31.矩量法及长波天线

31.矩量法的应用及长波线型天线

       又过了几年，一个新任务找到我，让我用矩量法（moment method）计算一个长波线型天线的电流分布及其辐射效率。这个任务是由第x机械工业部直接下达给我的（因为一度我不愿意接受这任务，理由是这工作与我无关）。看来部里是很信任我的，我愉快地接受了，这件事发生在1980年。

       在七十年代初，那时候the GPS还未普遍使用，GPS的技术处于保密状态。我们国家的海船要远航，也需要一种远程导航设备。那时我们研究所搞长波天线的接受了这顶任务，要建立一种用于远程导航的天线。这种天线在美国是由四个高大的铁塔支撑的一种漏斗形状的长波线型天线。这种天线的效率大概是百分之三十五左右，符合一般长波天线的规律。我们这里的人设计出一种长波频段的线型天线，据说效率可达80％以上，而且只由一个铁塔支撑(那是一种倒置漏斗形天线)。建造的成本比美国人的四塔要低很多，占地面积也少许多。这个听起来令人惊讶的方案(当我介入这个方案的理论分析时，我感到十分惊讶，真想知道个究竟。因为在我看来是相反的，这种结构应该比四塔漏斗形天线的辐射效率应该低许多才对)，但不知道有何特别之处，会如此优越。为了他们的方案，他们做了大约八年的摸拟天线模型的实验研究，而且还有某大学参与，详情我也不清楚。大概是1979年一切准备工作就绪，准备上工程。因为效率可以在80％以上，具有很大的吸引力。但是，该工程如果实施，会耗资上亿的人民币。中央对此比较谨慎。于是召集有关专家讨论工程上报的材料，专家们发现：这个进行了八年研究的天线报告，只有摸拟天线的实验数据和一些经验公式的计算数据（经验公式是因为没有建立起理论，从大量的实验中总结出来的，较为粗糙的公式。这是早期科学研究的一种方法）。这个问题中央责成某机部处理，且需将处理结果上报中央。x机部召集国内有关专家讨论，有的专家们认为应该在工程的方案论证中增加理论计算的内容，以证实上报材料的可信度。这些老专家中有留美归国的，他们的外文水平很高，且了解国际研究动态，他们指出，目前国际上解决长波线型天线的理论计算，是采用矩量法（moment method），几乎没有只凭摸拟实验上工程的国家。我们国家上如此大的工程，是必须要用矩量法算一算，求出天线的电流分布及其辐射效率。谁会矩量法？谁来算？为什么找到我？猜测，大概是参加专家会议的肖笃墀先生建议，由我完成这项任务。（我与这项工程是毫无关系的）。那时国内的专家中懂得矩量法的人很少，西北电讯工程学院副院长王一平教授是其中之一。经x机部与王一平教授勾通，我和王一平先生讨论了多个晚上，中心思想是设立一种物理模型，即把该线型天线上的电流，看成是由一系列的“电偶极子”首尾相接组成，其计算精度是由选取的电偶极子的长度确定。分得越细就越接近实际，但计算工作量就越大，我们在确定计算精确性时，每个电偶极子的长度应在万分之一波长左右，并借助电磁场理论中辅助势函数求得电流方程组。采用辅助势函数时，就把偶极子间场的相互耦合效应考虑到了，也就是导线间辐射的电磁场的相互作用，同时也将地面反射纳入了计算，在王一平先生的指导下完成了计算方案。1980年在北京计算机研究所完成了计算。计算结果表明，该方案的天线效率为30％，计算出的电流分布满足电路理论中的各种定理，如安培环路定理，电荷守恒原理等。理论计算，天线效率30％，电流在天线上的驻波节点的位置与摸拟实验所说的位置差距甚大，也与摸拟天线实验报告的效率80％，很不吻合。在北京的会议上对理论计算报告，摸拟实验报告都作了广泛深入的讨论。理论计算的方法及精度都是令与会者满意的。然而摸拟实验报告却受到质疑的，因为长波线型天线的效率一般都在百分之三十左右。重庆雷达学院的沈铁汉教授（他是我国第一本天线教科书的著者，也曾是西北电讯工程学院的天线教授），在会上用逐步推演的办法导出了长波天线的效率公式，并得到大家的认可后，把实验报告中提供的有关数据代入，算出的效率却有126％！这样的令人皆叹的结果。不知道80％从何而来。而那些做了八年摸拟实验研究的他们，也不为此而争辩，也不解释他们如何得到这个80％。真的显得有些异常。会后，当时的国务院副总理簿一波在中南海接见了出席会议的我们。说了些关于学术会议开展的重要性的话。借此机会，天线学会的主席茅于宽先生对副总理述说了，开展学术活动的经费来源十分困难问题（茅于宽先生是西北电讯工程学院的天线教授）。此次会议，因为理论计算暴露了摸拟实验中的一些问题，中央感到这个省钱的方案是不够稳妥的，决定放弃这个“有创造发明”色彩的方案，另选别的方案。这样一来，我算是得罪了整个天线室的领导及大部分人，破坏了一些人的美梦。还有人说“八年功夫废于一旦，真乃可惜”，他们这时心中的国家利益到哪里去了？把他们的失算归到我的身上。

