電波傳播研究綜述

1、電波傳播研究綜述 電波傳播是一門歷史悠久的學科。一百多年前赫茲著名的實驗，就是首次電波傳播試驗。經(jīng)過一百多年，電波傳播研究獲得了巨大的發(fā)展，現(xiàn)在人了比較成熟的時期。但是，客觀世界是無窮的，電波傳播的一些基本規(guī)律雖然已經(jīng)掌握，但結合具體的應用，有待研究的問題還很多，所以電波傳播至今仍具有很強的發(fā)展?jié)摿?。電波傳播是一門理論性很強的學科，根據(jù)她自身學科發(fā)展的需要，會提出許多新的研究課題。同時，電波傳播又是一門實用性極強的技術，它的研究一直就是圍繞應用需求來開展的。特別是發(fā)展到了今天，她的發(fā)展動力，更多地是來自應用的需求。也就是說，電波傳播發(fā)展的總趨勢是應用牽引，交叉滲透。應用的需求將推動著電波傳播研

2、究繼續(xù)向前發(fā)展。下面就從客觀應用的需求出發(fā)，對電波傳播研究的發(fā)展，作一些粗淺的展望。1.配合無線(wireless)通信的發(fā)展，開展電波傳播課題研究電信發(fā)展的歷史，是一部無線通信和有線通信相互競爭，相互促進的發(fā)展史。光纖通信的出現(xiàn)和發(fā)展，似乎使有線通信占了主導地位。不錯，在固定的干線通信中，光纖網(wǎng)無疑是占有非常重要的地位。但就整個通信領域而言，情況卻不是這樣。近一二十年來，隨著微電子技術的進步，糾錯編碼和信號處理技術的發(fā)展，無線通信的面貌煥然一新。過去認為無線訊道不穩(wěn)定，可靠性差的缺點，都獲得很大的克服?，F(xiàn)在的無線通信已經(jīng)成為頻帶寬、可靠性良好、設備輕巧簡單，架設容易，造價低廉的重要通信手段。

3、應用的范圍愈來愈廣泛。在一些非用無線通信不可的地方，如衛(wèi)星通信、移動通信、宇航通信、航空通信、艦船通信，特別是軍事通信等領域，無線通信當然更加興旺發(fā)達。其中特別引人注目的是蜂窩移動通信，他已經(jīng)從 1代、2代、2.5代發(fā)展到今天正在部署的第4代，并且正在向第5代進軍。人們不僅在手機上通話，還要上網(wǎng)，要辦理許多業(yè)務。移動通信的用戶，在許多國家已經(jīng)超過固定通 信的用戶。我國現(xiàn)在大概有 5億多通信用戶，其中 移動通信用戶接近 3億，已經(jīng)超過固定通信用戶。無線通信不僅在蜂窩移動通信中使用，還正在其他一些通信領域中興起。如無線接人網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、個人網(wǎng)和家庭網(wǎng)、短距離固定毫米波通信線路等，真可謂花樣翻新，

4、日新月異。美國9.11事件后， 該地區(qū)的所有通信系統(tǒng)都被摧毀。就是依靠毫米波 通信，在很短的時間內(nèi)，恢復事件發(fā)生地區(qū)的通信，顯示了無線通信的威力。無線通信已經(jīng)成為當代通信的主流。無線通信應用的頻段，正在從微波向毫米波、亞毫米波擴展。光波的無線通信最近也有很大的發(fā)展。在一些大城市中，利用光束在自由空中的傳播，設備很小，置于高樓樓頂，易于構成寬帶的局域網(wǎng)絡，解決城市難以埋設光纜的問題。 針對無線通信如此發(fā)展，需要更多的電波傳播知識予以配合。因而開展了一系列新的研究課題。這些問題大致有:1.1地空電路傳播特性的研究 利用衛(wèi)星(同步衛(wèi)星、近地衛(wèi)星、小衛(wèi)星、氣球等)這個平臺，進行通信、廣播、遙感、導航，

5、繼續(xù)快速發(fā)展。衛(wèi)星通信具有地面通信不可替代的作用。衛(wèi) 星導航系統(tǒng)從軍用到民用，現(xiàn)在已經(jīng)普及到個人。衛(wèi)星電視直播在國外也已經(jīng)非常普及。為了獲得更 大的通信帶寬，衛(wèi)星通信的頻率愈來愈高，除了繼續(xù)使用 L波段和 C波段外，Ku(10/20GHz)波段、Ka(30/20GHz)波段正在發(fā)展，F(xiàn)波(50/40GHz)也 在考慮中。這樣，大氣層的影響越來越重要。對這 樣的地空電路有影響的主要是對流層和電離層。頻率高于IOGHz以上，電離層的影響就很小。降水、云、大氣氣體分子等的吸收、閃爍、交叉極化等對電路通信質(zhì)量有重大影響。頻率愈高，仰角愈低，這些大氣層的影響愈嚴重。 最關心的項目是雨衰減。在世界范圍進行

