31.矩量法及長波天線

31.矩量法的應用及長波線型天線

       又過了幾年，一個新任務找到我，讓我用矩量法（moment method）計算一個長波線型天線的電流分布及其輻射效率。這個任務是由第x機械工業部直接下達給我的（因為一度我不願意接受這任務，理由是這工作與我無關）。看來部裏是很信任我的，我愉快地接受了，這件事發生在1980年。

       在七十年代初，那時候the GPS還未普遍使用，GPS的技術處於保密狀態。我們國家的海船要遠航，也需要一種遠程導航設備。那時我們研究所搞長波天線的接受了這頂任務，要建立一種用於遠程導航的天線。這種天線在美國是由四個高大的鐵塔支撐的一種漏鬥形狀的長波線型天線。這種天線的效率大概是百分之三十五左右，符合一般長波天線的規律。我們這裏的人設計出一種長波頻段的線型天線，據說效率可達80％以上，而且隻由一個鐵塔支撐(那是一種倒置漏鬥形天線)。建造的成本比美國人的四塔要低很多，占地麵積也少許多。這個聽起來令人驚訝的方案(當我介入這個方案的理論分析時，我感到十分驚訝，真想知道個究竟。因為在我看來是相反的，這種結構應該比四塔漏鬥形天線的輻射效率應該低許多才對)，但不知道有何特別之處，會如此優越。為了他們的方案，他們做了大約八年的摸擬天線模型的實驗研究，而且還有某大學參與，詳情我也不清楚。大概是1979年一切準備工作就緒，準備上工程。因為效率可以在80％以上，具有很大的吸引力。但是，該工程如果實施，會耗資上億的人民幣。中央對此比較謹慎。於是召集有關專家討論工程上報的材料，專家們發現：這個進行了八年研究的天線報告，隻有摸擬天線的實驗數據和一些經驗公式的計算數據（經驗公式是因為沒有建立起理論，從大量的實驗中總結出來的，較為粗糙的公式。這是早期科學研究的一種方法）。這個問題中央責成某機部處理，且需將處理結果上報中央。x機部召集國內有關專家討論，有的專家們認為應該在工程的方案論證中增加理論計算的內容，以證實上報材料的可信度。這些老專家中有留美歸國的，他們的外文水平很高，且了解國際研究動態，他們指出，目前國際上解決長波線型天線的理論計算，是采用矩量法（moment method），幾乎沒有隻憑摸擬實驗上工程的國家。我們國家上如此大的工程，是必須要用矩量法算一算，求出天線的電流分布及其輻射效率。誰會矩量法？誰來算？為什麽找到我？猜測，大概是參加專家會議的肖篤墀先生建議，由我完成這項任務。（我與這項工程是毫無關係的）。那時國內的專家中懂得矩量法的人很少，西北電訊工程學院副院長王一平教授是其中之一。經x機部與王一平教授勾通，我和王一平先生討論了多個晚上，中心思想是設立一種物理模型，即把該線型天線上的電流，看成是由一係列的“電偶極子”首尾相接組成，其計算精度是由選取的電偶極子的長度確定。分得越細就越接近實際，但計算工作量就越大，我們在確定計算精確性時，每個電偶極子的長度應在萬分之一波長左右，並借助電磁場理論中輔助勢函數求得電流方程組。采用輔助勢函數時，就把偶極子間場的相互耦合效應考慮到了，也就是導線間輻射的電磁場的相互作用，同時也將地麵反射納入了計算，在王一平先生的指導下完成了計算方案。1980年在北京計算機研究所完成了計算。計算結果表明，該方案的天線效率為30％，計算出的電流分布滿足電路理論中的各種定理，如安培環路定理，電荷守恒原理等。理論計算，天線效率30％，電流在天線上的駐波節點的位置與摸擬實驗所說的位置差距甚大，也與摸擬天線實驗報告的效率80％，很不吻合。在北京的會議上對理論計算報告，摸擬實驗報告都作了廣泛深入的討論。理論計算的方法及精度都是令與會者滿意的。然而摸擬實驗報告卻受到質疑的，因為長波線型天線的效率一般都在百分之三十左右。重慶雷達學院的沈鐵漢教授（他是我國第一本天線教科書的著者，也曾是西北電訊工程學院的天線教授），在會上用逐步推演的辦法導出了長波天線的效率公式，並得到大家的認可後，把實驗報告中提供的有關數據代入，算出的效率卻有126％！這樣的令人皆歎的結果。不知道80％從何而來。而那些做了八年摸擬實驗研究的他們，也不為此而爭辯，也不解釋他們如何得到這個80％。真的顯得有些異常。會後，當時的國務院副總理簿一波在中南海接見了出席會議的我們。說了些關於學術會議開展的重要性的話。借此機會，天線學會的主席茅於寬先生對副總理述說了，開展學術活動的經費來源十分困難問題（茅於寬先生是西北電訊工程學院的天線教授）。此次會議，因為理論計算暴露了摸擬實驗中的一些問題，中央感到這個省錢的方案是不夠穩妥的，決定放棄這個“有創造發明”色彩的方案，另選別的方案。這樣一來，我算是得罪了整個天線室的領導及大部分人，破壞了一些人的美夢。還有人說“八年功夫廢於一旦，真乃可惜”，他們這時心中的國家利益到哪裏去了？把他們的失算歸到我的身上。

