摘要:埃菲尔铁塔是为1889年在法国巴黎举办的世界博览会而建造的。当时,埃菲尔铁塔远非世界著名的旅游胜地。事实上,埃菲尔铁塔被认为破坏了巴黎的风景,应在博览会后尽快拆除。随后几年,实验发现在埃菲尔铁塔上架设天线,有助于远距离无线传输,从而拯救了埃菲尔铁塔被拆除的厄运。本文简单地讲述早期无线电实验中法国科学家的贡献及笔者参考过的近现代法国天线学者的工作。
一.早期无线电人
参与早期无线电研究并做出杰出贡献且广为世人所知的科学家有意大利人马可尼、俄罗斯人波波夫、英国人奥利弗·约瑟夫·洛奇(Oliver Joseph Lodge)与约翰·安布罗斯·弗莱明(John Ambrose Fleming)、印度人贾加迪什·钱德拉·鲍斯(Jagadish Chandra Bose)、加拿大人雷金纳德·奥布里·费森登(Reginald Aubrey Fessenden)等。
其实参与早期无线电研究并做出杰出贡献,但不为世人所知的科学家也有不少,比如法国人爱德华·欧仁·德雷西·布朗利(Édouard Eugène Désiré Branly,23/10/1844 – 24/03/1940)。也许可以这样讲,没有布朗利发明的检波器,就不会有马可尼远距离无线电实验的成功。
为此,马可尼于 1899 年 4 月 29 日曾向布朗利发出以下无线电报:“马可尼用跨越英吉利海峡的无线电报向布朗利先生致以崇高敬意。这一美好的成果部分归功于布朗利先生出色的工作。” 布朗利向马可尼回复了如下无线电报:“布朗利对马可尼先生取得的巨大成功表示由衷的钦佩和高度赞赏。”
笔者2024年4月29日下午动笔撰写此文,正好与马可尼-布朗利之间无线电报往来时隔125年。笔者决定2024年5月4日发表此文,纪念1919年发生的抗议巴黎和会上有关山东问题决议的爱国学生运动。
二.埃菲尔铁塔与天线
在“天线学:一人一公式”一文中,读者可从马可尼公式中发现,天线架设的越高,无线系统覆盖的距离就越远。法国工程师尤金·阿德里安·杜克雷特(Eugène Adrien Ducretet)于1903年将天线架设在埃菲尔铁塔上,实现了埃菲尔铁塔和万神殿之间4公里的无线传输。受此次无线传输大获成功的启示,亚历山大·古斯塔夫·埃菲尔(Alexandre Gustave Eiffel)灵机一动,想到了拯救他著名的铁塔免遭破坏的妙计。当时,埃菲尔铁塔远非世界著名的旅游胜地。事实上,埃菲尔铁塔被认为破坏了巴黎的风景,应在博览会后尽快拆除。埃菲尔找到负责法国与英国之间无线电报实验的古斯塔夫·奥古斯特·费里埃(Gustave Auguste Ferrié)将军,表示他愿意提供埃菲尔铁塔用于架设天线进行无线电报实验。费里埃后来在塔顶和地面之间使用六根长电缆设置了天线。1908年,费里埃能够将无线信号传输到最远6000公里的距离。埃菲尔铁塔因成为有用的天线塔而保存了下来!
三.法国学者与天线
笔者1990年代初在香港开始接触天线,三十年来参考过一些法国学者所做的天线工作,其中印象较深的罗列如下:
1.L. Brillouin, “The antenna problem,” Quarterly of Applied Mathematics, vol. I, no. 3, pp. 201-214, Oct. 1943.
笔者以前研读经典天线书籍时,发现上述文章常被引用,但是自己没去找原文阅读。去年10月23日,因为推导阴阳天线理论公式的需要,笔者下载了原文并仔细地研读过。Brillouin在文中指出,研究天线问题时仅考虑沿轴表面电流而忽略上下端表面电流本身就有问题。研究天线问题需要求解轴表面电流与端表面电流的两个积分方程。
2.G. Deschamps and W. Sichak, “Microstrip microwave antennas,” in Proc. Third Symp. on USAF Antenna Research and Development Program, 18-22 October 1953.
虽然人们认为G. Deschamps和W. Sichak于1953年发表了第一篇微带天线论文 ,但是仔细阅读论文后, 人们会发现其实文中没有给出我们今天所认知的微带天线结构及辐射机理 。论文标题中出现的微带天线实际上在文中是指微带馈电的天线。
3.H. Gutton, G. Baissinot, “Flat aerial for ultra-high frequencies,” French Patent no. 703113, 1955.
