来来的科学站

   近日突然闻到噩耗, 孔金瓯老师在本月去世了, 原因是肺炎. 我突然心理感到很大的哀痛. 孔老师作为电磁学领域的泰斗学者, 他的人格深深地影响了我们, 也指导帮助了我们很多.

   孔老师1969年的时候就成为麻省理工学院的老师一直到今天, 后来同时来到浙江大学开设国际电磁科学院浙大分院, 带领异向介质研究组. 04年我有幸进入他的研究组,成为他的学生. 期间得到了非常多宝贵的科研,人生的指导. 现在想起来还是非常温暖, 好像在昨日.

   我们在浙大的时候, 特别喜欢他的课, 因为他上课非常清晰, 而且有趣. 清晰在于所有的内容他都是从Maxwell方程开始讲起, 运用他超强的数学功底推导公式，万变不离其宗一样. 他最喜欢的就是黑板, 最讨厌的就是多媒体PPT。在黑板上推导公式对他来说是一大快事。 据说在MIT， 教室都是有很多黑板的， 所以一节课可以写很多公式， 于是在浙大也专门弄了一个这样的教室。 光公式是枯燥的， 于是期间他总是讲很风趣的故事， 是关于科学家的故事。比如柯西是如何免除宣誓仪式回到法国的，又比如法拉第是如何从一个学徒成为伟大科学家的。 这些故事给了我们开拓了很多眼界。也很大调节了课堂气氛。

   孔老师对学生的理论基础要求很高， 特别是数学和物理。 记得有一次复变函数课上， 他说他二战时刚到MIT的时候，是临时搭建的三层的楼，在办公室里面外面什么声音都听得到。走廊里面全是黑板，人在那里随时讨论，也常有惊叹，都是数学和物理的发现。如今的研究人员呢，则都是simulation（仿真）。实验室里讨论的都是，你的防真结果怎么样？　然后fabrication一下博士就出来了。和以前的要求差距太大了。所以要多教我们数学和物理。如果只是靠仿真的话， 而所谓仿真软件呢， 又是一些学生根据科研论文写成代码组成的软件。 于是论文依靠仿真软件， 仿真软件又是依靠论文的， 那么科研比如会像收敛数列一样，最后就停止在那里。

   孔老师喜欢周易，有一次他问我，你知道周易六十四卦当中， 哪一卦的爻辞都是吉呢？ 我说是地山谦。的确他就是这样把周易深深引入他的人生。 虽然他是大师，但却一点没有架子，和学生热烈讨论学术的时候，好像他自己也是求知弱渴的学生一样。周易的三元素是 象 数 理。 他将这个原来深入引入到他的科研中。自然想象就是象，然后归纳，用数学语言表达就是数，在数当中抽象归纳出物理意义就是理。 这样就完成了一个完整的科研过程。所以每当学生推导公式的时候，他总是要问理是什么，就是通过这些公式背后是什么物理背景， 这对于我们来说是很大挑战。他自己授课的时候也是象 数 理的完美结合。 记得有一次讲K-K关系，他讲道科学家是如何几乎是凭空构造出一个方程，然后通过它得到电磁学因果律K-K关系的。现在想起那个推导的过程还是觉得很诡异， 但是又天才。

  孔老师还很开明，他不仅仅注重培养学生的专业素养，而且关注学生的各方面综合素养，他本身也是一位国学的大师。他为人低调，踏实，性格风趣却又非常认真仔细。现在想起那些事，觉得温暖，又有难过。 孔老师在天国当中一定会继续支持关注我们的。如果我的人生能够像孔老师那样不断追求，这样就不会后悔了。 努力把。 

 

  D.R Smith又在构想用 LHM的特性设计隐身衣了。 传说中的东西啊。 不过其实还是距离很遥远的，科学其实也是一种信念。

 现在是一个马马虎虎的时代啊。 昨天孔老师谈到70年代的MIT，每个人都是追求尽善，可以现在也在走下坡路。登月的时候，仅仅是一个小试验，探测水下，也要到加拿大冰地上反复试验。  那个设计哈勃望远镜的人，几十亿用上去，结果发上去不能聚焦，再用几十亿派个太空人上去帮助聚焦。采访的时候他说，总是有错误的嘛。 觉得是一个不可思议的事，原因是他居然一次都没有在地上试验过。

