凝聚態(tài)物理前沿論文

1、 凝聚態(tài)物理前沿 學(xué) 院： 理學(xué)院 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 2017年 1月 2 日一、Nobel獎(jiǎng)項(xiàng)的調(diào)研“在光學(xué)通信領(lǐng)域光在纖維中傳輸方面的突破性成就”2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者：高錕高錕，漢族，1933年11月4日出生在江蘇省金山縣（今上海市金山區(qū)），住在法租界。父親是律師，弟弟高铻。祖父高吹萬(wàn)是晚清著名詩(shī)人，革命家，南社的重要成員。入學(xué)前，父親聘老師回家，教導(dǎo)高錕和高铻讀四書五經(jīng)。10歲，高錕就讀上海世界學(xué)校（如今的上海世界小學(xué)），在上海完成小學(xué)與初中一年級(jí)課程。 除了讀中文之外，也讀英文和法文，學(xué)校聘請(qǐng)留法的學(xué)者回來(lái)教授，高錕開始接觸中國(guó)之外的人事文化。大學(xué)時(shí)代

2、的高錕高錕小時(shí)候住在一棟三層樓的房子里，三樓就成了他童年的實(shí)驗(yàn)室。童年的高錕對(duì)化學(xué)十分感興趣，曾經(jīng)自制滅火筒、焰火、煙花和曬相紙嘗試自制炸彈。最危險(xiǎn)的一次是用紅磷粉混合氯酸鉀，加上水并調(diào)成糊狀，再摻入濕泥內(nèi)，搓成一顆顆彈丸。待風(fēng)干之后扔下街頭，果然發(fā)生爆炸。幸好沒(méi)有傷及路人。后來(lái)他又迷上無(wú)線電，很小便成功地裝了一部有五六個(gè)真空管的收音機(jī)。1948年全家移居臺(tái)灣。1949年，又移民香港，他進(jìn)入圣若瑟書院就讀。中學(xué)畢業(yè)后，他考入香港大學(xué)。但由于當(dāng)時(shí)港大沒(méi)有電機(jī)工程系，他遠(yuǎn)赴英國(guó)東倫敦伍爾維奇理工學(xué)院（現(xiàn)英國(guó)格林威治大學(xué)）就讀。1957年，他從伍爾維奇理工學(xué)院電子工程專業(yè)畢業(yè)。1965年，在倫敦大學(xué)

3、學(xué)院6 （University College London）獲得倫敦大學(xué)電機(jī)工程博士學(xué)位。1957年，高錕讀博士時(shí)進(jìn)入國(guó)際電話電報(bào)公司（ITT），在其英國(guó)子公司標(biāo)準(zhǔn)電話與電纜有限公司（Standard Telephones and Cables Ltd.）任工程師。1960年，他進(jìn)入ITT設(shè)于英國(guó)的歐洲中央研究機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)有限公司，在那里工作了十年，其職位從研究科學(xué)家升至研究經(jīng)理。正是在 這段時(shí)期，高錕教授成為光纖通訊領(lǐng)域的先驅(qū)。從1957年開始，高錕即從事光導(dǎo)纖維在通訊領(lǐng)域運(yùn)用的研究。1964年，他提出在電話網(wǎng)絡(luò)中以光代替電流，以玻璃纖維代替導(dǎo)線。1965年，在以無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一篇論

4、文中提出以石英基玻璃纖維作長(zhǎng)程信息傳遞，將帶來(lái)一場(chǎng)通訊業(yè)的革命，并提出當(dāng)玻璃纖維損耗率下降到20分貝/公里時(shí)，光纖維通訊就會(huì)成功。1966年，在標(biāo)準(zhǔn)電話實(shí)驗(yàn)室與何克漢共同提出光纖可以用作通信媒介。高錕在電磁波導(dǎo)、陶瓷科學(xué)（包括光纖制造）方面獲28項(xiàng)專利。由于他取得的成果，有超過(guò)10億公里的光纜以閃電般的速度通過(guò)寬帶互聯(lián)網(wǎng)，為全球各地的辦事處和家居提供數(shù)據(jù)。由于他在光纖領(lǐng)域的特殊貢獻(xiàn)，獲得巴倫坦獎(jiǎng)?wù)隆⒗悸?jiǎng)、光電子學(xué)獎(jiǎng)等，被稱為“光纖之父”。19571960年任標(biāo)準(zhǔn)電話和電纜公司工程師，19601970年任標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室主任研究工程師。1966年，高錕發(fā)表了一篇題為光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)的論文