虽然人们认为Gutton和Boissinot于1955年申报了第一项微带天线专利 ,但是仔细阅读专利后, 人们会发现专利中其实没有给出我们今天所认知的微带天线结构及辐射机理 。专利中的微带天线实际上是故意在微带线上引入不连续强化微带线的辐射。
4.G. Deschamps, “Impedance properties of complementary multiterminal planar structures,” IRE Trans. Antennas Propag., pp. 371-378, Dec. 1959.
Deschamps在此文章中扩展了英国学者亨利·乔治·布克(Henry George Booker)有关互补天线阻抗关系的理论。笔者在“无线电科学与技术中的因子4”一文中引用了上述文章,在研究差分与单端口天线阻抗关系时也研读过上述文章。
5.G. Dubost, Flat radiating dipoles and applications to arrays, Research Studies Press, 1981
这是一本正文不到百页的专著,对集成天线研究者有参考价值。作者是一位1926年出生于法国巴黎的著名天线学者。作者在书中很好地做到了天线理论与工程实现的平衡。
6.E. Penard, J. P. Daniel, “Open and hybrid microstrip antennas,” IEE Proc. Pt. H, vol. 131, no. 1, pp. 38-44, Feb. 1984.
Penard 与Daniel在上文中比较了开路与短路微带天线的异同处。对于空气介质,开路与短路微带天线具有相同的阻抗值,而短路微带天线带宽是开路微带天线带宽的两倍。另一方面,对于常用的有耗介质(εr ≈ 2),开路与短路微带天线具有相似的带宽值,但短路微带天线的阻抗是开路微带天线 阻抗的两倍。
7.D. Titz, F. Ferrero, and C. Luxey, “Development of a millimeter-wave measurement setup and dedicated techniques to characterize the matching and radiation performance of probe-fed antennas [measurements corner],” IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 54, no. 4, pp. 188-203, Aug. 2012.
Titz是一位优秀的女性天线学者。她在毫米波封装天线设计与测试方面有突出贡献。她曾在新加坡南洋理工大学集成系统实验室做过研究,并在我的推荐下荣获IEEE天线与传播学会 2018 年 Lot Shafai 职业生涯中期杰出成就奖。她还担任过 IEEE Transactions on Antennas and Propagation 和 IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters 的副编辑。Titz的博士导师Luxey教授曾荣获 IEEE天线与传播学会 2007 年度H. A. Wheeler最佳应用论文奖。获奖的论文题目是“Study and reduction of the mutual coupling between two mobile phone PIFAs operating in the DCS1800 and UMTS bands”。
四.德尚简介
上述7项法国学者所做的天线工作,Deschamps贡献了两项。下面是乔治·阿尔芒·德尚(Georges Armand Deschamps)的简单介绍。德尚于1911 年出生在法国旺多姆,1931年获巴黎高师(École Normale Supérieure)录取,主修数学,与后来成为法国总统的乔治·让·雷蒙·蓬皮杜(Georges Jean Raymond Pompidou)是同班同学。德尚于1937在美国普林斯顿大学做过一年研究。二战爆发后,德尚应召参军,驻守马奇诺防线。1940 年马奇诺防线失守后,德尚穿越北非于1941年逃到美国。德尚先在纽约教书,后在公司实验室工作。德尚在纽约期间,经常参加法国巴黎高师学长Brillouin的学术讲座。1958年,德尚加入伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校,接替离开的 维克托·亨利·拉姆齐(Victor Henry Rumsey) 博士担任天线实验室主任。德尚被认为是微带天线概念的提出者,但是德尚的主要贡献并不在天线,而是将许多高等数学方法引入到电磁学中解决重要的工程问题。德尚不是一位多产的学者,与同一个实验室其他学者相比,他发表的文章少得可怜。但是,德尚发的文章就是经典。德尚1978年入选美国工程院院士,1987获IEEE天线与传播学会杰出成就奖,1998年病逝。德尚的关门博士弟子是理查德·齐奥科夫斯基 (Richard W. Ziolkowski)。理查德曾给笔者讲过罗远祉教授与他的学生一起建立并验证微带天线腔模理论的一些趣闻。
五.后记
以前就知道英语中有brain drain(人才流失)一说。此文中提到的美国科学院院士Brillouin与美国工程院院士Deschamps 是法国流失的巴黎高师培养出的顶尖人才。我在多篇文章中提到过的美国科学院院士Booker与美国工程院院士Rumsey是英国流失的剑桥大学培养出的顶尖人才。这些二战期间与二战后从英伦三岛与欧洲大陆流向美国的人才,奠定了今日美国的国际地位。我们国家也有大量人才流失到美国。三十年前国家开始实施的New Diaspora(西方研究者对我们国家各种人才计划的总称)计划,近年来已开始初见成效。但是,要从brain drain 转变到brain gain(人才流入),依然任重道远。 对此,我有一个观点就是先吸引PHT(Push Husband Through)回来,然后PHD也就自然地回来了,你赞同吗?