6、了大量測試。ITU-R也給出了預測模型。但是降雨的分布極端復雜，季節(jié)變化很大。所以研究還在繼續(xù)中。 在對付雨衰減方面，除留出足夠大的余額之外， 采用分集接收也是一個可行的辦法。目前國際上正 在致力于研究空間分集(也就是站址分集)和波速分 集，以及衛(wèi)星分集等的效果。由于對流層中的湍流運動，引起溫、濕、壓的隨機起伏，導致介電常數(shù)的隨機起伏。引起接收信號相位和幅度的快速變化。我們稱之為“閃爍”(Scintilation)，這也是目前研究的重點。1.2 復雜條件下的地面視距傳播 蜂窩移動通信，以及大量使用微波、毫米波、亞 毫米波來組成局域網(wǎng)，這些網(wǎng)可以是企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，也 可以是接人網(wǎng)。這些電路多數(shù)是在建

7、筑物林立的城 市使用，地形復雜，電磁環(huán)境惡劣。電路基本上是在 建筑物和樹木中間的多次散射傳播，到達接收機的 是來自不同方的具有不同相位和幅度的多徑信號。 其衰減特性和衰落特性均非常復雜。為了給系統(tǒng)設 計提供一個比較準確的傳播模型，電波傳播工作者 正在開展理論和實驗工作。特別是最近在無線通信 中，廣泛使用所謂 MIMO體制，即多輸人一多輸出(MultipleInput-MultipleOutput)系統(tǒng)。在收、發(fā)兩端都有多付天線。它已經(jīng)用在 3G移動通信，將來可以用于高度可靠的無線局域網(wǎng)。它可以構成一個高度有效的天線分集系統(tǒng);還可以作為多路平行信息傳輸通道，增大通信容量，提高頻率利用率。同樣，I

8、TU-R也提供了預測模型，但是精度還不夠理想，還有許多工作要做。1.3 樓宇傳播特性的研究 無線通信有許多情況是在室內(nèi)進行的。家庭網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)、許多無線局域網(wǎng)等都是在室內(nèi)。近年來，研究樓宇傳播非常受到關注。這里包括收、發(fā)端均在樓宇內(nèi)部的傳播和一端在外，另一端在樓宇內(nèi)部的傳播，以及房間內(nèi)部有無金屬家具等多種不同情況。特別是新的建筑材料不斷出現(xiàn)，微波毫米波在這些材料的墻體、天花板、地板的反射、散射，以及穿透這些材料的特性，都需要進行研究。大體上有統(tǒng)計模型法、定點路徑測試、計算機射線追跡等方法。1.4 短波通信 這是使用最久遠的一種通信。由于它的頻帶很窄，使用的范圍已經(jīng)有所縮小。但她并沒有完全退出歷史

9、舞臺。在軍事通信，航空通信、廣播等方面，仍有應用前景。廣泛采用各種自適應技術，如頻率自適應，天線自適應，數(shù)碼率自適應等，使短波通信的質(zhì)量和通信帶寬都有大幅度的提高。近垂直人射短波天波(Near-Vertical-IncidenceSkywave)通信，可以在近距離(幾百公里)克服地形的地物，如叢林、 沙漠、高山等的影響。據(jù)報道，美國在海灣戰(zhàn)爭中就使用了這種通信。2 環(huán)境監(jiān)測中的電波傳播問題 隨著人們生活水平的提高，以及工業(yè)化對環(huán)境 影響的加劇，人們愈來愈關心環(huán)境對人類工作和生 活的影響。環(huán)境問題引起了全人類的極大關注。環(huán)境的實時監(jiān)測和準確預報，成為科學技術領域的熱點問題。2.1 用電磁波(包括