      我想起，那次大會後，十院的沈宜春總工程師對我說，“這理論計算幫助了我們對工程方案的審查，避免了一次可能的損失。按理，軟實力也應該表張，但是，現在還沒有這種覺悟和氣芬。而且，很可能你還會遇到來自你們那裏的麻煩。……” 。真的麻煩來了，回所以後，室領導對我的考勤特別關心注意，說我不遵守上下班製度，不服從管理，引起我與他們（室主任們）大吵一架，我把當時考勤牌子丟到廁所中，明言我不會翻什麽牌。當然，這件事很快傳播到“上麵”了，室領導受到所領導的批評。其後果是，逼我認識到，這裏不是我可以繼續呆下去的地方，好像滿眼都是對立者。從那件事以後，我才醒悟到應該離開那裏，那裏的當道者們是一夥不誠事的，不能再接受任何任務（那時又希望我參加一種相控陣天線的設計），也不願走進那滿眼是“敵對者”的辦公室，唯一可以去的地方是圖書館。1984年我在美國的IEEE-AP年會中發表了"The Dyadic Green Functions of Microtape Antenna"一文，會議邀請函被所裏扣壓，我的論文由無知者代為宣讀，之後，在1984年12月，在我拒絕接受任何工作後的兩年，我們全家離開了這個西安廿研究所。

      沈宜春曾問我，“為什麽長波線型天線的輻射效率會如此的低？有沒有辦法提高其效率？” 我告訴她，長波線型天線大都做成籠子狀，這種形狀的電磁場，由於線與線間場的互耦作用，約束了部分電磁能量在天線場的周圍空間，約束能量的多少與籠網的導線分布及導線間的距離，線間的夾角等有關。我曾作過樣的實驗，在廣播電台的鐵塔天線附近，在一個無電源的LC諧調電路中，接入一個大概是10瓦的燈泡，當調節可變電容器C時，燈泡會亮起來。這說明長波天線有部分能量被約束住了。要解決這個問題可以用矩量法在計算機上作優化選擇。改變線間的距離及相互之間的夾角，為此必然會增高支撐鐵塔的高度。即使這樣單塔天線的效率也不會有多少改變，因為單塔天線本身的結構形狀有嚴重的缺陷！如若將單塔天線與四塔天線相比較，一個明顯的弱點就表露出來了！四塔天線構成的線型網狀像一個向天空開口的漏鬥形（或底部朝天的倒錐形），由於地麵的鏡象效應，它的實際輻射，是兩個對稱的線型網狀天線構成的“漏沙型計時器” ！這種形狀是“開放”型輻射，被約束的能量較少！單塔天線形成的形狀與此相反，也是和地麵反射一起造成的是一種“封閉”型的輻射，它將較多的能量約束在導線的網中。

      使人警歎的是，那些曾支持審查過該天線方案的老專家、老教授們，為什麽這樣明顯的結構形狀不合理的天線，沒有人指出！是怕，還是想得太多？我真的不明白這是為什麽。我大膽猜想：他們不是真正的熱愛這一行的專家！長波天線的開放型有許多實例及反例，例如，世界上有許多以山穀做天線的實例，而沒有一個以山峰做天線的例子。這就是開放型與封閉型導出的實例和反例。廣播電台的那種線型天線，不是用於遠程電磁信號傳輸。科學研究沒有理論指導，隻能是胡鬧。理論工作是要潛心淨心去做的，不能搞群眾運動！不能用“三個臭皮匠勝過諸葛亮”這種一貫讚不決口群眾路線的思維指導科研工作，而且科研工作的領袖們，常常批評刻苦鑽研的人是個人英雄主義、是資產階級氣息。就以這廿所為例，重視理論學習的領導一個都沒有，認真學習理論的科研人員也是少之又少，那裏根本就不象什麽科學技術的研究所！