我国电磁场理论研究的现状及发展展望.pdf

第场卷第 嗯期 l 一 年 7 月 电子 科学 学刊 JOU RNALOFEL E CT RO NICS VO I 16 N o 4 Jul了 1994 我国电磁场理论研究的现状及发展展望 张志健 国家自然科学基金委员会 北京 1 0 0083 刘宏宋文森 中国科学院电子学研究 所北京 10 00 8 摘要本文从国家自然科学基金委员会所资 助的研究项目的角度 论述了我国电磁场理论 研究的现状 并对今后的发展方向作了一 些探讨 关键词 电磁场理论 发展展望 1电磁场 理论发展展望 电磁场理论的 研究已经有了一个 多世纪的历史 但是电磁 场理论的发 展仍保持着强 大的生命力 这是由下面 几个方面的 因素所决定 的 1 1 科学和工程技术发展是电磁场理论发展的最强大的推动力 电磁场理论的早期 发展历 史是和 无线通 信和雷达的 发展分不开 的 已主要应用在军 事 领域 而现在电磁场 的应用已经遍及地学 生 命科学和 医学 空间科学 材料科学和信 息科学等几乎所有的技术 科学领域 这些工 程技术 领域对电磁理论提 出了各种 新 的 要 求 如 在大规模集成电路和 微波 单片集成电路的发 展 中 随 着集成度的提高 它的各种元 器件和连线 的尺度已缩 小到微 米和纳米的量 级 这 样 旧有 的集 中参数的概念已完全不 再适用 要求用场 的理论来处 理 而这 些集 成电路的结构 是十 分复 杂的 这 就提出了如何 处 理 如此 复杂结构 的电磁场 问题的新课题 又如电子战 中隐身 与反 隐身技 术的发 展 提 出 了各 种复合材料 和新型材 料表面 的电磁散射问题 在电磁波用于地物勘探以及医学应 用中都遇 到了类似的 问题 这些 问题统 称为复杂介质中的电磁场问题 再如 遥感技 术的 发展 特别是微波遥感的发展 对 电磁场理论 提 出了更 为复杂的要求 从外层空间经过电 离层 大气层到地表 地 表存在着各种 极复杂的几何形状和各种不 同 电磁特性的物体 而 电磁波还能 透人地表深人到 一定深度的地下并从 地下 反射回来 最后 通过同样的复 杂途 径返回到 空间的接 收器 这是一个何等复杂的环境系统 研究这类复杂环境下的 电磁场 问题 不仅要 研究 散射问 题更要研究其逆散射问题 这将是电磁场理论工作者面 临的一个 更为艰巨 的任务 正是在这些工 程技 术 也 就是生 产力发 展这一最强大力量的推动下 使 得电磁场理论的发 展仍保持了强大的 生命力 1993一12一6收到 19 94 一02一2吕定稿 张志健男 19 3 7 年生 高级工程师 国家 自然科学基金委员会信息科学部电子学科主任 刘宏男 1 64年生 助理研究员 从事电磁场理论和应用的研究工作 宋文森男 1 38年生 研究员 博士生导师 从事电磁场理论与微波技术的研究工作 395 电子科 学学 刊 1 卷 1 2 计 算机和计算技术的发展也给电磁学的发展带来了断的推动力 计算科学对于电磁场理论发展的 影 响决不仅仅 是提供一个 计算工具的 问题 而是使 整个电磁 场理论的发 展发生 了革命性 的变革 可以毫不夸张地说 近二三十年来 电磁场 理论本身 的发展 无一不是与计算科学 的发 展相联系的 1 3 戴学和物理学的发展及其在电磁场理论中的应用给电 磁场理论的发展 同样也 带来了巨大的影 响 这里特别应该指 出现代 数学 分析方法在电磁场 理论 中的应用给 电磁场理论 带来的 革 命性 的变 革 经典的数学分析是在欧氏空间 中进行 的 而现代分析则 把数学分析 的领域 从欧氏空 间扩大到抽象空 间中去 特 别是其中建立 在线性 函数空间上 的分析方法 线 性泛函分 析或线性算子理论 它 的发 展已有近一个多世 纪的历史 但它在电磁场理 论中的 应用却 还只有3 0 多年的时间 而它在电磁 场理论 中的应用正是和计算技术在电磁 场理 论 中的 应用紧密地联系在一起的 电磁场工作者正 是通过 电磁场的数值计算工作才了 解 和掌握了这一现代数学方法 反过来 