经典推荐|我在加拿大的一些科研经历--一篇介绍天线Q值理论发展的好文章

EETOP2021-06-08 13:41:26

作者:文舸一    本文写于2011年,是文舸一先生为了纪念Bob Collin 教授而写的,时间比较早了,但是内容很经典,今天在论坛里看到,觉得不错,转发给大家。如果本文侵犯了作者权利,请及时联系我们,非常感谢作者的大作! 作者博客地址 http://dwz.cn/5QbKbm

我在加拿大的一些科研经历--谨以此文纪念Bob Collin 教授

文舸一


  Robert E.Collin 教授已经去世几个月了(注:本文写于2011年)。我是从伊琳诺工学院(Illinois Institute of Technology)教授Thomas T. Y. Wong处得知他逝世的消息的。就在去年下半年,我还与他有电邮往来。听到这一噩耗之后,内心深感惋惜与悲痛,久久难以平静!我过去十余年的科研工作经历与 Collin 教授有很大的关系。现将部分经历过程写出来,以纪念这位国际应用电磁学领域的杰出先驱。

  Collin教授生前是俄亥俄州凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的荣休教授,美国工程院院士,国际公认的应用电磁学奠基人;因病不幸于2010年11月29日逝世,享年 82岁。

  我们这代人是从学习 Collin 的经典著作 "导波场论"一书开始知道他的[1]。二十九年前,我考入西安电子科技大学微波专业的八二级研究生,师从我国著名微波专家吴万春教授和吴鸿适教授。第一学期的专业必修课程设有"导波场论",用的教材就是 Collin 教授 1960 年版的"导波场论"中译本(侯元庆译)以及 R.Mittra和S.W. Lee合著的"导波理论中的解析方法"[2]。这门课程内容十分广泛,包括各种典型波导结构及其不连续性分析的解析技巧;用到的数学工具颇多,涉及到经典数学的各个领域。作为刚入学的研究生,学起来非常吃力。给我印象最深的是这门课程的期末考试。主讲老师出了三道考题,实行开卷考试(即可以带参考书入考场)。我们从上午 8点一直考到下午 3点多,用了7个多小时才陆续交卷。监考老师念我们没吃中饭,从家里带来些糖果给大家补充能量。这是我所经历过的时间最长的马拉松考试。

  凡是读过 Collin 教授书的人,对他在学术上的造诣和严谨都是十分佩服的。除“导波场论”外,他还有另外两部经典著作:“微波工程基础”和“天线与无线电波传播”[3,4]。这三部著作在电磁工程领域产生了深远影响,是从事应用电磁学研究的必读书籍。国内外电磁场与微波技术学科的研究生大多采用它们作为教材或参考书。没有读过这些书的人是很难胜任今后相关领域工作的。

  在攻读学位期间,我花了大量时间和精力学习 Collin 的著作,为今后的科研打下了较为坚实的基础。这段时间与 Collin 教授有过一次通信来往。1987 年 9月博士毕业后,先后在东南大学和电子科技大学做博士后,得到著名微波专家章文勋教授,李嗣范教授和我国微波技术奠基人林为干院士的关心和指导。在两次博士后流动期间,大部分时间用来研读近代数学和物理学经典著作。1992 年 6月应邀前往加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley)教授 K. K.Mei(梅冠香教授)处访问,从事吸收边界条件的研究。访问即将结束时,电子科技大学校长刘盛纲院士写信要我回校参加破格教授答辩。我提前一个月结束了访问,于 1993 年 5 月初匆匆赶回学校。到校的第二天便参加答辩并顺利通过,之后留校工作。1998 年3月到加拿大滑铁卢大学(University of Waterloo)W. P.Huang(黄卫平教授)的课题组做了三个月的客座教授,从事光纤传输算法研究。1998年8月再次赴加拿大,在黑霉手机制造商 Research In Motion(RIM)从事手持终端天线设计工作,一做便是近十年。刚进公司的头三个月,完成了论文"理想天线的福斯特定理和辐射 Q"[5]。写这篇论文的原因还要从 Collin 教授的一篇文章谈起。

  上个世纪六十年代后期,微波天线界的老前辈对天线的 Q 值进行过激烈的讨论。Collin 在 1967 年题为"储能 Q 与平面口径天线的频率灵敏度"的论文中写道[6]:

  "It is well known (Foster‘s reactance theorem) that for a pure reactive networkthe frequency derivative of the input reactance or susceptance is proportional to the total average stored magnetic and electric energy. However; this is generally not true for an arbitrary reactive network terminated in a resistive load. Hence, one should not expect to be able to prove that such a result is universally true for antennas. Indeed,the slope of the input reactance of an antenna can be negative."

  Collin 教授认为福斯特定理对天线是不成立的,这基本上是天线行业当时的共识。大家知道,电路理论里有著名的福斯特定理,即任意单端口无耗网络的输入电抗的斜率是正的。这个定理对一般的有耗电路并不成立。由于天线存在能量辐射,故可看作有耗电路,因此有理由推测福斯特定理对天线不成立。事实上,Collin教授做出上述判断还有其它依据:大量计算表明天线输入电抗的斜率可以是负的。在同一期杂志上还刊登了另一位著名天线专家,北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)教授 D. R. Rhodes 的文章,他在文章中写道[7]:

  "I agree also with Collin that one should not expect to be able to prove that an exact reciprocal relationship exists between the bandwidth and Q of antennas, anymore than that such an exact relationship exists for non-radiating systems. But I firmly  believe  that  such  an  asymptotic  relationship  must  exist  for  any  complete radiating system, just as surely as it does for non-radiating systems. The fact that the slope of the input reactance can be negative at some frequencies is immaterial; it is always positive at the only frequency (resonance) for which bandwidth and Q aredefined."