   就是以函数为自变量的函数.
 比如曲线的长度,闭合曲线围成的面积等都和曲线的函数是一种泛函关系.
 设对于任何y(x),有另一个数J[y]与之对应,则称J[y]为y(x)的泛函. 这里的定义域,即函数集合,通常包含要求y(x)满足的一定边界条件,并且具有连续的二阶导数.
 泛函和复合函数不同,泛函必须给出区间上整个函数y(x),才可以得到一个泛函值.

赫兹电偶极子  4.3.1节
所有辐射结构中最基本的就是赫兹电偶极子，可以表示为p=ql的电荷偶极子以角频率w交变振荡。而电流偶极矩为Il=-iwp
通过前面的内容可以求得矢量电流矩f，从而得到E和H,<S>。
方向性增益G    其极值定义为方向性系数D
辐射场的方向图  E的幅度在同一距离r不同方向角下给出的。

赫兹磁偶极子 4.3.2节
赫兹电偶极子的二元对称。 用H代替E，用－E代替H，用e代替u,用u代替e，用uM代替P，就可以由赫兹电偶极子的公式得到赫兹磁偶极子的公式。 它是用面积为A的载有电流的小环路线圈来实现的。
 ml=-imuIA=-iwuM  M为磁矩

天线阵  antenna array 4.4节
阵列本身的性能由称为阵列因子F(u)的求和项确定
比如N单元阵列，偶极子指向z方向，并沿x方向以等间距d排列。   

参考天线语言

 

     在中国古籍中最早使用宇宙这个词的是《庄子·齐物论》。“宇”的含义包括各个方向，如东西南北的一切地点。“宙”包括过去、现在、白天、黑夜，即一切不同的具体时间。战国末期的尸佼说：“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”“宇”指空间，“宙”指时间，“宇宙”就是时间和空间的统一。后来“宇宙”一词便被用来指整个客观实在世界。与宇宙相当的概念有“天地”、“乾坤”、“六合”等，但这些概念仅指宇宙的空间方面。《管子》的“宙合”一词，“宙”指时间，“合”（即“六合”）指空间，与“宇宙”概念最接近。

      在西方，宇宙这个词在英语中叫cosmos，在俄语中叫кocMoc ，在德语中叫kosmos，在法语中叫cosmos。它们都源自希腊语的κoσμoζ，古希腊人认为宇宙的创生乃是从浑沌中产生出秩序来，κoσμoζ其原意就是秩序。但在英语中更经常用来表示“宇宙”的词是universe。此词与universitas有关。在中世纪，人们把沿着同一方向朝同一目标共同行动的一群人称为universitas。在最广泛的意义上，universitas又指一切现成的东西所构成的统一整体，那就是universe，即宇宙。universe和cosmos常常表示相同的意义，所不同的是，前者强调的是物质现象的总和，而后者则强调整体宇宙的结构或构造。

  一个矢量函数在笛卡尔坐标系下可以表示成三个正交方向分量（是标量）的和。 表示符号是F上面一横。
  同样一个并矢dyadic在笛卡尔坐标系下可以表示成三个正交方向上的三个矢量函数组成。 表示符号是F上面两横。
 dyadic 有九个标量元素叫做dyads，不满足交换律。
  满足交换律的dyadic叫做symmetrical dyadic .
  满足负的交换率的叫做antisymmetrical dyadic。
 还有dyadic的转置 transpose。

 A dyadic by itself, like a matrix, has no algebraic property. It plays the role of an operator when certain products are formed.