人们又发现算子理论在电磁场理论中的应用价值远 不限于数值方法的范 围 它 也可以大大的扩充解析求解的范围并更深人反映电磁场的物 理 本质 近十几年来一些新的数学方法和概念 如分形数学 混沌动力学以 及子波分析方 法等的发展也将给 电磁学的发展 带来新的活力 特别是浑沌动力学 它不仅是一种新的 数学工具 也 是一 种新的 物理概念 或 者说 它给人们 带来 了认识 自然 界或科学的一 种新 的 思维方法 综上所述 作为物理学的一个 重要的 领域 特别是作为获取信息的最重要的 手段和远 距离传输信息 的几 乎唯一的工具 电磁 场理 论在今后信 息社会中的应用领域将会 越来 越 宽广 它的 发展尽管受 到了国 际上军事 应用萎缩的 影 响 但仍保 持着强大的生命力 2五 六十年代我国电磁场理论发展历史的简单回顾 中华人民共和 国成立 以后 我国电磁场 理论的 研究 工作受到国家领 导 的高度重视 在 五六十年代 电磁场理论的 发展与 国防尖端科学技 术紧紧的结 合在一起 主要为 军事通 信 雷达技术 电子 对抗和卫星技术 等军事应用服务 与国际上 的发展 相应 当时 的 电磁 场理论 从不同 的应用目标 出发 形成了 电波传 播 天 线和微波技 术等几个专业领域 由于 当时数学理论和 计算技术的 条件限制 只能 对一些 极简单 的 问题 进行 麦克斯韦方 程组的 精确 求 解 而对于比较复杂的 实际工程技术 中的电磁场的边值 问题 只能从工程问题的 特殊要求出发 发展 出一套近似的 方法 大量地引用集中参数电路中的一些 基本概念 如 电压 电流 阻抗等 而使原来属于同一个数学 问题 的一些领域形成 了极不相同的学科特 点 如微波技术中 人们大量引 用 了关于网络的概念和分析方法 在天 线理论 中 总是在 辐射面上寻找等 效电流 不管辐射 的面是传输线的端口 缝 隙或是金属线 段 一般总是 寻 找等效电流 然后计算等效 电流的辐射 电波传播理论中 主要研 究偶极子或其他简单报 子在地面 大气层到电离层 之间的 空间内的传播 文献 1一6 反映了我国科学家在这期 间 对 电磁场理论所作的主 要贡献 文献 1 2 反映了在电波 传播方面的一 些工作 文献 1 1首次提 出了一种方法 它能 4 期张志健等 我国电磁场理论研究的现状及发展展望 得出可同时适用于中性大气部分和 电离大气部分的关于大气折射率和群速的统一表 示 式 这样就有可能把包 括中性大气 部分和电离大气部分的整个大气 层作为整体 来进行电 波传播的理论分析和实验计算 并在此理论分析 的基 础上提出了 漏波 滑行传播 的概 念 论证 了这种传播方 式可 以解释 空间飞行器与地面 间绕 过地球阻挡的远距离传播 也 可以解释地面上两点间的远距 离 指 约 4o 0k 0m 以上 的传 播 这在当时 对于认识超 短波 的对流层 和 电离层传播机理有较大的理论意义 文献 2 1讨论的是无线电波绕 地面 的绕 射理 论问题 经过许多有名望 的数学家和物理 学家 如瓦 特逊 G N Wa t s o n 范德伯 B V an d er P o l 勃勒 莫 H Br emm e r 福克 B A 巾皿 等人的研 究 一般 认为 已经 获得了完全解决 但作 者提 出了自己的 更精 确的求解方 法 进 一步发展 和完善了这 一 理论 微 波理论和技术 刘虽出 版于 1979 年 但 该书 的内容实际上是著者从 5 0年代 到 70 年代 初的 2 0多年工作的总 结 作者在 微波技术领域所作的贡 献是 多方面 的 特 别是在 T EM 波传输线 波 阻抗的计算方法冈上 该方法的简明性和精度性都超过了 当时 国 际 上 所用的其它方 法 受到了国际同行 的高度赞誉 被称 为 林钟法 在文献 6 中 作者应用藕合模理 论把各种微波 电路 微波元 件 中的 电磁 理论 问题 作了综合 这对于不论 从物理概念上来理解这些微波电路 和元件的工作机理还是从工程 应用的需要上来设 计这些电路或 元 件都有重 要 的意 义 