  Rhodes 教授在上面提到了天线理论里的另一个问题,即天线带宽和天线 Q 值的关系问题。众所周知,低频电路中带宽与 Q 值互为倒数。人们发现这个关系很难推广到辐射系统。因此 Rhodes 和 Collin 都认为这个关系是不可证明的。然而Rhodes 坚信这个关系对天线辐射系统是存在的。Rhodes 进一步认为,天线的输入电抗在某些频率点的斜率取负值并不是问题的关键,关键是它在谐振频率附件总是正的。两年后(1969 年)另一位天线专家,前 IEEE会刊天线与传播主编 R.L. Fante博士发表了经典论文"一般理想天线的 Q值"[8]。他在文中曾试图证明天线带宽与 Q 值互为倒数这一关系,但未能成功(见后面说明)。事实上著名微波天线专家,美国工程院院士 Wheeler博士后来(1975年)在题为"小天线"的文章中说道[9]:

  "The common expression for bandwidth in terms of 1/Q is neither logical nor helpful in clear exposition."

  因此天线的带宽和Q 值之间的关系在当时的确是个没有搞清楚的问题。



  刚进公司,我便发现手持终端天线带宽受到某些因素的制约,于是开始关注天线带宽与Q值的关系并着手研究Fante的工作。研究过程中发现其推导天线 Q值与带宽关系时用了一个错误的假定,即假定天线的端口(即参考面)的模式电流与频率无关(这个错误还经常出现在近期文献中)。事实上微波频段的所有物理参量都是与频率有关的,天线端口的模式电压和模式电流也不例外。要说明这一点只须给出一个算例即可。图 1 为同轴口径天线,图 2(a)为该天线端口的模式电流幅值与频率的关系,图  2(b)为模式电压幅值与频率的关系。可以看出,天线端口的电压和电流都是随频率而变化的。

  发现了Fante的错误后,我开始思考如何严格证明天线Q值与带宽互为倒数的关系。在低频电路里证明 Q 值与带宽互为倒数最简单的方法是采用福斯特定理。因此首先想到的是先证明福斯特定理对天线成立(哪怕是近似成立也行)。这在当时是异想天开,是与天线领域的共识相违背的。然而不难发现福斯特定理对某些有耗电路的确成立。例如福斯特定理对简单的 RLC 级联电路是成立的。由此可知无耗条件仅仅是福斯特定理成立的充分条件,而非必要条件。认识到这一点后,我着手推导天线的 RLC 等效电路。对于一个封闭的单端口系统,其 RLC等效电路的推导是十分简单的,大多数微波电路书籍都有介绍。对于一个开放的天线系统,其推导过程则变得较为复杂。由物理常识可知,等效 RLC 电路中的电阻 R 表示系统损耗,电感 L 表示系统磁储能,电容 C 表示系统电储能。对于封闭的单端口系统,总电能和总磁能均为有限值,因此 L 和 C 都是有限的。然而天线是个开放系统,周围的总电能和总磁能都是无穷大。为了推导天线的 RLC等效电路,必须解决这个无穷大问题(物理学里的无穷大问题是令物理学家最头疼的问题)。事实上天线的总能量和天线的总辐射能量都是无穷大,一个合理的做法是将天线周围的储能定义为总能量减去总辐射能量,两个无穷大相减得到一个有限值,即为天线周围的储能。这个想法最早出现在 Counter 的 1948 年的文章中[9]。Collin 和 Rothschild 于 1964 年发表了题为"天线 Q 的计算"的经典论文[11],文中沿用了 Counter 的思想来计算天线周围的储能,但没有计及天线外切球内的能量。1969年Fante在论文[8]中进一步推广了Collin和Rothschild的工作,但仍然没有考虑天线外切球内的储能。值得指出的是当忽略了天线外切球内的储能时,算得的天线Q值远远小于实际Q值。为了得到天线的RLC等效电路参数,必须考虑天线外切球内的储能,否则所得到的等效电路参数没有实用价值。基于这一考虑,我从电磁理论出发,利用上述天线储能定义严格推导了发射天线的RLC 等效电路。得到天线的 RLC 等效电路后,天线的福斯特定理以及 Q 与带宽的关系就呼之欲出了。

  早在 1957 年,微波天线专家 Levis 就对天线的福斯特定理做过研究,发表了题为“天线的电抗定理”的论文[12]。1977年,Rhodes 又对天线的福斯特定理做了进一步研究,发表了论文“电抗定理”[13]。这两篇论文都错误地假定天线端口模式电流与频率无关,推得的输入电抗对频率导数的表达式过于复杂,从中得不出任何有意义的结果。这导致人们普遍认为不管天线是否有欧姆损耗,福斯特定理对天线是不成立的。前面我们用一个具体算例说明了天线端口的模式电压和电流都是与频率有关的。其实还可从另外一个角度来认识这个问题。实际情况中天线总是通过波导来馈电的,而波导通常都假定工作在单模状态。当天线用来传递信号时,为了减少信号畸变,所有信号分量都必须限制在单模工作频率范围内。分析这类问题的第一步是采用傅立叶变换将问题转换到频率域来研究。因此所有物理量,包括端口模式电压和模式电流,都代表傅立叶变换。除非输入信号是Delta脉冲,否则它们都是频率的函数。有趣的是 Rhodes 在1977年的文章中便假设端口电流是时间的Delta 函数。众所周知,Delta 脉冲含有宽广的频率分量。它在波导中将激发大量高次模,使波导变成多模传输线,输入阻抗的定义于是变得不确定。这个错误的假设表明人们对波导的时域理论没有研究透彻。后面我们会回到这个问题上来。