 并矢的运算：
 有前面的标乘，后面的标乘，前面的矢量乘，后面的矢量乘，散度，旋度。
 另外，对于一个矢量函数F的梯度，也是一个dyadic。
 An idem factor I(上两横）

1。计算从负无穷积到正无穷 (2+x^2)/(4+x^4)的积分
 Solve:
  补上以原点为圆心，R为半径的上半圆，R趋向无穷大，和原来的实轴积分组成围道积分。 函数成为复函数。
 在大半圆上的积分等于0。
 又函数在上半平面仅有两个单极点 1+i -1+i
 所以  积分= 2*pi*i*[Res(1+i)+Res(-1+i)]=pi

 2。Let the non-constant function f(z) be analytic within and on the circle |z-1|=2, and also suppose that |f(z)|=3 everywhere on that circular boundary. Then use the Maxumum Modulus Principle- state it clearly but do not bother to prove it-to show that this f(z) must have at least one zero within that circle.

 Prove:
 由题和MMP知 |f|<=3 若f没有零点，则g=1/f同样在circle 里解析，则同样由MMP知|g|<=1/3。 两个就矛盾了。

一、引言

　　目前一种新的无线通信技术引起了人们的广泛关注，这就是所谓的"UWB(Ultra WideBand，超宽带无线技术)"技术。正如其名称一样，UWB技术是一种使用1GHz以上带宽的最先进的无线通信技术，被认为是未来五年电信热门技术之一。但是UWB不是一个全新的技术，它实际上是整合了业界已经成熟的技术如无线USB、无线1394等连接技术，本文就是对UWB做一简单的介绍。

二、什么是UWB？

　　UWB 的历史渊源，可以追溯到一百年前波波夫和马可尼发明越洋无线电报的时代。现代意义上的超宽带UWB 无线技术，又称脉冲无线电( Impulse Radio) 技术，出现于1960 年代。与传统通信技术不同的是，UWB 是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术， 适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC 的规定，从3. 1GHz 到10. 6GHz 之间的7. 5GHz 的带宽频率为UWB 所使用的频率范围。

　　从频域来看， 超宽带有别于传统的窄带和宽带， 它的频带更宽。窄带是指相对带宽(信号带宽与中心频率之比) 小于1% ， 相对带宽在1% 到25% 之间的被称为宽带， 相对带宽大于25% ， 而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。表1表示这三个概念

表1：三个概念的区别
                 信号带宽/中心频率
窄带                 ≤1%
宽带              %1≤…≤25%
超宽带（UWB）   ≥25%或带宽≥500Mbps
 

　　从时域上讲， 超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB 是利用起、落点的时域脉冲(几十n s) 直接实现调制， 超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行， 而且以这一过程中所持续的时间， 来决定带宽所占据的频率范围。由于UWB 发射功率受限， 进而限制了其传输距离， 据资料表明，UWB 信号的有效传输距离在10m 以内， 故而在民用方面，UWB 普遍地定位于个人局域网范畴。

三、UWB的技术特点

　　由于UWB与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此UWB具有如下传统通信系统无法比拟的技术特点：

　　(1)系统结构的实现比较简单：当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，从而利用载波的状态变化来传输信息。而UWB则不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。

　　(2)高速的数据传输：民用商品中，一般要求UWB 信号的传输范围为10m以内，再根据经过修改的信道容量公式，其传输速率可达500Mbit/ s，是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。
 
  　(3)功耗低：UWB 系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百μW～几十mW。民用的UWB 设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/ 100 左右，是蓝牙设备所需功率的1/ 20 左右。军用的UWB 电台耗电也很低。因此，UWB 设备在电池寿命和电磁辐射上，相对于传统无线设备有着很大的优越性。

　　(4)安全性高：作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能。由于UWB 信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB 信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。

　　(5)多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间， 多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～ 30 dB 的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5 dB。

　　(6)定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内； 与GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位置， 其定位精度可达厘米级， 此外，超宽带无线电定位器更为便宜。