作者的这一工作和以后 在特种光 纤理论上所作的贡献 都赢得了国 际同行的高度赞誉 以上这 些只是这一期间 中我 国科学 家在电磁场理论领域的一 小部分最突出的 工 作 到6 0年代中 我国不论从电磁理论工作 队伍 的数量和水平 所开展 的研究 工作的广度和 深度以及 电磁场理论在解决通 信 遥测遥控 雷达 以及 卫星工 程等实 际 问题所起的作用都 说明我国的 电磁场理论和应用的水平已跟上或接近当时 的 国际水平 3七八十年代我国电磁场理论发展概况 6 0 年代 中开始 国际上 由于计算技术的 应用 而 使电磁场理 论获得 了飞快 的发 展 计 算电磁学的出现和线性算 子理 论在 电磁场理论 中的广泛 应用 使 电磁场理 论和 方法都 得 到了跃进式 的发展 旧有的学科之 间的 界线很快被打破 新的研究领域和方 法不 断涌现 到 7 0 年代末 我国的 电磁场理论研究 大大地 落后于 国际 的发展 水平 从 7 0年 代末 到 8 0年代初 一批华裔科 学家回国讲 学和我国第一批访 问学者学成归 国 又开 始 了我国 电磁场理论快速发展的时期 当时对我国 电磁场理论工作者影响最大 的两本书是 H rr ing t n 教授的 Fi eld e o mp utat io n i n Ele e tro一magnotie T h e o ry 切 和戴振铎教 授 的 nv aa ie G re en 5 Fu n ct io n inEle etr o一magnetie Th e o ry 闭 H arri g n o t n 教授的工作主要是把电磁 场的边值问题归 结 为二阶自共扼线性偏微 分算子的算子 方程问题 然后把线性泛函分析中的最优逼近理 论和矩量 法 引用到 电磁场 问题的数值 计 算 中来 考虑 到电磁场理 论中的 特有的边 界情况和边 界 条件 从矩量法又发 展 出各种适 合于特殊边界情况的方法 如边界元法 单矩法 以及数值方 法与 解析相结合的方法 文献 9 10 1 的作者就是在 H ar r ig n to n 教授 的实验室工作过的我国第一批访 问学者 他们把 J 电子 科 学 学 刊 卷 H a rri gn to n 教授 的理论 和方法带回国内 并通过自己的工作发展 了这一套理 论和方法 在 Engin e e ring Ele etro m a g n etis m Fu nctiona lM etho d s 以 一书中 著者把一些常用 的 电磁场数值计算的方 法用线性泛函的统一框架表示出来 使 电磁场 的数值方法更加 理论 化和系统化 并矢格林 函数理 论不同于以前经典电磁场理论中常用的一些方 法 由于麦 克斯韦方 程的复杂性 在戴振铎 的工作以前 人们一直没有找到对于麦克斯韦方程组或者说对于矢 量波方程的普遍的 求解方法 从前一节中也可 以看到这一点 而并矢格林函数不再是针 对某 种特殊问题的 而 是讨论 电磁 场问题的普 遍的解析方 法 虽然对于戴振铎工作的严 密性 或者说解的 完备性 问 题有过不少争论 但这些都不影响它 的重大 的理论 意义 更 为令人惊奇的是 戴振铎和 H盯 r i ng t 这两位教授在 几 乎同一时 期 提出来的在形 式上 很不相同的 两本 在 电磁理论 中最 有影 响的著作中 所用的方法却 几乎是一样 的 实际上 用的 都是矩量法 虽然在戴振铎 的书中从未提过矩量法这一 个词 但实际上该书中所用 的方法只是试函数与权函数都用 矢量波函数的矩量法 国内一些学者在戴振铎工作的 基 础上作了不 少工作1 t Z 一1 J 特别是文献 12 在用矢量函数空 间理 论和矢量算子理论来处理 电磁场的本征问题和格林函数问题上 作了有意义的尝试 把 以并矢格林函数为基础的解析 方法 和以矩量法为基 础的数值法结合起来 既可 以 解 决微 波电路和元 件 中的电磁理 论问题 1 J 天线中的 问题1 6 I 同样 可以解决电磁散射 问 题 7 虽然这一方法 在近年来的电磁场理 论 中已占了主导地位 