5、，開創(chuàng)性地提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長(zhǎng)程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。簡(jiǎn)單地說(shuō)，只要解決好玻璃純度和成分等問(wèn)題，就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信息。利用石英玻璃制成的光纖應(yīng)用越來(lái)越廣泛，全世界掀起了一場(chǎng)光纖通信的革命。隨著第一個(gè)光纖系統(tǒng)于1981年成功問(wèn)世，高錕“光纖之父”美譽(yù)傳遍世界。高錕還開發(fā)了實(shí)現(xiàn)光纖通訊所需的輔助性子系統(tǒng)。他在單模纖維的構(gòu)造、纖維的強(qiáng)度和耐久性、纖維連接器和耦合器以及擴(kuò)散均衡特性等多個(gè)領(lǐng)域都作了大量的研究，而這些研究成果都是使信號(hào)在無(wú)放大的條件下，以每秒億兆位元傳送至距離以萬(wàn)米為單位的成功關(guān)鍵。舉世公認(rèn)高錕是提出用纖維材料傳達(dá)

6、光束訊號(hào)，以建置通信的第一人。高氏仍在英國(guó)求學(xué)的1960年代，大家已經(jīng)知道訊息是可以用數(shù)字或模擬的方式傳送。當(dāng)時(shí)已有人研究，透過(guò)氣體或玻璃傳送光，期望可達(dá)到高速的傳送效率，但無(wú)法克服訊號(hào)會(huì)嚴(yán)重衰減的問(wèn)題。1965年，高氏對(duì)各種非導(dǎo)體纖維進(jìn)行仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)。按他分析，當(dāng)光學(xué)訊號(hào)衰減率能低于每公里20分貝時(shí)，光束通信便可行。他更進(jìn)一步分析了吸收、散射、彎曲等因素，推論被包覆的石英基玻璃有可能滿足衰減需求達(dá)到波導(dǎo)。這項(xiàng)關(guān)鍵研究結(jié)果，推動(dòng)全球各地連串運(yùn)用玻璃纖維波導(dǎo)來(lái)通訊的研發(fā)工作。高錕是繼李政道、楊振寧、丁肇中、李遠(yuǎn)哲、朱棣文、崔琦及錢永健之后，第八位獲得諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)的華裔科學(xué)家。1970到1974年高

7、錕教授在香港中文大學(xué)擔(dān)任電子學(xué)系教授及講座教授，1974年又返回ITT工作。當(dāng)時(shí)，光纖領(lǐng)域進(jìn)入前生產(chǎn)階段。他在位于美國(guó)弗吉尼亞州勞諾克的光電產(chǎn)品部擔(dān)任主任科學(xué)家，后擢升為工程主任。1982年，他因卓越的研究與管理才能而被ITT公司任命為首位“ITT執(zhí)行科學(xué)家”，主要在康尼迪克州的先進(jìn)技術(shù)中心工作，1985年則在德國(guó)的SEL 研究中心工作。與此同時(shí)，他也擔(dān)任耶魯大學(xué)特朗布爾學(xué)院兼職教授及研究員。1986年，他被任命為合作研究主任。他也在標(biāo)準(zhǔn)電話電纜下屬的標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室作研究。1987年10月，高錕從英國(guó)回到香港，并出任香港中文大學(xué)第三任校長(zhǎng)。從1987年到1996年任職期間，他為中文大學(xué)羅致了大

8、批人才，使中大的學(xué)術(shù)結(jié)構(gòu)和知識(shí)結(jié)構(gòu)更加合理。其間中大實(shí)施靈活的學(xué)分制，全面檢討本科課程，成立工程、教育兩學(xué)院，致力改善教學(xué)質(zhì)量；創(chuàng)設(shè)多個(gè)研究所，促進(jìn)跨學(xué)科研究；提升校園主干網(wǎng)絡(luò)，連接世界各地系統(tǒng)；與國(guó)際學(xué)術(shù)重鎮(zhèn)保持密切聯(lián)系，加強(qiáng)與本地工商界合作 。在與內(nèi)地科技界的交流合作中，他主張“一步一步把雙方的聯(lián)系實(shí)際化” 。高錕于1996年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院外籍院士 。此外，他擔(dān)任香港高科橋集團(tuán)有限公司（Transtech Services Group Ltd.）主席兼行政總裁，并致力于開發(fā)電信與信息。高錕在2002年或之前完成英文自傳A Time and a Tide: Charles K. Kao:

9、A Memoir，許迪鏘翻譯的中文譯本潮平岸闊高錕自述于2005年出版。2003年初，高錕證實(shí)罹患早期老人癡呆癥，接受治療。但事情到2009年，高錕得到諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)才被廣泛報(bào)道，其夫人黃美蕓接受香港明報(bào)采訪時(shí)指高錕“老人家記性差”，時(shí)而忘記鎖匙或書本放在哪里，不過(guò)病情輕微，認(rèn)人、認(rèn)路均沒(méi)有問(wèn)題 。高錕時(shí)常在太太的扶持下在校園內(nèi)四處走動(dòng)，香港中文大學(xué)的學(xué)生們大都有幸時(shí)?？吹剿麄兎驄D相互扶持、相濡以沫的幸福場(chǎng)景。2009年，76歲的高琨因“開創(chuàng)性的研究與發(fā)展光纖通訊系統(tǒng)中低損耗光纖”而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。在此前，諾貝爾獎(jiǎng)偏重于基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的成果，高錕是首位以應(yīng)用物理研究獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的人。這個(gè)榮耀