  要推导天线输入电抗对频率导数的表达式必须摆脱端口模式电流与频率无关的假定。1960年,Fano,朱兰成和Adler 三人合作出版了一部优秀的著作"电磁能量传输与辐射"[14]。该书利用复变函数论中的柯西-黎曼条件推导了封闭的单端口无耗网络的福斯特定理,整个过程都是在复频域中进行,没有用到端口模式电流与频率无关的假定,这对我启发很大。通过采用复频域分析和Counter的储能计算方法,我最终证得福斯特定理对无耗的理想天线是成立的,而天线的 Q值与带宽互为倒数的关系只是福斯特定理用于 RLC 等效电路的一个简单推论[5]。在论文[5]中,我们解决了天线理论中的四个难题:一是天线的等效 RLC 电路推导;二是理想天线的福斯特定理;三是天线 Q 值与带宽互为倒数的证明;四是实际天线 Q 的计算,即天线实际 Q 值可由已知的天线输入阻抗计算而得。此文发表后,我意外地收到了素未谋面的Fante博士的来信。他在信中说道:

  "I enjoyed reading the paper by you and your co-authors in the March 2000 issueof the IEEE Transactions on Antennas and Propagation. For more than thirty years Ihad hoped that someone would tie up some of the loose ends in my 1969 paper. Itseems you have done it. Good job!"

  Fante 在信中说他很欣赏我们的文章,并说三十多年来一直盼望有人能解决他1969年论文中 [8] 存在的问题。他这里所说的问题是指推导天线带宽与 Q值关系时用到了天线端口模式电流与频率无关的假定。Fante 博士是知道这个问题来龙去脉和症结所在的几位资深电磁科学家之一。然而论文[5]发表后,引来很多质疑的声音。A. Yaghjian 博士和S. Best 博士就是其中的代表。 2003年 7月上旬,我在公司收到 Best 的电话留言,说他对论文[5]很感兴趣,并认为是很好的工作。Best 当时是 Cushcraft 天线公司总裁,现在美国军方工作。在以后的一个月内,我们通过电邮就怎样计算天线输入阻抗交换了看法。他给我寄来了用 NEC软件模拟的天线输入电抗曲线,显示出即便是理想天线也不满足福斯特定理。这也是天线工程领域大多数专家认为福斯特定理对天线不成立的主要原因。

  其实天线输入阻抗的计算要求对天线馈线即波导理论十分熟悉,这正是大多数天线教科书讨论天线时所忽略的地方。几乎所有的教材都不将馈线看作天线的一部分,而是将馈线进行简化,其过程十分粗糙,使得天线输入阻抗的定义变得模糊不定。天线输入阻抗应定义为馈线工作在单模状态时天线端口的模式电压和模式电流之比。这里的单模假定是十分重要的,往往被天线工程师忽略。常犯的错误是在计算天线输入阻抗时不管馈线是否工作在单模状态,或假定馈线工作在单模状态而最后阻抗计算结果的频率范围超出单模工作频率范围,馈线变成多模传输线。当频率超出单模工作频率范围时,推导天线福斯特定理所做的单模假定不再成立,因此电抗曲线会出现负斜率。一些资深的天线专家也经常犯同样的错误。另一个常被天线工程师忽略的问题是天线输入端口位置的选择。为使天线端口处只存在单模,天线端口要离开一切不连续性,否则天线在某些频率范围也不满足福斯特定理。



  考虑图  3 所示的双线馈电的偶极子天线。该天线的馈电线直接被偶极子天线照射,在靠近天线附近有大量的高次模,天线端口与天线的距离 L 必须大于天线单臂长度D。IEEE 天线学会终身会士,丹麦 Aalborg大学教授J. B. Andersen等在质疑论文[5]时用时域有限差分法计算了该天线的输入阻抗,如图 4(a)所示[15]。计算结果表明天线的输入电抗在频率为 1G 附近出现负斜率。然而,他们的计算结果完全是由于计算误差和天线端口位置选择不当引起的。图  4(b)给出了用矩量法(IE3D)算得的结果,显然双线馈电的偶极子天线输入电抗的斜率是正的。更详细的讨论见[16]。

  电磁计算软件 NEC 是基于线模型和矩量法,为了分析简单起见,它去掉了天线馈线,而代之以Delta 电压源。天线馈线用 Delta电压源代替的前提是线天线的半径必须很小,理论上应为无穷小。故计算有限半径的线天线输入阻抗时不能将频率算得太高。而Best 的 NEC 计算结果都是将频率算得很高,违背了使用 Delta电压源的前提。我将他送来的结果进行重新计算并将线天线半径变小,发现所有结果都满足福斯特定理。因此 Best 的计算结果完全是由于忽视了 Delta电压源的使用前提所致。类似的错误出现在很多经典教科书和大量的科技文献中。例如 Balanis 的教材中就有这样的例子[17]。该书图9.15给出了折叠振子的输入电抗,为方便起见示于图  5(a)。显然电抗曲线出现负斜率,计算结果不满足福斯特定理,原因是导线的半径太粗或频率范围太广。要在如此宽的频率范围内采用Delta 电压源计算天线输入阻抗,必须假定导线很细。图 5(b)是利用同样公式重新计算所得结果,可看出福斯特定理是成立的。