10、光波)的方法，來監(jiān)測地球大氣層和宇宙空間 遙遠探測是測量大氣層和宇宙空間最常用的方 法。電離層測高儀、激光雷達、非相干散射雷達、部 分反射雷達、相干散射雷達、SAR、輻射計(radiome-ter)、散射計(scaterometer)、衛(wèi)星信標接收法、大功率加熱法等等，種類繁多，難以一一列舉。在所有這些設備中，多需要分析所測得的資料，得出所需要的結果。這就需要了解電磁波和環(huán)境參數(shù)相互作用的機制和定量關系，這些都是電波傳播需要研究的問題。有些參數(shù)需要全球進行觀測，才能得出有意義的結果，所以國際合作特別重要。以電離層觀測為例，全球幾十個國家用各種不同的方法，觀測了幾十年。為了提出一個國際通用的電離

11、層模型，國際電離層參考模型(IRI)，幾十個國家的科學家通力合作，已經(jīng)公布了IRI的模型。但是還需要繼續(xù)努力，不斷提高。每年召開一次國際會議進行討論。多數(shù)全球性的觀測，需要用統(tǒng)一觀測標準和數(shù)據(jù)處理規(guī)范，組成一個全球的監(jiān)測網(wǎng)。所測資料除送世界數(shù)據(jù)中心外，還實時地送到互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)站，供大家共享。2.2 環(huán)境的監(jiān)測 有許多電磁環(huán)境參數(shù)，直接影響到人類的生活和身體健康，需要不斷地加以監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常，及時發(fā)出警報。大面積的如太陽爆發(fā)的監(jiān)測、臭氧層監(jiān)測、流星雨監(jiān)測、小行星的檢測等。需要全球合作，交換資料數(shù)據(jù)，即時發(fā)出警報。小范圍的如電磁干擾的測量、有害輻射的監(jiān)測等。 2.3 災難事件的預報 用電磁波方法來

12、預報災難事件，如地震、洪水、 火山爆發(fā)、雷電等的發(fā)生是一個正在探索中的領域。以地震預報為例，日本和俄羅斯的科學家，接收和分析震前輻射的電磁波已有多年的歷史。國際上出現(xiàn)了地震電磁學這個科學名詞。認為在地震前和地震中有很強的電磁輻射，能量分布在DC,ULF,ELF, VLF,HF很寬的波段范圍。有文獻報道，關島大地震收到了ULF信號。日本神戶大地震,VLF導航 信號出現(xiàn)異常。希臘科學家曾成功地預報一次地 震。日本綜合通信研究所的科學家們，利用甚長基 線干涉儀和激光雷達來監(jiān)測地球“板塊”之間的距離和相對運動。 雷電的研究有很大的發(fā)展，美國已經(jīng)在全國建立一個雷電觀測網(wǎng)。雷電所輻射出的能量可以引起輸電線

13、路和電器設備產(chǎn)生故障，飛機航行也要躲開雷電區(qū)。人們還發(fā)展了人工觸發(fā)雷電的方法，以便更主動地來研究雷電。 煤巖擠壓，發(fā)生斷裂，也可以輻射電磁波。研究這些輻射的特性，可望發(fā)展出預報煤礦事故的電子系統(tǒng)。 發(fā)展更先進的過程預報方法，也是今后的重要 發(fā)展方向。要利用功能強大的計算機，以及正在發(fā)展中的分維理論、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊理論、人工智能等新理論和新算法，發(fā)展出能夠進行自學習、自組織、自更新的智能化預報模型或預報方法。預測模型對于電波傳播研究是十分重要的。電波傳播 研究，實際上要經(jīng)過測試、模型化(建模)、應用這三 個階段，也可以稱之為電波傳播研究的三要素。建模是十分重要的一個環(huán)節(jié)。3 電波傳播與

14、遙感和電磁兼容的結合 上世紀末期，遙感和電磁兼容獲得迅速發(fā)展。 電波傳播研究和這兩門學科相結合，引出許多新的 課題研究。遙感中使用各種光學的、微波的探測設備。由于微波遙感可以做到全天候探測，在各種天 氣條件下，能夠 24小時工作,所以倍受青睞。使用 的頻率主要是 C波段和 L波段。從衛(wèi)星、飛機、氣球，用散射計(Scaterometer)、輻射計(Radiome-ter)、綜合孔徑雷達(SAR)，特別是在 SAR上加極 化分集、干涉儀工作方式。探測地面、海面、地物、冰 雪、植被、農(nóng)作物、土壤鹽含量等參量。分解度可以達到3m至100m。 遙感不僅和設計通信電路一樣，需要知道電波傳播各種路經(jīng)特性，它