但是一些处理电磁场 问 题 的特殊方法 如几何 绕射理 论 电磁射线 理论 等在处理某些具体 问题时有其独特的方便 之处 近年来仍有些发 展 但这些 方法在实 际应用时一般仍要用并矢格林函数等 基本的 理 论 作为基础 文献 18 是关于复射线法 的专著 作者发展 和完善了电磁 射线法 我国学 者在毫米波传 播 特别 在雨 对毫米 波衰减 方面的 研究也取得了国际水平 的成果 川 4电磁场理论的新进展与探索 H a r rig nton 所提 出的 电磁场 的数值 计算方法 矩量法和 随后发展 起来 的各 种数值 方 法都有 一个共同的不足之处 就是它们处理的都是标量拉 普拉斯算子 的问题 并矢 格 林函数在理 论上是考虑了矢 量场 但在实际应 用中也只见 到处理标量场问 题 电磁场 是 一 个矢量场 只有对 于一些简单 的系统 它的 场可以用一 个模式 T E 模或 TM 模 来 表示 这时上述数值方 法可 以求得电磁场的精确 的结果 而对 于复 杂的结构用单一模式 计 算的 结果与 实际场差别很大 一2 2 文献 2 0 21 1 是用两 种相近 的边界匹配 方法 求双重 人 腔 的谐振 频率 由于 这 类结构 的回旋 对称性 其场的最低模式是纯 TM 模 这时 它 的 计算 结果与 实际测量结 果之间附 合得非常 好 误差不超过 0 1外 而文献 2 2 是 用几乎 相同的 方法 来计算 藕合 腔结构 的特 性 由于这 类结构中有一个非回旋 对称的腰状 祸合槽 因而对最低模式 同样存在 T E 模和 TM 模的祸 合 只求单一模式 的标 量场 的数值 计 算产生的误差达1 5 对于某些二维 结构 分别 对两个标量场算 子进行数值计算 通过 包含 两个标量函数特殊组合的 比较复杂的边界匹 配 可得到包含两个模式的精确解 3 但 这一情况毕竟也只是一种二维的特殊情况 要真正 解决三维 电磁场的一般解问题就不是 张志健等 我国电磁场理论研究的现状及发展展望 前面的这些方法所能胜任的 在文献 12 中虽探讨了用 电磁场的算子理论解决解析边界 下的三维电磁场问题的可能性 但由于这类问题的解析和数值计算都很复杂 至今还未见 实际的结果 三维电磁场问题是目前极受关注的问题 因为象集成电路的设计或复杂目标的散射 截面的计算等重要的电子工程技术问题都与三维电磁场的精确计算问题密切相关 时域 差分法 F D 一 T D 法 是解决这一问题的最有希望的办法 因 为 FD 一T D 法不同于以往 的任何一种方法 它直接对麦克斯韦方程组 实际上只是 对一组联立 的旋量方程组 而不 考虑高斯方程 中的 矢量 E H和 以及旋度算子和矢量边界条件进行数值计算 这样 所得的结果应该是 完备 的矢量场 由此所算出的三维电磁场也 应该是精确的 F D 一T D 法使 电磁场的理论与计算从处理稳态问题发展 到瞬态 问题2 从处 理标量场问题发展 到 直接处理矢盈场问 题 这在电磁场理论中是一个极有意 义的 重大的发展 这一发 展又 是 与计算科学的发展紧密联系在一起的 FD 一 TD 法的发 展是与计算科学中并行算法 的发 展分不开的 应用一般的计算方法 对于这种有七个变量的偏微分方程组的计算是很 困 难的 它将需要很长的计算时间 而 这类问题 采用并行算法可以大量的节省计算时间 国 际上 FD 一T D 法的普遍应用正是与并行算法的发展联系在一起的 从这里我们可以进 一步看到计算科学对 电磁场理论发展的巨大作用 近年来国内很多单位在 F D 一 TD 法方面进行了有意 义的工作山 6 z 文献 2 6 中所用 的方法并不是直接 的 F D 一 T D 法 而是把矩量法直接用到矢量函数和矢量算子中去 我 们相信 随着 F D 一 TD法和其它直接处理矢量算子 的数值方法 的发展 不仅 为三维电磁 场 问题的计算和有关工程问题的设计带来最为有力的工具 也将对电磁场理论本身的发展 带来极大的影响 用这些方法 从理论上应 该可以计算出 完全的 电磁场 但是在实际 的 电子工程问题中 仅有这 