图 5 (a)折叠振子的输入电抗(引自[17]图9.15). (b)折叠振子的输入电抗


  与 Best 讨论的同时,我与 Collin 教授就天线输入阻抗的计算问题进行了广泛深入的探讨。他当时已是 75岁高龄,还亲自使用 MININEC 软件做数值计算。下面的文字和图片是从他给我寄来的PDF文件中摘录下来的:  "I also used Mininec to compute the current distribution on a dipole antenna 0.9wavelengths long using both a localized source and for a uniform incident electricfield  acting  along  the  whole  dipole.  For  this  case  I  found  that  the  two  currentdistributions were quite different and the polar patterns were also quite different. Thus the longer dipole antenna does not scatter with the same polar pattern as it has when used for transmission. For this case I believe it would be necessary to compute the scattered field from the short circuited antenna and then superimpose a transmitted field component in order to obtain the total scattered field and the correct scattered power. A knowledge of the port currents alone will not enable us to know the current distributions on the long dipole. I have included a sketch of the current distribution on the long dipole antenna for the two excitations as well as sketches of the polar field patterns for the transmitting and scattering cases."


图 6 Collin 教授用 MININEC 算得的偶极子天线电流分布和方向图


  Collin 教授的上述见解对我们了解发射天线与接收天线的区别是很有帮助的。接收天线的工作过程比发射天线复杂。接收天线在入射波照射后会产生散射,散射场中包括接收天线的再次辐射场和接收天线短路后的散射场。

  我在 RIM 公司做的第一个产品是电邮机的内置双馈收发天线。由于难度较大,经常和技术员加班到深夜,亲自刻制调试天线和焊接匹配电路元件。经过数年的努力积累了一定的实践经验,研发的天线由最初的单频段发展到双频段,三频段和四频段。这些天线产品的性能都很不错,比国际同类产品好得多。但当时深感天线理论知识贫乏,在教科书中找不到天线的一般性理论,于是决定自己探索。2003年,IEEE会刊天线与传播第八期同时刊登了我的两篇文章,题目分别为“天线的物理限制”[18]和“电小天线的 Q 值计算”[19]。第一篇文章回答的问题是当天线的最大尺寸给定后,能获得的最大可能天线增益带宽积是多少。这个问题的研究最早可追溯到美籍华裔科学家朱兰成教授的工作。朱兰成是为数不多的著名电磁理论权威之一,是早年的中央研究院院士,曾担任过麻省理工学院电机系系主任,有大家熟悉的 Stratton-朱公式,被称为天线工程理论的鼻祖,是我们华人的骄傲。1948年,朱兰成在美国应用物理学报上发表了题为“全向天线的物理限制”的论文[20]。该文利用球面波理论讨论了辐射 TE模或TM 模的全向天线的性能上限,是天线工程领域的经典文献之一。朱兰成的工作是十分重要的,为今后的相关研究定下了基调。但他的论文并没有回答一般全向天线(即同时辐射TE模 和TM 模的全向天线)的性能上限,更没有涉及定向天线的性能上限。1960年著名电磁理论专家,美国 Syracuse大学教授  R. F. Harrington 曾试图得到定向天线增益的上限[21]。应该指出对给定尺寸的天线,理论上增益并无上限。Harrington 教授沿用了朱兰成的讨论方式,将球面波级数展开式截断而保留有限项(从而级数取值有限)后再去优化天线增益,获得的增益最大值只与截断级数的项数N有关,为N(N+2) 。为使增益最大值与天线尺寸和工作频率发生关系,他引入了标称增益(Normal  gain)的概念,定义为ka(ka+2) ( k为波数, a为天线最大半径)。标称增益是在N(N+2) 中令N=ka 得到的。这样做的理由是认定指标n大于ka的球面波展开项的贡献很小,可以忽略不计。由于没有考虑天线带宽和增益的相互制约,这样的讨论方式是值得商榷的,在逻辑上也有缺陷。1992年 Fante 讨论了定向天线的最大增益带宽积的上限[22],但讨论过程忽略了一个重要的约束条件,得到的结论是错误的。在论文[18]中,我们给出了任意全向天线和任意定向天线的增益带宽积上限,讨论中不需要截断级数,所得的结果是严格的解析解。对于全向小天线,新的增益带宽积上限是朱兰成结果的两倍;关于定向天线的性能上限则是全新的。这些理论结果可看作是天线理论中的Shannon定理。在天线最大尺寸给定后,由它们可确定天线的最好性能,也可用来平衡天线的增益和带宽以获得所要求的性能。天线性能上限给工程实践指明了努力方向,在电小天线设计中显得尤为重要。

  第二篇文章[19]与Collin 教授的工作有着密切的联系。自朱兰成的经典文章[20]发表后,天线 Q 值的计算问题一直没有解决好。Collin 与 Rothschild 在论文[11]中写道:

  "To date there does not appear to have been any particular effort devoted to the evaluation of antenna Q beyond the classical work of Chu.