10、遲到了43年，如今的高琨已經(jīng)漸漸地忘了自己心愛(ài)的研究成果了11 。10月6日，瑞典皇家科學(xué)院向高錕頒授諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。12月8日，高錕的演說(shuō)古沙遞捷音由夫人和中大4名教授按照潮平岸闊內(nèi)容代筆，夫人代為發(fā)表。12月10日，高錕在諾貝爾典禮上獲特別安排，免除走到臺(tái)中領(lǐng)獎(jiǎng)、鞠躬三次的禮儀，瑞典國(guó)王卡爾十六世古斯塔夫破例走到他面前頒獎(jiǎng)?；始铱茖W(xué)院說(shuō)，高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就，他將獲得2009年物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，共500萬(wàn)瑞典克朗（約合70萬(wàn)美元）。技術(shù)：光纖通信技術(shù)主要指運(yùn)用光導(dǎo)纖維實(shí)施傳輸信號(hào)，承載重要的信息，同時(shí)運(yùn)用光纖，使其作為傳輸媒介。光纖通信技術(shù)是現(xiàn)

11、代社會(huì)最重要的一種通信方式，在通信行業(yè)中有著至關(guān)重要的作用。光纖主要用電氣絕緣體玻璃材料制作而成的，因此無(wú)需擔(dān)心其可能由于接地原因而出現(xiàn)回路現(xiàn)象，因?yàn)楣饩€的芯比較細(xì)小，因此必須選擇多芯構(gòu)成光纜，光纜是信息傳輸?shù)闹匾ǖ?，進(jìn)而形成占用空間較小的傳輸系統(tǒng)。2.光纖通信技術(shù)簡(jiǎn)介2.1光纖通信各種技術(shù)簡(jiǎn)析1、光纖通信技術(shù)中的波分復(fù)用技術(shù)。即WDM，充分利用了單模光纖低損耗區(qū)的優(yōu)勢(shì)，獲得了大的寬帶資源。波分復(fù)用技術(shù)基于每一信道光波的頻率和波長(zhǎng)不同等情況出發(fā)，把光纖的低損耗窗口規(guī)劃為許多個(gè)單獨(dú)的通信管道，并在發(fā)送端設(shè)置了波分復(fù)用器，將波長(zhǎng)不同的信號(hào)集合到一起送入單根光纖中，再進(jìn)行信息的傳輸，而接收端的波分

12、復(fù)用器把這些承載著多種不同信號(hào)的、波長(zhǎng)不同的光載波再進(jìn)行分離。2、光纖通信技術(shù)中的光纖接入技術(shù)。光纖接入網(wǎng)技術(shù)是信息傳輸技術(shù)的一個(gè)嶄新的嘗試，它實(shí)現(xiàn)了普遍意義上的高速化信息傳輸，滿足了廣大民眾對(duì)信息傳輸速度的要求，主要由寬帶的主干傳輸網(wǎng)絡(luò)和用戶接入兩部分組成。其中后者起著更為關(guān)鍵的作用，作為光纖寬帶接入的最后環(huán)節(jié)。負(fù)責(zé)完成光接入的重要任務(wù)，基于光纖寬帶的相關(guān)特性，為通信接收端的用戶提供了所需的不受限制的帶寬資源。3、光纖通信技術(shù)中光傳輸與交換技術(shù)的融合?；谏鲜龉饨尤刖W(wǎng)通訊技術(shù)的成熟發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的核心架構(gòu)已經(jīng)正在日新月異的變化發(fā)展著，在交換和傳輸兩方面來(lái)講也都早已進(jìn)行了好幾代的更新。光接入網(wǎng)技術(shù)

13、和光傳輸與交換技術(shù)的融合技術(shù)，前者較在技術(shù)應(yīng)用上有了一些技術(shù)上改進(jìn)，從而也就提高了全網(wǎng)的進(jìn)一步有效發(fā)展。4、新一代的光纖在光纖通信技術(shù)中的應(yīng)用。傳統(tǒng)意義上的G652單模光纖已經(jīng)在長(zhǎng)距離且超高速的傳送網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中表現(xiàn)出了力不從心的缺點(diǎn)，新一代光纖的研究已成為當(dāng)務(wù)之需，在目前普遍需求的干線網(wǎng)和城域網(wǎng)的背景下，基于不同的發(fā)展需要，已經(jīng)發(fā)展出了兩種新一代光纖一非零色散光纖和全波光纖二、我所了解的納米科技多孔陽(yáng)極氧化鋁納米模板的制備在20世紀(jì)20年代，陽(yáng)極氧化鋁的研究開始起步，當(dāng)時(shí)的研究人員想從實(shí)驗(yàn)中獲得具有較好耐腐蝕性、耐磨性及電絕緣性的氧化膜。10余年后，研究人員對(duì)陽(yáng)極氧化鋁的多孔特性產(chǎn)生了興趣，并著