      我想起，那次大会后，十院的沈宜春总工程师对我说，“这理论计算帮助了我们对工程方案的审查，避免了一次可能的损失。按理，软实力也应该表张，但是，现在还没有这种觉悟和气芬。而且，很可能你还会遇到来自你们那里的麻烦。……” 。真的麻烦来了，回所以后，室领导对我的考勤特别关心注意，说我不遵守上下班制度，不服从管理，引起我与他们（室主任们）大吵一架，我把当时考勤牌子丢到厕所中，明言我不会翻什么牌。当然，这件事很快传播到“上面”了，室领导受到所领导的批评。其后果是，逼我认识到，这里不是我可以继续呆下去的地方，好像满眼都是对立者。从那件事以后，我才醒悟到应该离开那里，那里的当道者们是一伙不诚事的，不能再接受任何任务（那时又希望我参加一种相控阵天线的设计），也不愿走进那满眼是“敌对者”的办公室，唯一可以去的地方是图书馆。1984年我在美国的IEEE-AP年会中发表了"The Dyadic Green Functions of Microtape Antenna"一文，会议邀请函被所里扣压，我的论文由无知者代为宣读，之后，在1984年12月，在我拒绝接受任何工作后的两年，我们全家离开了这个西安廿研究所。

      沈宜春曾问我，“为什么长波线型天线的辐射效率会如此的低？有没有办法提高其效率？” 我告诉她，长波线型天线大都做成笼子状，这种形状的电磁场，由于线与线间场的互耦作用，约束了部分电磁能量在天线场的周围空间，约束能量的多少与笼网的导线分布及导线间的距离，线间的夹角等有关。我曾作过样的实验，在广播电台的铁塔天线附近，在一个无电源的LC谐调电路中，接入一个大概是10瓦的灯泡，当调节可变电容器C时，灯泡会亮起来。这说明长波天线有部分能量被约束住了。要解决这个问题可以用矩量法在计算机上作优化选择。改变线间的距离及相互之间的夹角，为此必然会增高支撑铁塔的高度。即使这样单塔天线的效率也不会有多少改变，因为单塔天线本身的结构形状有严重的缺陷！如若将单塔天线与四塔天线相比较，一个明显的弱点就表露出来了！四塔天线构成的线型网状像一个向天空开口的漏斗形（或底部朝天的倒锥形），由于地面的镜象效应，它的实际辐射，是两个对称的线型网状天线构成的“漏沙型计时器” ！这种形状是“开放”型辐射，被约束的能量较少！单塔天线形成的形状与此相反，也是和地面反射一起造成的是一种“封闭”型的辐射，它将较多的能量约束在导线的网中。

      使人警叹的是，那些曾支持审查过该天线方案的老专家、老教授们，为什么这样明显的结构形状不合理的天线，没有人指出！是怕，还是想得太多？我真的不明白这是为什么。我大胆猜想：他们不是真正的热爱这一行的专家！长波天线的开放型有许多实例及反例，例如，世界上有许多以山谷做天线的实例，而没有一个以山峰做天线的例子。这就是开放型与封闭型导出的实例和反例。广播电台的那种线型天线，不是用于远程电磁信号传输。科学研究没有理论指导，只能是胡闹。理论工作是要潜心净心去做的，不能搞群众运动！不能用“三个臭皮匠胜过诸葛亮”这种一贯赞不决口群众路线的思维指导科研工作，而且科研工作的领袖们，常常批评刻苦钻研的人是个人英雄主义、是资产阶级气息。就以这廿所为例，重视理论学习的领导一个都没有，认真学习理论的科研人员也是少之又少，那里根本就不象什么科学技术的研究所！