15、還需要掌握各種被測對象在不同人射角、不同頻率、不同介電特性的反射特性和散射特性。沒有充分的電波傳播資料，就不可能反演出所需的測量結果。反演資料所用的方法，多數(shù)是電波傳播研究中廣泛研究的電磁數(shù)字計算方法。所以遙感是電波傳播研究的一種應用和電波傳播的研究緊密相連。 電磁兼容學科的蓬勃發(fā)展，是人們廣泛使用電器設備、電子系統(tǒng)的必然結果。合理安排各種設備的工作頻率、輻射功率、彼此的間隔，使得不產(chǎn)生相互干擾，彼此“和平共處”，是電磁兼容的研究任務。計算各種原件、部件、印制板、導線的輻射特性;計算各個輻射源之間的相互作用和影響;研究各種材料、形狀、構件的電磁波屏蔽特性;制定各種輻射標準等等，是電磁兼容的任務

16、。這里面有大量的電波傳播問題。多數(shù)問題是電波傳播研究的應用，有些問題利用電波傳播的研究方法。所以電波傳播和電磁兼容的關系，既是電波傳播成果在電磁兼容方面的應用，同時也可以看成是電波傳播和電磁兼容相互交叉，相互促進。和電波傳播相比，電磁兼容和工業(yè)生產(chǎn)結合更加緊密，實用性很強，更加易于獲得社會的支持。所以，電波傳播研究的許多成果，可以轉(zhuǎn)移到電磁兼容，則將獲得更加強勁的發(fā)展勢頭。4 電磁波生物效應 研究電磁波對人體的影響，已經(jīng)有很長的歷史。 但近年來，由于超高壓輸電網(wǎng)的興起，通信、雷達及 其他工業(yè)設備中大功率輻射的存在，特別是移動電 話和無繩電話，無接觸式智能卡的廣泛應用，電磁波 對人體的影響，引起

17、了社會的廣泛關注。 研究生物效應的動力來自兩個方面。一是研究電 磁輻射對人體的有壞影響。另外方面是利用電磁波 來診斷疾病和治療疾病。因為電磁波對人體的影響 有很大的頻率依賴性，研究最多的有兩個頻段，一個 是電力工頻(50-60赫茲)，另一個是包括微波在內(nèi)的無線電波段。對電力線的研究開始注重電場的影 響，以后發(fā)現(xiàn)電場的影響很小，而磁場的影響是主要 的。一根輸電線的電壓是不變的，而電流則變化很 大，所以電力線周圍的磁場變化是大的。曾經(jīng)有報 導電力線磁場和兒童出現(xiàn)白血病有關。近來的研究 表明，多數(shù)科學家傾向于電力線的影響不大。 微波輻射對人體影響的研究，獲得了很大的進 展。有關的權威機構，陸續(xù)公布了

18、無線電輻射照射的安全標準。這個標準規(guī)定 3千赫至300千兆赫，最大允許照射(MPE)值和比吸收率(SAR)兩個閥值。認為在這個閥值以下，就沒有太大影響。值得注意的是，照射分全身照射和局部照射。移動電話的照射屬于局部照射，據(jù)說70%的能量都被人腦所吸收，其影響當然遠大于全身照射的情況。 電磁波對生物組織的效應，可以分為熱效應和 非熱效應。熱效應的機制比較明確，當組織中所感應的電磁場達到一定的數(shù)值后，就會體溫升高。上述標準就是根據(jù)熱效應制定出來的?，F(xiàn)在問題是電磁波的非熱效應。非熱效應的機制還不很清楚，特別是在電磁波長期照射下(雖然強度在安全閥值以下)，會對分子水平和細胞水平會產(chǎn)生什么影響，是 否會

19、使 DNA產(chǎn)生變化等等問題，遠未得到解決。文獻上發(fā)表了很多關于這方面的測試結果，但還缺乏系統(tǒng)的、長期的測試資料。有些測試結果甚至是互相矛盾的。電磁波對人體的影響也有可利用的一面。利用 電磁波對人體影響來診斷和治療疾病，已經(jīng)發(fā)展成 為專門的技術。如核磁共振成像(MRI)、微波治療 儀等就是例子?？煞窭秒姶泡椛?，來影響和改變?nèi)梭w的DNA，使之向有利于人體的方向轉(zhuǎn)化，是科學家們正在探索的問題。 總之，電磁輻射對動物和人體的影響，是一個重要的研究課題，盡管已經(jīng)取得了一些進展，但沒有搞清楚的問題還很多。還需要開展更多的研究，特別是需要有系統(tǒng)的、長期的、合乎科學規(guī)范的測試研究。5 計算電磁學的研究 計算