14、手于令有色物質(zhì)在多空膜中析出，于是便有了后來(lái)鋁的電解著色法，這使得彩色鋁合金一經(jīng)推出就有了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。直到20世紀(jì)的70年代，研究人員才漸漸地把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極氧化鋁的多孔膜本身，便開始以此為核心的功能性膜材料的研究。在20世紀(jì)90年代，以多孔陽(yáng)極氧化鋁膜為模板制備納米材料開始發(fā)展起來(lái)，所制備的納米材料主要有納米線、納米管及納米微粒，由此方法制備的納米材料在電、光、磁方面具有廣泛發(fā)展前景。由于陽(yáng)極氧化鋁多孔膜的微孔孔道是相互平行的，孔的形狀較為規(guī)則，孔徑的大小也比較均勻，再加上微孔排列在二維平面上具有一定周期性，很快就被用于制備功能性的薄膜材料，涉及納米過(guò)濾膜，聲、光、電、磁、熱等復(fù)合功

15、能膜。目前，以多孔氧化鋁為模板合成各種納米有序陣列結(jié)構(gòu)已成為材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。 多孔陽(yáng)極氧化鋁( porous anodic alumina，PAA)膜是一種自組裝的六邊形密排納米孔陣列結(jié)構(gòu)，它的制備工藝簡(jiǎn)單，由金屬鋁在酸性電解液中陽(yáng)極氧化得到的，成本低廉,通過(guò)改變氧化鋁膜的孔徑大小可以對(duì)納米陣列材料的直徑進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能的調(diào)制，膜孔的形貌和大小可以通過(guò)改變陽(yáng)極化工藝參數(shù)來(lái)調(diào)整,孔徑可在幾納米到幾百納米范圍內(nèi)變化，其方法也是簡(jiǎn)單易行的。多孔陽(yáng)極氧化鋁膜的孔密度高(達(dá)109-1012cm2) ，并且氧化鋁模板的尺寸跟納米材料的孔徑尺寸大致相同，應(yīng)用時(shí)方便統(tǒng)一。對(duì)可見(jiàn)光透過(guò)率高、組

16、裝后易被酸或堿化學(xué)溶解，且化學(xué)和熱力學(xué)性能穩(wěn)定，具有大的比表面積，所以在很多領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。多孔陽(yáng)極氧化鋁（PAA)模板具有規(guī)則可控的納米多孔結(jié)構(gòu)，沉積在氧化鋁膜孔道中的納米陣列材料可通過(guò)除去外層模板的步驟而分離出來(lái)，且納米材料從氧化鋁膜中分離出來(lái)后，仍可保持高度有序的陣列分布，由此可見(jiàn)，其具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。多孔層的膜胞為六角形緊密堆積排列,每個(gè)膜胞中心有一個(gè)納米級(jí)的微孔,這些孔大小均勻,與基體表面垂直,彼此之間相互平行,可作為合成納米材料的模板。多孔陽(yáng)極氧化鋁膜具有較高的硬度和極大的比表面積，且適合制備多種陣列材料體系，適用的范圍較廣，具有一定的廣泛性。因此對(duì)納米材料、

17、磁性材料、太陽(yáng)能電池材料的制備有著重要意義。2研究現(xiàn)狀據(jù)資料顯示，影響PAA孔洞形貌尺寸的最主要因素仍然是陽(yáng)極氧化的電場(chǎng)強(qiáng)度、電解液種類和溫度。通過(guò)調(diào)整鋁與電解液界面之間的電場(chǎng)，使其呈梯度分布，就可以獲得孔徑呈梯度分布的PAA 模板；通過(guò)陽(yáng)極氧化電壓(或電流)的周期性變化，可制備出孔道直徑呈周期性調(diào)制的PAA模板。現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，上述各種特殊型納米PAA模板正是通過(guò)對(duì)這些主要影響因素的調(diào)控得到的。開展氧化鋁膜納米孔形成機(jī)理的研究，對(duì)采用氧化鋁模板法組裝納米陣列材料有極其重要的理論價(jià)值。近年來(lái)，PAA模板在納米結(jié)構(gòu)制備科學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)占有極其重要的地位并擁有廣闊的應(yīng)用前景。而這些應(yīng)用離不開對(duì)其形貌參數(shù)