  …………

  First considerations indicate that a general method for evaluating antenna Q may be difficult to find for the following two reasons. The field radiated by an antenna consists of a radiation field carrying power to infinity and a localized reactive field.However, for the purpose of evaluating the energy stored in the reactive field, the field  cannot  be  separated  into  a  radiation  field  and  a  reactive  field  and  treated separately due to nonzero interaction terms. Secondly, the electric or magnetic energystored in the total field is infinite, since this field pervades all space. The use of the complex  Poynting  vector  does  not  overcome  these  difficulties  either,  since  an integration  of  the  complex  Poynting  vector  over  a  closed  surface  immediately adjacent to and surrounding the antenna yields

 

                                       (1)


which only evaluates the total radiated power P and the difference between the total average magnetic and electric energy stored in the field."

  

Collin 和Rothschild 在上面指出了计算天线Q的困难所在。天线辐射场中含有远区辐射场和近区感应场,两者不能截然分开。频域 Poynting定理(1)中的电储能和磁储能都是无穷大,只能用来计算电储能和磁储能的差。当时另一个他们没有提及的问题是计算天线 Q 时都忽略了天线外切球内的储能,故算得的 Q 值远远小于实际值。因此有必要研究天线实际 Q 值的计算方法,即计及天线外切球内的能量。

  Collin 和 Rothschild 提到的困难已在我们 2000 年的论文[5]中解决。事实上只要知道电能和磁能之差就可由文[5]中的公式求得天线的实际 Q 值。但该公式涉及天线输入电抗对频率的导数,而输入电抗对频率的导数在某些点十分敏感(例如图 5(b)所示1GHz 附近),导致较大的计算误差。为摆脱电抗对频率的求导,在论文[19]中我们提出用频域Poynting定理和时域 Poynting定理联合求解天线周围的电能和磁能。该论文的关键点在于意识到这两个定理是独立的,这是第一次通过场的方法获得天线的实际 Q 值。文中还给出了一些典型天线的 Q 值解析公式。后来国外同行利用数值计算对这些解析公式进行了验证[23-24],被认为是最准确的结果。

  2003年与其他同行频繁讨论的同时,我还在研究接收天线的等效电路问题。该问题的缘起是著名电磁理论专家,比利时Ghent 大学教授 J. V. Bladel (K. K.Mei的导师,原美国Wisconsin 大学教授)于2002 年发表在 IEEE天线与传播杂志上的一篇题为“关于接收天线的等效电路”的文章[25]。论文发表后,立即得到一些老前辈的回应并引发激烈的讨论,其中包括当时已是87岁高龄的A.W. Love博士和75岁高龄的Collin 教授。Love提出了接收天线的一个悖论,即任何接收天线的接收效率都不会超过 50%[26]。为了解决这个悖论,他提出了同时含有电压源和电流源的等效电路来表示接收天线。Collin 教授对此有不同的看法,并发表了题为“Thévenin 和 Norton 等效电路用于接收天线时的限制”[27]。看到他们的讨论之后,我立即着手考虑如何从电磁理论出发严格推导接收天线的等效电路。在几十年的学习和工作过程中,我比较关注场与路的关系。由于有推导发射天线等效电路的经验,在很短的时间内便完成了这一工作,并将结果整理后与另一篇论文送给了Love和Collin,请他们审阅。一个星期后我收到了Love博士的电邮。他在信中说这段时间以来一直努力想弄清两篇论文所讨论的内容,但因年事已高,视力退化严重,不得不放弃。他认可我与他在某些问题上的不同看法。从 Love来信的字里行间,我看到了一位"和而不同"的谦谦君子,一位宽厚善良的长者。不幸的是他已于去年 4月7日去世。

  2003年7月20日是星期天,我一直忙到晚上十二点多。正准备关掉计算机离案休息时,忽然看到计算机屏幕提示有新邮件到来。随即打开邮箱,发现是Collin 教授的来信,信中附有长达五页的手写 PDF文件,详细地阐明了他对收发天线耦合的理解和对我的论文的评论意见。我当时非常感动,老先生已是 75 岁高龄,周末还在加班加点,孜孜不倦地工作。这里截取了其中两页录于图 7,以飨读者。这五页手稿也是他在 2003年国际无线电联盟(URSI)会议演讲的主要内容[28]。Collin 教授介绍了 Aharoni 的 1940 年代鲜为人知的工作[29],我从中获益甚多。根据Collin教授的意见,我对"接收天线等效电路的推导"一文做了修改,并于次年六月发表[30]。这篇文章基本上解决了上面几位老前辈所争论的问题。解决问题的关键在于讨论接收天线的等效电路问题时,应该将发射天线纳入等效电路的推导过程,这样 Love 的悖论便不复存在。接收天线的等效电路也不需要两个源来表示,可以采用传统 Norton 或Thévenin 等效电路。