　　(7)工程简单造价便宜：在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很低。

五、与其它短距离无线技术的比较
　　从UWB的技术参数来看，UWB的传输距离只有10M左右，因此我们只拿常见的短距离无线技术与UWB作一对比，从中更能显示出UWB的杰出的优点。常见的短距离无线技术由IEEE802.11a、蓝牙、HomeRF。
　　(1)IEEE802.11a与UWB
　　IEEE802.11a是由IEEE制定的无线局域网标准之一，物理层速率在54Mbps，传输层速率在25Mbps，它的通信距离可能达到100M，而UWB的通信距离在10M左右。在短距离的范围(如10M以内)，IEEE802.11a的通信速率与UWB相比却相差太大，UWB可以达到上千兆，是IEEE802.11a的几十倍；超过这个距离范围(即大于10M)，由于UWB发射功率受限，UWB就性能就差很多(目前从演示的产品来看，UWB的有效距离已扩展到20M左右)。因此从总体来看，10M以内，802.11a无法与UWB相比；但是在10M以外，UWB无法与802.11a相比。另外与UWB相比，802.11a的功耗相当大。
　　(2)蓝牙(Bluetooth)与UWB
　　蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织(SIG)来负责该技术的开发和技术协议的制定，如今全世界已有1800多家公司加盟该组织。蓝牙的传输距离为10cm～10m。它采用2.4GHz ISM频段和调频、跳频技术，速率为1Mbps。从技术参数上来看，UWB的优越性是比较明显的，有效距离差不多，功耗也差不多，但UWB的速度却快得多，是蓝牙速度的几百倍。从目前的情况来看，蓝牙唯一比UWB优越的地方就是蓝牙的技术已经比较成熟，但是随着UWB的发展，这种优势就不会再是优势，因此有人在UWB刚出现时，把UWB看成是蓝芽的杀手，不是没有道理的。
　　(3)HomeRF与UWB
　　HomeRF 是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术，借用了802. 11 规范中支持TCP/ IP传输的协议；而其语音传输性能则来自DECT(无绳电话) 标准。HomeRF 定义的工作频段为2. 4GHz ，这是不需许可证的公用无线频段。HomeRF 使用了跳频空中接口，每秒跳频50次，即每秒钟信道改换50 次。收发信机最大功率为100mW ，有效范围约50m，其速率为 1Mbps至2Mbps。写UWB相比，各有优势：HomeRF的传输距离远，但速率太低；UWB传输距离只有HomeRF的五分之一，但速度却是HomeRF的几百倍甚至上千倍。
　　总而言之，这些流行的短距离无线通信标准各有千秋，这些技术之间存在着相互竞争， 但在某些实际应用领域内它们又相互补充。单纯地说"UWB或取代某种技术"这是一种不负责任的说法，就好像飞机又快又稳，也没有取代自行车一样，各有各的应用领域。下面通过图表的形式把四者的区别罗列如下：
　　
               UWB         蓝芽          802.11a              HomeRF
速率（bps） 最高达1G       ＜1M          54M                    1~2M
距离（米）  ＜10            10          10~100                   50
功率        1毫瓦以下      1~100毫瓦     1瓦以上                1瓦以下
应用范围    探距离多媒体   家庭或办公室  电脑和Internet网关  电脑、电话及移动设备