完全的 电磁场解还是不够的 因为在实 际的微波工程系统中 发射和接收天线并不发送和接 收任意组合的全 极 化信号 而是用两个天线 分别 的发送或 接 收两个垂直极化的信号 例如在微波遥感中就是这样 在这种 情况下 人们需要的是分 别对于不同极化的散射和交叉极化散射的情况 而不仅是总 的散射 这 就要把 这些方法 与基本的电磁场理论结合起来进行深人的研究 从而不 仅会获得更有效的计算方法 也能 更深人地揭示电磁场理论的本质规律 除了 FD 一 TD法和有关的直接计算矢量算子的各种数值法外 近年来随着电子工 程 技术发展的需要与 新的数学物理方法的出现 国内的电磁场理论工作者还开展了 以下 诸 方面的探 索性的工作 l 随着微波遥感的发展 电磁散射和电磁辐射的遥感理论越来越引起广泛 的兴趣 文献 27 是一本这方面的专著 它以矢量辐射传输理论为基 础 讨论了当今遥感理论的一 些主要发展方向 在不论 是微波遥感还是微波通信中都要涉及电磁波在大气层和电离层 中的传播问题 这些介质是随机的 我国学者近年来在这一领域也做了不少的 工作2 a t 2 l 随着电磁波在地学 生物学和医学中的广泛应用 电磁场的逆散射问题越来越受关注 不 论在结构重建还是在参数重建 不论是一维目标 还是二维目标的逆散射成象问题 我国学 者都做了不少的工作 3 1 z手征介质 或称旋波介质 是一种用于隐身技术的新 型复合材料 把 半径很小又 电子 科学 学刊 1 6 卷 胜 截得很短的金 属螺 旋线随机地埋人普通的介质中 可以作为这种材料的一种 模型 由于 介质中存在螺旋状的 导电体 介质特性 中就有 了电场与磁场 的祸合 这类材料 的理论分 析是非常困难的 文献L32 1做了一些初步的理论分析工作 3 小波分析 是8 0年代末期发展起来的现代调和分析 的一个重要分支 小波 正交 基的多分辨率结构 是空间 时间 自适 应算法 的有效框 架 与傅里叶 变换不同 它将信号 分解成多种尺度成分 可 以获得不 同分辨率上的 细节 非常适合分析回波信号 所以它 在 电磁场散射理论中应用是有前景的 但目前国内尚未见这 方面 的工作报导 国际上 也刚处 于起步状态 在国家 自然科学 基金 的资 助下 西安交通大学正在开 展这方面 的研究工 作 4 分形 或 分数维 是近十多年 才发展 起来 的一种数 学方 法 它 的发展 又是与 计算 科学的 发展紧密联系在一起的 它在电磁场理论中的应用 国际上也刚 刚起步 只有一些 很初步的理论探讨文章 实际应用成果的报道还 没有 但它 的应用前景是十分诱人的 在 微波遥感中的地物目标都是既有不 同的 几何特性又有不 同的 物理 或电磁 特 性的复 杂目 标 在遥感器所获得 的信息中总是把几何特性与电磁特性的信息混合在一起 而且几何 特性的量 化描述又是很困难 的 分数维理论就 可用来把 几何特性进行量化的描述 能否 通过分数维的理 论结合电磁散射理论把遥感信 息中表征几何特性的量与表征 电磁特性的 量分离开来 这是遥感工作者最感兴 趣的问题 但至今这一问题还只是一种很好的 愿望 而 没有找到解决 问题的 实际途 径 在国家自然科 学基金 的资助下 中科院电子所 西安电 子科技大学 等单位 正在开 展这方面的研 究工 作 5 混 沌动力学被称为从量子力学和相对论创立 以来 二十世 纪的第 三次 科学革命 它研究 复杂的不可 预测的随时间演变 的非线 性现象 混沌现象 广泛存在于物理 化学 生 物 气象和地质等 自然科 学和经济 人口等社 会科学 中 近十 年来 在国外引起人们极大 的关注 并有 着飞快的发展 电磁 场中混沌现 象的研究国际上也刚刚 起步 研 究 内容目前 主要还 限于自由电子 激光的 非线性相 互作用过程 中的混沌现象 中科院 电子所在国 家 自 然科学基金的资助下 正 在开展 这一探索性 的研究工 作 并已取得 了初步 的成果 本文论 及的 8 0年代 以后的各项工作 大 部分获得 过国家 自然科 学基 金委员会信息 科 学部的支 持 本 