图 7 Collin 教授手稿


  2003年与Best 的讨论过程中,他提到 Yaghjian 与他正在准备一篇关于天线福斯特定理与 Q 值的论文。这篇论文后来发表在 IEEE 会刊天线与传播 2005 第4期,全文长达27页[31]。看到文章后,我立即发现他们犯了与Fante同样的错误,即假定天线端口的模式电流是与频率无关的。该文的主要结论都是基于这个错误的假定,论文强调了福斯特定理对理想天线不成立,对我们的论文[5]提出质疑。考虑到这个错误假定的普遍性,我觉得有必要在更广泛的范围内来讨论这个问题。于是针对该文写了一个评论,指出该文错误所在,并投到天线与传播会刊。一个多月后,收到了三位评审人的意见(三人当中,包括作者 Yaghjian 和Best 本人),他们都不同意发表我的评论。从三位评审人的意见,不难看出他们对天线阻抗的理解存在误区。我将三位评审人的意见连同我的评论寄给了加拿大,美国,法国,新加坡和国内一些搞天线的同行专家,没有一位专家赞同评审人的看法。于是决定对三位评审人的意见提出反驳,并准备了一些算例证明福斯特定理对天线的确成立,从而说明 Yaghjian 和 Best 的论文是错误的。经过又一轮评审后,三位评审人仍然持反对意见。他们也出示了使用商用软件算得的一些线天线的输入电抗曲线并从 Balanis 的教科书上选了一些例子,这些算例的输入电抗都出现负斜率。我立即对这些例子做了重新计算,结果是所有算例都满足福斯特定理。他们给出的线天线例子都是将馈线用 Delta电压源代替,而没有搞清 Delta电压源的适用范围。前面已讨论过这个问题,这里不再赘述。我将这些计算结果整理后寄给主编,并要求再次评审,如此反复多次,折腾了一年多时间,三位评审人仍然坚持原来立场,不同意发表。我最后不得不向评审人提出建议:Yaghjian 和Best 的论文[31]与我们的论文[5]只可能有一篇是正确的,如果评审人认为Yaghjian和Best的论文是正确的,就应该写个评论指出我们论文的错误。这个"引火烧身"的建议果然奏效。其中一位评审人立即针对我们的论文写了个评论,他就是前面提到的丹麦 Aalborg 大学教授 Andersen。收到 Andersen 对我们论文的评论后,我作为评审人之一立即推荐发表并着手逐条回应 Andersen 的评论(见前面关于图 4 的讨论)。这段期间我还将金属散射体的磁场积分方程与馈线理论相结合,构造了分析多天线系统的一般算法。自编程序对大量口面天线做了计算,验证了福斯特定理对所有金属天线都是成立的[32]。后来我把Andersen 的评论[15]和我的回应[16]寄给了Collin 教授,他回信说 Andersen的评论没有多大意义。Collin 教授事实上已认同福斯特定理对理想天线是成立的。到此为止,可以说福斯特定理对理想天线是否成立已经一目了然,谁对谁错经纬分明。然而作为天线领域的知名学者, Yaghjian 和 Best 至今未公开承认自己文章的错误,实为憾事。

  前面提到 Rhodes 在 1977 年的文章中假定端口电流是时间的 Delta函数[13],故端口电流的 Fourier 变换是常数,占有无限宽的频谱。因此Delta 脉冲信号将在天线馈线中激发无穷多个模式,导致信号发生畸变。此时天线不能再看作是一个单端口网络,而应视为多端口网络,不可能通过单一的输入阻抗来描述,而应采用多端口网络参数来描述。对熟练的微波电路的工程师,这不难理解。但很多天线工程师并未意识到这个问题,这可能与大多数天线教科书只讲天线而忽略馈线有关。早年攻读博士学位期间,我就意识到波导的时域理论是一个需要进一步研究的问题,并写过一点心得体会。读了 Rhodes 的文章后,重新点燃了对波导时域理论做进一步研究的想法。波导的时域研究早在上世纪五十年代就已开始,大多数论著都假定波导传输超宽带信号的同时仍然工作在单模状态。直到 1995 年,瑞典Lund 大学教授 Kristensson 以较严格的方式采用波的分裂理论研究了波导中的瞬态过程[33]。他的讨论有两个不足。其一是采用了传统的纵向场法,该方法不适合于横电磁波传输线(如同轴电缆),缺乏一般性。其二是他求解的是齐次Klein-Gordon方程,并通过波的分裂构造了复杂的时域矢量模式函数,这些模式函数很难用于波导激励问题的求解。2005至2006 年这段期间,我提出用横向矢量模式函数来求解波导的激励与传输问题,需要求解的是非齐次 Klein-Gordon方程,该方程可利用推迟格林函数进行求解。这一工作首次揭示了波导瞬态响应的一些有趣现象(例如高次模的影响会产生码间干扰等),并能真实地反映波导中的瞬态过程,与过去的结果完全不同[34]。

  完成了波导的时域理论后,我又开始研究金属谐振腔的时域理论,并考虑用波导的模式理论对波导型谐振腔进行求解[35]。波导型谐振腔时域理论较波导时域理论更为复杂,需要求解带有边界条件的非齐次 Klein-Gordon 方程。通过对金属谐振腔的时域研究,发现一个过去被忽略的现象:当谐振腔的损耗趋于零时,正弦波激励下的时域解在时间趋于无穷大时并不收敛到频域解。当工作频率趋于谐振腔的某一谐振频率时,无耗谐振腔的频域解趋于无穷大,而时域解不存在无穷大问题。我将论文[35]寄给了 Collin 教授并指出文中所得的时域解与他书[3]中的频域解不一致。Collin教授很快就有回信:

  "I did read the cavity paper and found it both interesting and a nice contribution to the basic theory of electromagnetic cavities. The paper brings out several features of a cavity and its response that have not been adequately examined before. It is a nice piece of work."