18、(孔徑、孔間距、厚度)實(shí)施主觀控制。進(jìn)一步研究氧化鋁納米孔生長(zhǎng)機(jī)制，便可以控制納米孔的具體形狀，以及方便設(shè)計(jì)、組裝納米材料的陣列體系。隨著PAA模板研究的進(jìn)步，PAA模板法已發(fā)展成為納米結(jié)構(gòu)材料組裝的重要技術(shù)之一，作為模板材料，多孔陽(yáng)極氧化鋁模板為科學(xué)研究提供了一種新的思路方向。利用物理和化學(xué)的方法可在多孔陽(yáng)極氧化鋁模板的納米級(jí)微孔中沉積金屬、半導(dǎo)體、碳等多種材料,從而制備出金屬、半導(dǎo)體納米材料、碳納米管及碳納米復(fù)合材料等多種納米功能材料,這些材料在許多方面都有很大的應(yīng)用潛力。人們通過(guò)改變鋁陽(yáng)極氧化條件制備出了多種特殊型納米 PAA 模板，并利用這些模板結(jié)合物理或化學(xué)方法成功地合成了多種新型納

19、米功能材料。包括合成金屬納米線 1-2、催化 3-4、傳感5-6、過(guò)濾和仿生7等。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在這方面的工作開展得較早,如日本和美國(guó)早在20世紀(jì)80年代后期就開始了研究,現(xiàn)在在磁性納米材料方面已經(jīng)開發(fā)出了一些專利。然而目前并沒(méi)有統(tǒng)一的機(jī)理來(lái)完關(guān)解釋納米多孔現(xiàn)象，對(duì)于多孔陽(yáng)極氧化鋁的研究也并不完善。這需要進(jìn)一步優(yōu)化其制備工序，探索更廉價(jià)更快速制備模板的方法;探究多孔陽(yáng)極氧化鋁模板形成的物理、化學(xué)本質(zhì)；進(jìn)一步精確調(diào)控模板的各項(xiàng)參數(shù)。迄今為止，PAA膜納米孔洞的生長(zhǎng)機(jī)理仍未完全弄清楚，還沒(méi)有一種理論能解釋所有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。納米材料結(jié)構(gòu)特殊,具有很多新異的特性和功能,是目前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)

20、外研究者主要利用孔道結(jié)構(gòu)均勻規(guī)整的常規(guī)PAA模板，制備各種孔徑均一的一維納米材料。將由氧化鋁模板合成法制得的超微束狀電極進(jìn)行化學(xué)修飾,便可制得功能化的超微電極束,這種電極既保持了超微電極束的特性,又具有化學(xué)修飾電極的功能與效應(yīng),在生命科學(xué)和分析科學(xué)的研究領(lǐng)域中這種電極必將發(fā)揮其獨(dú)特的作用。但是，隨著各種納米功能材料的出現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快，如何高效、廉價(jià)地制備各種具有特殊形貌結(jié)構(gòu)的納米功能材料就成為納米材料研究領(lǐng)域的重要目標(biāo)。隨著研究的不斷發(fā)展，PAA模板的調(diào)控和制備技術(shù)將會(huì)有更新的突破，將出現(xiàn)更多特殊型納米PAA模板。這不僅從不同側(cè)面為PAA膜的生長(zhǎng)機(jī)理提供了研究線索，還為各種特殊形態(tài)的納米

21、材料的制備提供了基礎(chǔ)，反過(guò)來(lái)生長(zhǎng)機(jī)理的研究又會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)特殊型納米PAA模板的制備研究。我們應(yīng)該充分利用納米材料的特性,注意將其與其它一些學(xué)科相結(jié)合,這樣一來(lái)納米材料的應(yīng)用前景會(huì)更為廣闊。我國(guó)應(yīng)加快陽(yáng)極氧化鋁模板的商品化步伐,大力促進(jìn)我國(guó)納米科技的發(fā)展?？傊?，新型PAA模板必將在光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等納米結(jié)構(gòu)功能材料和器件中顯示出巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的應(yīng)用前景，在材料科學(xué)領(lǐng)域中呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。三、混沌及其應(yīng)用混沌,是非線性行為的理論學(xué)說(shuō)。混沌提供了一種了解很多生物現(xiàn)象的新工具1,2,隨著各種成功的非線性動(dòng)力學(xué)概念和技術(shù)被用于人體生理過(guò)程中的非線性行為,使人們已能更好地理解復(fù)雜的心律失常、浦肯

22、野氏纖維傳導(dǎo)、房室傳導(dǎo)類型等等3,4。講到混沌就離不開分形,本文將就混沌與分形概念、兩者在心臟病學(xué)中的應(yīng)用,以及常用的非線性動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行綜述?；煦绲奶攸c(diǎn)如下：(1)混沌是確定性和隨機(jī)性兩者的結(jié)合。在牛頓物理學(xué)中,如果知道了方程(例如拋物線)和初始狀態(tài)(例如X和K),就可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)行為。不象牛頓物理學(xué),混沌行為永不準(zhǔn)確重復(fù)自己,沒(méi)有可辨別的周期使它在規(guī)則的間隔返回。(2)混沌系統(tǒng)表現(xiàn)為敏感地依賴初始狀態(tài)。這句話的意思是非常小的初始狀態(tài)的差別將導(dǎo)致巨大的結(jié)果差別。(3)混沌行為被約束在比較窄的范圍內(nèi)。雖然表現(xiàn)為隨機(jī)的,系統(tǒng)行為實(shí)際是有界限的,而非無(wú)界限的漫游。(4)混沌行為有確定的形式?；煦?/p>