文的绝大部分材料也来自国家 自然科学基 金委员会的 有关资料 那些没 有得 到国家 自然 科学基 金委 员会资 助的 也有很多很 好的 工作 对于这 些工 作难免有所 遗漏 仅在此 表示歉 意 电磁场理 论领 域很广 由于 我们的知 识面所限 本文中定会有些 不妥的 论述 欢迎指 正 7 参考 文 献 L u Ba o一wei S eienria S iniea 19 57 8 7 761一78 0 L u B ao一 ei Seie ntia Sinic a 19 6 19 4 553一5 60 林为干 微波理论与技术 北京 科学出版社 1 79 林为干 钟祥礼 物理学报 196 3 19 4 249一26 8 黄宏备 微波原理 北京 科学出版社 1 9 6 H ua ng H u n g 一ehia C oupled M o d e T h e oryas APpl iedinMie r owa eand op rie a lT ra nsn t is sion U七r e eh t T h e N ethe r l a n d3 1984 H arr ing to n RF Fi eld c o mpu tation 10Ele etr o 功 a g n etie T h eory N ew Yo rk M acm ill an C o r np a ny 1968 J1 JI JIJ J1 J l 3 咭 吮 矛JO r L f胜Lr L一月LrL 4 期张志健等 我国电磁场理论研究的现状 及发展展望 T a TCi D y a di e G reen F unctio n 10Ele e tro m a g netie T h e ory Se a t to n P ub lishers 1 971 粱昌洪 计算微波 西安 西北电讯工程学院 出版社 1 85 曹伟 严鑫海 朱效年 电子学报 198 9 17 5 124一127 Z h ang W 七 n一Xu n Engin e ering E le e tro m agnetism F uoctio al M ethod E 乙 1 15H orwood L imit ed 19 91 P a In te xt E d ueatio l C b ich e一ter Engl a动 l 8 1l 0 Jl l l 1 3 1 l 2 1 1 4 阴 l 6 Jl 7 18 l J 2 0 21 2 2 2 3 24 25 2 6 宋文森 并矢格林函数和电磁场的算子理论 北 京 中国科技大学出版社 1 9 1 潘生根 电子科学学刊 1986 6 l 14一2 3 张善杰 电子学报 19 8 4 12 l 107一108 李嗣范 何立权 毫米波技术基础研究进展 南京 东南大学出版社 1 2 杨弃疾 电磁场理沦 北京 高等教育出版社 19 9 2 W u KL D e li s i e G Y Fang DGL e eo ur s M C o uple d Finite and B oun da ry El ement M etho d10 Ele e tr o m agnetic Se ar ter ingP rob lems N ew Y or k Els ev i ser Sei ene e P u bli sh in gC om Pa ny 1990 阮颖铮 电磁射线理论基础 成都 成都电讯工程学院出版社 1 8 9 Z ha ng Mi n g g a o R es ear eheson R adio P ro Pag ationa b ove 10 GH艺i n C 五i n a P r oce e ding s 讨 199 3 In t e rnationa lSympo siu o 00 R adio p r oPagation 一 9 3 Boiiiog C hio a 一 略 朱敏 吴鸿适 电子学报 1 9 81 4 8一1 5 李镇淮 宋文森 电子科学学刊 1987 9