  他认为这是件很好的工作,对电磁谐振腔基本理论做出了有意义的贡献。有关谐振腔的研究表明频域方法只能分析有耗系统或有辐射存在的系统。频域法对无耗系统失败的根本原因在于它忽略了系统的初始条件。当系统有耗或存在辐射时,初始条件的影响随着时间的增加而衰减,此时频域法是有效的。而时域法则不管系统有无损耗都是适用的。事实上无耗系统的时谐电磁场不具有唯一性,不能像某些经典文献那样将无耗时谐系统的解看作是有耗时谐系统当损耗趋于零时的极限。

  2007年底,我决定离开工作了近十年的 RIM 公司。离开之前,组织人员对手机天线的设计理论与方法进行了总结并作为论文发表[36],算是对公司的一个交待。我负责文章[36]中的理论推导,其他人员负责计算以检验理论的正确性。这篇文章的主要想法是利用高频场的趋肤效应,将任意金属天线的分析简化为线天线的分析。一个大胆的做法是对线天线做进一步简化得到问题的解析解。这对理解复杂天线的工作原理有很大的帮助。文中还总结了电小天线 Q 值的计算方法。Collin 教授看到这篇文章后来信说:

  "I found your approach to small antenna design to be very innovative. This is one of the best papers on small antenna designs I have read."

  他认为我们设计小天线的方法很新颖,这篇论文是他看过的最好的小天线论文之一。离开公司后,我着手完成英文专著“应用电动力学基础”。事实上在 RIM 工作期间,就开始了这一专著的写作。但由于公司的产品研发和其它杂事,一直没有完成。经过一年多的努力,终于在 2009年10 月完成书稿。从开始到完稿前后经历了八年时间。在此之前,曾将书的内容提要寄给同行专家包括 Collin 教授审阅。Collin 教授看到内容提要后立即回信说该书很有特色,相信会受到读者欢迎。他还批评现今很多同类出版物缺乏新意。这部专著的内容涉及微波,天线,电波传播,狭义和广义相对论,量子电动力学等领域,其中包括自己近十年的工作。专著由John Wiley & Sons 出版社于2010年5月正式出版。Collin 教授7 月底看到新书后,立即来信说:

  "……and must say that I am very impressed with your choice of topics and the scholarly level of the presentations. Many congratulations to  you for a very nice addition to the literature on Electrodynamics. This book will become a classic."

  他对该书的学术水平和选题都十分肯定,认为该书将成为经典之作。看到 Collin教授的来信,内心感到欣慰的同时更认为这是鼓励,这也是Collin 教授给我的最后一封电子邮件。近十余年来,我与Collin 教授一直保持有密切的联系,视他为导师,一位难得的知音,对他怀有深厚的敬意!与Collin 教授交往过程中,给我印象最深的是他对问题的深刻洞察力和清晰的物理概念,这无疑是科研工作者最重要的素质。在今年(2011)即将召开的 IEEE天线与传播年会上,设有纪念 Collin教授的专题讨论会。由于知道时间太晚,未能投稿。这里匆忙写下过去与 Collin教授的交往经历,以表达对这位杰出的应用电磁学大师的怀念和敬佩之情。在纪念 Collin 教授的专题讨论会目录上,微波天线领域著名专家,宾州州立大学(Pennsylvania State University)教授R. Mittra  称 Collin 是老师的老师(A Tribute to Professor Robert Collin- A Teacher‘s Teacher)。对这样的称谓,Bob Collin 是当之无愧的!Collin 教授获得过很多奖励和荣誉,这是对他一生所取得成就的肯定,但这些奖励与他对科学与教育事业的重要贡献相比是微不足道的!


