微波集束天线传输空间产生的太阳能到地面使用的建议在1968年就提出来了。30年过去了，基本概念没有新的突破，但是有一些试验结果。总的来说，没有大的进展。近年来，由于世界人口的增加，对能源的需求日益迫切。石化资源的有限，空间太阳能的利用重新获得美国和日本政府的重视，计划发射试验卫星，进行试验。2001年，日本的经济、贸易和工业部(METI)计划在2001年4月开始太阳空间能源卫星的研究，到2040年用大型太阳能卫星工作。计划输出1G瓦(相当一座核电站)卫星放在同步轨道，有2个3X1km的太阳能板。发射天线的直径为1km。地面接收天线为几km的半径。美国NASA也开始研究，于1999年启动了SERT计划。(SpacesolarPowerExploratoryResearchandTechnology)希望利用新的技术进展，找出新的途径。如有的建议用小功率的激光射束。7地下、水下电波传播研究地下、水下以及其他特殊的媒质中的电波传播