电磁频谱低频段的新技术与新应用

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1、电磁频谱低频段的新技术与新应用聂在平，胡俊，徐锐，杨鹏（电子科技大学，电子工程学院，!1!川，成都，610054）摘要：长期以来，由于远场技术的主导，电磁频谱中低频频段的技术研发和应用都局限在一些特定的领域中。本文重点讨论低频近场新技术和新应用的发展、挑战和机遇，包括低频近场数值模拟、低频近场耦合链接、近场探测和近场功率传输等新技术所面临的挑战及其应用前景。关键词：近场数值模拟；低频近场耦合；低频近场探测；谐振耦合传输中图分类号：TM929.4,TN951引言众所周知，低频电磁频谱的应用长期以来仅限于长波通信和潜艇通信等特殊领域，用以克服

2、远程通讯屮因地球曲率产生的盲区，或减缓因海水屮电磁传播所导致的严重传输损耗。由于具有有效辐射和接收能力的单元天线尺寸应与波长成比拟（如1/4或1/2波长），这些低频远场通信，都要应用尺度特别大的收发天线及其阵列，导致巨大的工程建设任务。这是长期以來低频的频段资源应用极受限制的主要原因。但是，随着现代电子技术的迅猛发展，近场无线链接和近场探测技术的应用口益广泛。例如，在无线链接方面，除丫广泛应用的射频身份识别（RadioFrequencyIdcntification,RFID）系统以外，基于近场通信（Near-fieldCommunicat

3、ion,NFC）的手机移动支付应用己成为当今热点。但是，由于各型手机的不同设计，手机电池和可能具有的金属外壳对SIM卡辐射的射频信号的屏蔽效应也各不相同。在此条件下，要确保手机移动支付的安全性和稳定性，低频近场的应用至关重要。实际上，RFID系统和NFC系统的各种新应用，特别是解决传输遮挡的新需求，都有赖于低频近场技术的不断发展。又如，当今各种近距离无线充电的应用需求迅速増长，电磁能量的近场定向传输成为亟待突破的应用技术。这实际上也是一个典型的近场传输的控制问题。如何保证在恶劣传输条件下稳定的低频近场无线链接，如何控制近场能量传输的方向？

4、有哪些物理原理可以支撑相关技术的研发？尽管存在诸多争论，但不争的事实是，近场理论研宄的薄弱是导致难以回应此类问题的根本原因。在近场探测方面，复杂媒质和复杂环境屮A标的近场探测扮演着□益重要的角色，而低频近场条件和分辨率的要求则是一对难以调和的矛盾。例如，随钻地质导向（MWD）和随钻石油测井（LWD）要求具备有效的方位角向分辨率，以便在钻井时基于近场探测数据给出钻井路径的前视导向。但根据口径辐射理论，对于频率10-20KHZ（波长高达15-30Km）的低频电磁场來说，周长仅60-80cin的井周口径上根本不可能形成可资利用的井周方向性。又如

5、，生物医学探测屮涉及到复杂组织和电磁近场的互作用；在极强的直耦背景下如何有效提取携带生物组织信息的电磁响应信号？或者说，如何在抑制极强的近区直耦信号的棊础上实现生物组织的探测与成像？探测分辨率和探测深度的矛盾又如何协调？等等。以上技术挑战要求电磁学将注意力聚焦到低频近场问题，针对上述科学问题展开深入的研究，并回答一系列重要的理论和技术问题。本文将从电磁近场的数值建模及其物理特性研究、近场无线链接及近场定向耦合技术、近场探测及近场信息提取等方面对此进行初步讨论。1电磁近场的数值模型及近场物理特征研宂低频近场物理特征的一种有效工具就是低频近场

6、的数值模拟工具。近十年来，电磁辐射、传播与散射的数值模拟有了飞速进步，但主耍限于远场问题。对于低频近场而言，数值建模面临“低频崩溃”、“电磁分离”和“釈分异奇异性”等问题，需耍认真面对。低频崩溃当频率趋于零时，麦克斯韦方程变为下述形式：▽xE=0▽xH=J„1#V•J▽•eE=p=hm―:tv—>02CU▽•//H=0由上式可看出，频率趋于零时，电场和磁场没有耦合。同时，产生磁场的电流一定是无散的，记为JU。产生电荷的电流散度不为零(无旋)，记为JU。又因电荷为P有限值，当w40时，Jin.为一小量，应满足：J⑻〜从以上分析可知，在频率很

7、低吋，电流很自然地分解为无散部分和无旋部分(Helmholtz分解)，即：trr且当cv—时，

8、JirrI《?CV—>0在频率很低时，Jw主要产生磁场，主要产生电场，用任何一种数值方法求解低频场，都须牢记上述特征。下面，从电场积分方程算子的角度来考察这一问题。如将电场用位函数表达E(r)=i叫小卜•J(rf)dSf55上式右第一项对应矢量磁位的贡第二项对应标量电位的贡献。当时，第一项可以忽略，上式仅存第二项。这时，当时，▽'••1(6=0,即上述积分方程算子存在零空间。这就是低频时电场积分方程离散后矩阵奇异，最终导致“低频崩溃”的原因。以

9、上只是w40时的极限情形。但随着频率的降低，虽然还并未达到导致“低频崩溃”的频率，但是数值解的稳定性和计算精度开始出现问题。这些都是需耍面对的挑战。低频电磁分离特性的基函数表达如前所述，当40