六、UWB应用概述
　　UWB 技术多年来一直是美国军方使用的作战技术之一，但由于UWB 具有巨大的数据传输速率优势， 同时受发射功率的限制， 在短距离范围内提供高速无线数据传输将是UWB的重要应用领域，如当前WLAN 和WPAN 的各种应用。此外，通过降低数据率提高应用范围，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低，能提供数厘米的定位精度等优点；UWB 也适用于短距离数字化的音视频无线链接、短距离宽带高速无线接入等相关民用领域。总的说来，UWB的用途很多，主要分为军用和民用两个方面。
　　在军用方面主要用于如下领域如UWB 雷达、UWB L PI/ D 无线内通系统(预警机、舰船等) 、战术手持和网络的PL I/ D 电台、警戒雷达、UAV/U GV 数据链、探测地雷、检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体；在民用方面，自从2002 年2 月14 日FCC 批准将UWB 用于民用产品以来， UWB的民用主要包括以下3 个方面：地质勘探及可穿透障碍物的传感器(imaging system) ；汽车防冲撞传感器等(vehicle radar system) ；家电设备及便携设备之间的无线数据通信( communication and measurements　system) 。下面对两个重要应用展开论述。 　　
    UWB 技术一个介于雷达和通信之间的重要应用是精确地理定位，例如使用UWB 技术的能够提供三维地理定位信息的设备。该系统由无线UWB 塔标和无线UWB 移动漫游器组成。其基本原理是通过无线UWB 漫游器和无线UWB 塔标间的包突发传送而完成航程时间测量，再经往返(或循环) 时间的测量值的对比和分析，得到目标的精确定位。此系统使用的是2.5 ns 宽的UWB 脉冲信号，其峰值功率为4W，工作频带范围为1. 3～1. 7 GHz ，相对带宽为27 % ，符合FCC 对UWB 信号的定义。如果使用小型全向垂直极化天线或小型圆极化天线，其视距通信范围可超过2 km。在建筑物内部，由于墙壁和障碍物对信号的衰减作用，系统通信距离被限制在约100 m 以内。UWB 地理定位系统最初的开发和应用是在军事领域，其目的是战士在城市环境条件下能够以0. 3 m的分辨率来测定自身所在的位置。目前其主要商业用途之一为路旁信息服务系统。它能够提供突发且高达100Mbps 的信息服务，其信息内容包括路况信息、建筑物信息、天气预报和行驶建议，还可以用作紧急援助事件的通信。 　
    
    UWB第二个重要应用领域是家庭数字娱乐中心。在过去几年里，家庭电子消费产品层出不穷。PC、DVD 、DVR 、数码相机、数码摄像机、HDTV 、PDA， 而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带。表1表示这三个概念、数字机顶盒、MD、MP3、智能家电等等出现在普通家庭里，正是"旧时王榭堂前燕，飞入平常百姓家"。家庭数字娱乐中心的概念是：将来你的住宅中的PC、娱乐设备、智能家电和Internet都连接在一起，你可以在任何地方使用它们。举例来说，你储存的视频数据可以在PC、DVD、TV、PDA 等设备上共享观看，可以自由地同Internet交互信息，你可以遥控你的PC，让它控制你的信息家电，让它们有条不紊地工作，你也可以通过Internet联机，用无线手柄结合音、像设备营造出逼真的虚拟游戏空间。如何把这些相互独立的信息产品有机地结合起来，这是建立家庭数字娱乐中心一个关键技术问题。从前面对UWB的技术特点来看，UWB技术无疑是一个很好的选择。
 
七、UWB的发展前景
　　如前所述，UWB 系统在很低的功率谱密度的情况下，已经证实能够在户内提供超4800Mbps 的可靠数据传输。与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB 具有巨大的数据传输速率优势，最大可以提供高达1000Mbps 以上的传输速率。UWB技术在无线通讯方面的创新性、利益性已引起了全球业界的关注。与蓝牙、802111b、802115 等无线通信相比， UWB 可以提供更快、更远、更宽的传输速率，越来越多的研究者投入到UWB 领域，有的单纯开发UWB技术，有的开发UWB应有，有的兼而有之。相信UWB技术， 不仅为低端用户所喜爱，且在一些高端技术领域，在军事需求和商业市场的推动下，UWB 技术将会进一步发展和成熟起来。据联合商业情报公司在《关于UWB 的预测和潜在市场应用的报告》指出，2007 年全球配备UWB的电子设备和芯片的生产量将达到4510 万套，当年的收益将达到13. 9 亿美元。
　　同先进国家相比较，我国在无线通信领域仍处于待开发状态，通过UWB技术的研究，可以充分发挥后发优势，研究将会更有方向性和针对性，因而有可能在该领域达到并超过世界先进水平，促进我国在UWB技术方面的全面发展，同时对我国在该研究领域拥有自主知识产权和相关产品，建立新的经济增长点，具有重大意义。