23、行為不但是受約束的,而且有特定的行為模式5。2.2分形分形是以幾何學(xué)的觀點(diǎn)去觀察一些看起來(lái)毫無(wú)規(guī)律的圖形,如云團(tuán)、海岸線、血管結(jié)構(gòu)等。分形的突出特點(diǎn)是分?jǐn)?shù)維和自相似。所謂分?jǐn)?shù)維是指維數(shù)在日常所見(jiàn)的一維、二維、三維之間,其值不是一個(gè)整數(shù)。如一個(gè)正方形是二維,一本雜志是三維;但我們無(wú)法斷定人體的血管組織其整個(gè)組織到底是處于一維、二維、還是三維空間,因?yàn)闊o(wú)法在長(zhǎng)度、面積或體積上找到共有意義的表達(dá),也即用整數(shù)維表達(dá)血管組織沒(méi)有意義,因此整數(shù)維不能準(zhǔn)確刻劃出它的性質(zhì),但我們可用分?jǐn)?shù)維(分形維,簡(jiǎn)稱分維)的概念來(lái)定義這些形體。有關(guān)分維的內(nèi)容我們還要詳細(xì)論述。分形的另一個(gè)特征是自相似,即指某種結(jié)構(gòu)或過(guò)程的特

24、征從不同的空間尺度或時(shí)間尺度來(lái)看都是相似的,比如浦肯野氏系統(tǒng)、冠狀動(dòng)脈樹分枝等6。具有分形結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)其行為往往表現(xiàn)為混沌6。3在心臟病學(xué)中的應(yīng)用3.1用于解決心血管的形態(tài)學(xué)問(wèn)題心臟結(jié)構(gòu)在很多方面具有自相似或類分形的表現(xiàn),如可用分形網(wǎng)展示浦肯野氏系統(tǒng),可用分形分析冠狀動(dòng)脈樹分枝和局部心肌灌流的不均勻性。在老鼠身上,研究者發(fā)現(xiàn)肺動(dòng)脈高壓發(fā)展伴隨著肺動(dòng)脈樹分維值的減低16。此外,用一個(gè)具有分形傳導(dǎo)系統(tǒng)的心室模型模擬QRS復(fù)合波的發(fā)生,研究由于傳導(dǎo)系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)的改變而引起正常QRS頻率成份的改變。用這種分形網(wǎng)絡(luò)建立的心肌細(xì)胞的慢傳導(dǎo)可以導(dǎo)致晚電位或?qū)RS高頻成份的選擇性衰減7。3.2用于評(píng)價(jià)心臟自主

25、神經(jīng)功能心率變異是心臟節(jié)律變化心律不齊的新描述。人體中影響心率變異的因素非常復(fù)雜,包括腦的高級(jí)神經(jīng)活動(dòng),中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自發(fā)性節(jié)律活動(dòng),由壓力、化學(xué)感受器引導(dǎo)的心血管反射活動(dòng)等,但上述各種因素最終的效果是對(duì)心交感、迷走神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。臨床上心率變異分析主要用于評(píng)估心自主神經(jīng)功能。由于心臟節(jié)律變化除有周期性外還具有非線性變化的特點(diǎn),即各種生理因素使心率的總變化不是各因素作用的簡(jiǎn)單疊加,故用非線性分析技術(shù)可以分析心率非線性變化的特點(diǎn)8。Osaka采用相關(guān)維(分維的一種)分析研究了心得安、阿托品、體位變化對(duì)自主神經(jīng)系統(tǒng)的影響,他發(fā)現(xiàn)抑制交感神經(jīng)系統(tǒng)活性可以增加相關(guān)維,而抑制副交感神經(jīng)系統(tǒng)活性可以降低

26、相關(guān)維,從而提出用心率變異的相關(guān)維作為人類自主神經(jīng)功能的新指標(biāo)9。用相關(guān)維預(yù)測(cè)室顫可以說(shuō)是一個(gè)很好的例子。各種研究顯示急性心梗后心率變異的減低與室顫的危險(xiǎn)度增加有關(guān)。相關(guān)維反映了心率穩(wěn)定狀態(tài),高維暗示系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu),并可以指示正常的心率自主控制。用逐點(diǎn)相關(guān)維數(shù)對(duì)人和動(dòng)物進(jìn)行的研究顯示,在冠狀動(dòng)脈結(jié)扎昏迷的5頭豬身上,室顫前幾分鐘相關(guān)維由2.500.81下降至1.070.18。用Holter系統(tǒng)對(duì)曾患過(guò)室顫患者、正常人及無(wú)室顫的室性心動(dòng)過(guò)速研究表明,室顫患者均為低維1.3,室顫前幾分鐘相關(guān)維降至一穩(wěn)定范圍0.81.3,因此心率的低混沌維預(yù)示著室顫的危險(xiǎn)10。當(dāng)前用于心率變異研究的非線性方法除了上