20、電磁學是在計算機技術快速發(fā)展的情況下 發(fā)展起來的一門新興學科。它是研究電磁現(xiàn)象的一種新的有力手段。特別是對一些復雜系統(tǒng)，它差不多是唯一可用的手段。所謂復雜系統(tǒng)是指結構上很復雜、物體形狀復雜，或者媒質(zhì)性質(zhì)復雜。假如希望對問題得出精確的，而不是粗略的近似結果，許多過去認為是簡單的問題，現(xiàn)在也都會成為復雜問題。例如，一部通信車頂上裝一副天線，過去計算假定車頂是個無限大平面，這是一個非常粗略的近似。假如現(xiàn)在要考慮車身的不規(guī)則形狀對天線性能如方向圖的影響，這就是個復雜系統(tǒng)。又比如媒質(zhì)方面，新出現(xiàn)許多新的媒質(zhì)。非線性媒質(zhì)、周期性不均勻媒 質(zhì)、手征型(Chiral)媒質(zhì)、各向異性媒質(zhì)、雙各向異性(Biani

21、sotropic)等媒質(zhì)，計算起來就是個復雜系統(tǒng)問題。計算電磁學已經(jīng)成為電磁波工程領域中非常活躍的領域。 計算電磁學的內(nèi)涵非常廣泛，用于處理天線、電磁兼容、電波傳播、遙感逆散射、微波元件設計和計算、雷達目標特性、集成電路設計等方面的問題，都 獲得了良好的結果。在今后，隨著計算機性能的進一步提高，將會出現(xiàn)更多新的計算方法。 計算電磁學除了用于處理散射、逆散射等問題外，電磁計算成象是新近發(fā)展起來的一個分支。人們不滿足于一大堆數(shù)據(jù)，而希望有三維的圖形顯示。另外也將引人很多新的計算方法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、分維理論、模糊算法、小波分析法、人工智能算法等，以及它們互相結合所產(chǎn)生的新的計算方法。這些

22、算法各有其所長。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡算法在模式識別、圖象處理等方面表現(xiàn)出很好的應用前景。遺傳算法則在優(yōu)化設計方面表現(xiàn)出很好?？傊槍Σ煌膯栴}，采用不同的算法。當然，許多較為成熟的方法，如矩量法、有限元法、有限差分法等，將繼續(xù)發(fā)展，特別是注重發(fā)展一些雜交性方法。6 能量傳輸?shù)难芯總鹘y(tǒng)地，電磁波主要用于傳輸信息，傳輸能量則 主要是有線的責任。近年來，將電磁波用來傳輸能量的研究有了一定的進展。利用微波將在空間獲取的太陽能傳送到地面，在美國和日本等國已進行了多年的研究。最近又有報導，有利用電磁波從地面向飛行體如飛機、氣球、飛艇等輸送能源的研究。也有人研究利用微波向在高速公路行駛中的汽車輸送能量的可能性。

23、空間太陽能的利用，整個系統(tǒng)包括一個收集太 陽能的空間平臺、將太陽能轉(zhuǎn)換成微波能的裝置，然后用一個微波發(fā)射系統(tǒng)將這些微波能發(fā)射到地面。 在地面用天線接收這些來自空間的微波能，然后再 將其轉(zhuǎn)換為便于人們使用的電能。這是一種可以持 續(xù)使用的能源，在不可再生能源日益緊張的今天，空 間微波能源不失是一個可能的替代能源。近日再度 受到人們的重視，特別是美國和日本。 用微波集束天線傳輸空間產(chǎn)生的太陽能到地面 使用的建議在 1968年就提出來了。30年過去了， 基本概念沒有新的突破，但是有一些試驗結果。總 的來說，沒有大的進展。近年來，由于世界人口的增 加，對能源的需求日益迫切。石化資源的有限，空間 太陽能的

24、利用重新獲得美國和日本政府的重視，計 劃發(fā)射試驗衛(wèi)星，進行試驗。 2001年，日本的經(jīng)濟、貿(mào)易和工業(yè)部(METI)計 劃在2001年4月開始太陽空間能源衛(wèi)星的研究，到 2040年用大型太陽能衛(wèi)星工作。計劃輸出 1G瓦 (相當一座核電站)衛(wèi)星放在同步軌道，有 2個3X 1km的太陽能板。發(fā)射天線的直徑為 1km。地面 接收天線為幾km的半徑。美國 NASA也開始研究，于 1999年啟動了SERT計劃。(Space solar Power Exploratory Research and Technology)希望利用新的技術進展，找出新的途徑。如有的建議用小功率的激光射束。7 地下、水下電波傳播研究地下、水下以及其他特殊的媒質(zhì)中的電波