参考文献

  1.  R. E. Collin, Field Theory of Guided Waves, McGraw-Hill, 1960
  2.  R. Mittra & S. W. Lee, Analytical techniques in the theory of guided wave,MacMillan, 1971
  3.  R. E. Collin, Foundations of Microwave Engineering, McGraw-Hill,1966
  4.  R. E. Collin, Antenna and Radiowave Propagation, McGraw-Hill ,1985
  5.  W. Geyi, P. Jarmuszewski and Y. Qi, Foster reactance theorems for antennas andradiation Q, IEEE Trans. Antennas and Propagation, Vol. AP-48, Mar. 2000,401-408
  6.  R.  E.  Collin,  Stored  energy  Q  and  frequency  sensitivity  of  planar  apertureantennas, IEEE Trans. Antennas and Propagation, AP-15, 567-568, 1967
  7.  D. R. Rhodes, Author‘s reply, IEEE Trans. Antennas and Propagation, AP-15,568-569, 1967
  8.  R. L. Fante,"Quality factor of general idea antennas", IEEE Trans. Antennas andPropagation,AP-17, 151-155, 1969
  9.  H. A. Wheeler, "Small antennas," IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol.AP-23,pp. 462–469, July 1975.
  10. V.  A.  Counter,  "Miniature  cavity  antennas,"  Rep.  No.2,  Contract  No.W28-099-ac-382, Microwave Lab., Stanford Univ., June 30, 1948
  11. R.  E.  Collin,,  and  S.  Rothschild,  "Evaluation  of  antenna  Q",  IEEE  Trans.Antennas and Propagat. Vol.AP-12, 23-27, Jan. 1964
  12. C.  A.  Levis,  "A  reactance  theorem  for  antennas,"  Proc.  IRE,  Vol.  45,  p.1128-1134, August 1957
  13. D. R. Rhodes, "A reactance theorem," Proc. R. Soc. Lond. A. 353, 1-10, 1977
  14. R. M. Fano, L. J. Chu & R. B. Adler,   "Electromagnetic Energy Transmissionand Radiation", John Wiley & Sons, New York and MIT Press,  Cambrdige,Mass., 1960
  15. J. B. Andersen and S. Berntsen, "Comments on "The Foster Reactance Theoremfor Antennas and Radiation Q," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 3, pt.II, pp. 1013–1014, Mar. 2007.
  16. W.Geyi,Reply to "Comments on T‘he Foster Reactance Theorem for Antennasand Radiation ‘"  ,IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 55, no. 3, pt. II, pp.1013–1014, Mar. 2007.
  17. C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 2  edn, John Wiley &Sons, 1997
  18. W.Geyi, Physical limitations of antenna, IEEE Trans. Antennas and Propagation.Vol. AP-51, Aug. 2003, 2116-2123
  19. W.Geyi, A method for the evaluation of small antenna Q, IEEE Trans. Antennasand Propagation. Vol. AP-51, Aug. 2003, 2124-2129
  20. L. J. Chu, "Physical limitations of omni-directional antennas," J. Appl. Phys., vol.19, pp. 1163–1175, 1948.
  21. R. F. Harrington, "Effect of antenna size on gain, bandwidth, and efficiency," J.Research National Bureau of Standards—D. Radio Propagation, vol. 64D, no. 1,Jan.–Feb. 1960.
  22. R. L. Fante, "Maximum possible gain for an arbitrary ideal antenna with specifiedquality factor," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-40, pp. 1586–1588, Dec.1992.
  23. S. Collardey, A. Sharaiha and K. Mahdjoubi, "Evaluation of antenna radiation Qthusing FDTD method", Electronics Letters, Vol. 41, No.12,675-677,  9th  June2005
  24. S. Collardey , A. Sharaiha and K. Mahdjoubi, "Calculation of small antennasquality factor using FDTD method", IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters, No. 1, 191-194, 2006
  25. J. V. Bladel, "On the equivalent circuit of receiving antenna," IEEE AntennasPropagat. Mag., vol. 44, pp. 164–165, Jan. 2002.
  26. A. W. Love, Comments on "The equivalent circuit of a receiving antenna", inIEEE Antennas Propagat. Mag., vol. 44, pp. 124–125, May 2002.
  27. R. E. Collin, "Limitations of the Thévenin and Norton equivalent circuits for areceiving antenna," IEEE Antennas Propagat. Mag., vol. 45, pp.119–124, Feb.2003.
  28. R. E. Collin, "Generalization of a fundamental theorem for the scattering fromareceiving antenna," presented at the AP-S/URSI Symp., 2003.
  29. J. Aharoni, "Antennas", Oxford, U.K.: Clarendon, 1946.
  30. W.Geyi,―Derivation of Equivalent Circuits for Receiving Antenna",IEEE Trans.Antennas and Propagation, Vol. 52, No. 6, 1620-1624, June 2004
  31. A. D. Yaghjian and S. R. Best, Impedance, Bandwidth, and Q of Antennas,IEEETrans. Antennas and Propagation, VOL. 53, No. 4, April 2005
  32. W.Geyi, New magnetic field integral equation for antenna system, Progress inElectromagnetics Research, PIER 63, 153-170, 2006
  33. G.  Kristensson,  "Transient  electromagnetic  wave  propagation  inwaveguides,"Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 9, 645–671, 1995.
  34. W.Geyi,  A  time-domain  theory  of  waveguide,  Progress  in  ElectromagneticResearch, PIER 59, 267-297, 2006
  35. W.Geyi,  Time-domain  theory  of  metal  cavity  resonator,  Progress  InElectromagnetics Research,  PIER 78, 219-253, 2008
  36. W.Geyi, Q. Rao, S. Ali, and D. Wang, Handset antenna design: Practice andtheory, Progress in Electromagnetics Research, PIER 80, 123-160, 2008


关注微信号eetop-1,回复关键词 射频,阅读相关文章 

  • 微波射频领域传奇人物

  • 非常详细的射频放大器设计PPT

  • 集成电路设计是选模拟方向好还是数集或者射频?

  • TD LTE射频拉远单元关键技术分析

  • RF-DAC多频带发射器线性评估

  • RF无线射频电路设计中的常见问题及设计原则

  • 量化射频(RF)干扰对线性电路的影响

  • 干货!手机射频电路原理分析(非常详细的PPT)

  • 干货!非常详细的射频基础知识讲座(110页PPT)

  • 干货!射频基础知识培训讲义--华为版


推荐阅读:(可以直接点击查看)

 (射频好资料!) 台湾高人图文解说S参数(进阶篇)

 (射频好资料!) 台湾高人图文解说S参数(基础篇)



EETOP微信群

为了更好地便于大家交流学习,EETOP按区域组建了一些微信群,欢迎所在区域的网友加入各自的区域群,加群方法: 先加 jack_eetop 为好友,发送如下信息:加群+区域+单位(或院校)+职业。如果加入的是以省为单位的群,则需按以下格式发送加群信息:加群+省名+城市名+单位(或院校)+职业

比如: 加群+北京+利达科技+数字IC设计

加群+浙江+杭州+xxx公司+xxx设计

目前先开通如下7个区域群,欢迎对号入座。

长按二维码,加群主为好友,拉你入群

EETOP北京群   EETOP苏州群

EETOP上海群   EETOP深圳群

EETOP成都群   EETOP西安群

EETOP浙江群

此外,我们也会陆续开通一些行业群,目前开放 EETOP汽车电子群 欢迎业内人士加入

请按如下格式填写:加群+汽车+单位

为了防止机器人加入,初次进群请务必主动打招呼!



点击阅读原文,下载DOC文档