27、邊提到的相關(guān)維,常用的還有散點(diǎn)圖、Lyapunov指數(shù)等等11。3.3對(duì)于室性期前收縮的研究用分形幾何學(xué)還可以研究心臟節(jié)律。一種簡(jiǎn)單的方法是將幾何形體的一致或均勻性作為對(duì)系統(tǒng)的評(píng)價(jià),時(shí)間軸按類推作為一個(gè)共同的坐標(biāo)。Stein等將患者的室性期前收縮(用自動(dòng)心電圖儀記錄)在時(shí)間上的分布用這種特殊的分形表示thefractaldust,從而測(cè)定維數(shù)D,D可將患者的室性異搏均勻性或成簇性數(shù)量化。通過(guò)嚴(yán)重充血性心力衰竭的研究結(jié)果顯示,維數(shù)D具有預(yù)測(cè)的重要性。當(dāng)患者具有成簇異搏時(shí)(維數(shù)近零,交感神經(jīng)張力呈短暫的增高),其死亡率高于均勻分布異搏的患者(維數(shù)近1)11,12,相似的分析方法可以用于所有心臟節(jié)律

28、。3.4生理系統(tǒng)復(fù)雜性的反映傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)知識(shí)認(rèn)為,疾病和衰老都是起源于對(duì)一種在正常情況下是有序的、類似于機(jī)器的系統(tǒng)的壓力,這種壓力擾亂了人體的正常周期節(jié)律?？墒菍?duì)心臟竇性節(jié)律的研究發(fā)現(xiàn),正常人即使在靜息狀態(tài)下,RR間隔仍表現(xiàn)出很大程度的變化,呈現(xiàn)出混沌狀態(tài),這種混沌主要是由自主神經(jīng)系統(tǒng)控制的。疾病狀態(tài)時(shí)RR間隔趨于整齊即復(fù)雜性減小了;同樣,隨著年齡的增加,這種復(fù)雜性亦同樣減小。Kaplan等用混沌論觀察了健康老人的心率和血壓的復(fù)雜性,發(fā)現(xiàn)相對(duì)于年輕人減小,因此與一般直覺(jué)相反,當(dāng)心臟處于年青和健康時(shí)期時(shí),它們表現(xiàn)出不規(guī)則性和不可預(yù)見(jiàn)性,而日益增強(qiáng)的規(guī)則行為往往伴隨著衰老和疾病,預(yù)示著系統(tǒng)復(fù)雜性的減小

29、13。3.5用于控制心律失常一些研究發(fā)現(xiàn),某些心律失常是呈混沌的,這一點(diǎn)十分重要,因?yàn)樗赡墚a(chǎn)生新的治療措施。我們知道,對(duì)初始條件的極度敏感使混沌系統(tǒng)顯示出了不穩(wěn)定和不可預(yù)測(cè),然而相同的敏感又使它們對(duì)控制極度敏感。最近一項(xiàng)新的對(duì)策出現(xiàn)了,它試圖應(yīng)用混沌本身控制混沌系統(tǒng)。Grafinkel等通過(guò)在兔子心臟標(biāo)本動(dòng)脈灌注液中加G毒毛旋花苷和腎上腺等誘導(dǎo)心律失常。G毒毛旋花苷和腎上腺素誘導(dǎo)的自發(fā)跳動(dòng)起初有恒定的心跳間隔,然后發(fā)展成為雙倍和多倍周期狀態(tài),顯示了混沌系統(tǒng)的特性。接下來(lái)通過(guò)埋藏在標(biāo)本中的白金電極,由計(jì)算機(jī)控制,通過(guò)用混沌論決定的在不規(guī)則時(shí)間里對(duì)心臟電刺激,結(jié)果異常的節(jié)律變成了竇節(jié)律。許多臨床

30、上重要的快速型心律失常如房顫、多形態(tài)室性心動(dòng)過(guò)速、多源性房性心動(dòng)過(guò)速、室顫是非周期性的,未來(lái)的混沌控制策略可以通過(guò)一個(gè)靈巧的起搏器完成,它能恢復(fù)心臟節(jié)律使其達(dá)到正常14。4非線性行為分析方法目前常用的非線性行為分析方法有相平面圖、回歸圖、Lyapunov指數(shù)、分形維5,6。4.1相平面圖相平面圖(Phaseplaneplots)是動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)行為在狀態(tài)空間的代表,它的典型圖形形式是以信號(hào)的位置記于X軸,對(duì)應(yīng)于信號(hào)速度記于Y軸,每一個(gè)循環(huán)周期稱為軌線,代表著系統(tǒng)在給定時(shí)間周期的行為。二維相平面圖是最常用的。周期信號(hào)的相平面圖每個(gè)周期都有相同的軌線,即軌線重疊;隨機(jī)信號(hào)軌線無(wú)結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)非確定模式?；?/p>

31、沌信號(hào)的相平面圖雖然沒(méi)有周期軌線,但確呈現(xiàn)出確定的模式,軌線限定在一狹窄的范圍內(nèi),呈帶狀,類似土星的環(huán),代表著鄰近不重復(fù)軌線組。相平面圖最大的缺點(diǎn)是它對(duì)噪音的敏感,因此記錄系統(tǒng)和數(shù)據(jù)必須盡可能的無(wú)噪音。4.2回歸圖回歸圖(Returnmap)類似相平面圖,但分析的數(shù)據(jù)必須是離散的;如果不是,必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。典型的回歸圖代表了一時(shí)間系列中給定點(diǎn)(描于X)和其次點(diǎn)(描于Y)之間關(guān)系,兩個(gè)點(diǎn)在時(shí)間上的差異稱為延遲,延遲充當(dāng)了數(shù)據(jù)中噪音的平滑機(jī)制,使得回歸圖的噪音敏感度低于相平面圖?；貧w圖清楚地分辨混沌和隨機(jī)信號(hào)。4.3Lyapunov指數(shù)Lyapunov指數(shù)方法用于輔助狀態(tài)空間圖分析。我們知道混

32、沌系統(tǒng)表現(xiàn)為對(duì)初始條件的敏感依賴性,在狀態(tài)空間,敏感依賴表現(xiàn)在圖上為鄰近軌線從最初靠近位置大大的發(fā)散。Lyapunov指數(shù)是這個(gè)分離速度的定量測(cè)量。指數(shù)的數(shù)量大小反映了系統(tǒng)的混沌程度,指數(shù)值愈大,則系統(tǒng)愈混沌。在三維系統(tǒng),周期信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)Lyapunov指數(shù)為0,而一個(gè)混沌信號(hào)該指數(shù)為一正數(shù)。4.4分形維(Fractaldimension)前邊我們談到可用分形維(分?jǐn)?shù)維,簡(jiǎn)稱分維)的概念來(lái)定義一些復(fù)雜形體,這里分形維不只是一個(gè)空間的抽象,更是一個(gè)有意義的定量。分形維可以定義為一個(gè)形體填充其所在空間的趨勢(shì)。例如,一條線可分成兩條邊長(zhǎng)為1/2的、三條邊長(zhǎng)為1/3的、四條邊長(zhǎng)為1/4的線。所以,對(duì)

33、比較小的線而言,一條線的容量可表示為邊長(zhǎng)標(biāo)量的一次冪;同樣一個(gè)正方形的容量可表示為邊長(zhǎng)標(biāo)量的2次冪。如果我們用r表示邊長(zhǎng),在給定r情況下的容量為N(r),N(r)同(l/r)成比例,D定義為當(dāng)r趨于零時(shí),N(r)/(l/r)的極限,即D=limLog(N/(r)/Log(l/r)。分形維的計(jì)算很技巧,有關(guān)內(nèi)容可以查閱文獻(xiàn)。四、磁場(chǎng)在生活和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用微波通信（Microwave Communication），是使用波長(zhǎng)在1毫米至1米之間的電磁波微波進(jìn)行的通信。該波長(zhǎng)段電磁波所對(duì)應(yīng)的頻率范圍是300 MHz（0.3 GHz）300 GHz。與同軸電纜通信、光纖通信和衛(wèi)星通信等現(xiàn)代通信網(wǎng)傳輸方

34、式不同的是，微波通信是直接使用微波作為介質(zhì)進(jìn)行的通信，不需要固體介質(zhì)，當(dāng)兩點(diǎn)間直線距離內(nèi)無(wú)障礙時(shí)就可以使用微波傳送。利用微波進(jìn)行通信具有容量大、質(zhì)量好并可傳至很遠(yuǎn)的距離，因此是國(guó)家通信網(wǎng)的一種重要通信手段，也普遍適用于各種專用通信網(wǎng)。微波通信使用波長(zhǎng)為1m至0.1mm（頻率為0.3GHz3THz）的電磁波進(jìn)行的通信。包括地面微波接力通信、對(duì)流層散射通信、衛(wèi)星通信、空間通信及工作于微波波段的移動(dòng)通信。微波通信具有可用頻帶寬、通信容量大、傳輸損傷小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)或廣播等通信方式。中國(guó)微波通信廣泛應(yīng)用L、S、C、X諸頻段，K頻段的應(yīng)用尚在開發(fā)之中。由于微波的頻率極高，

35、波長(zhǎng)又很短，其在空中的傳播特性與光波相近，也就是直線前進(jìn)，遇到阻擋就被反射或被阻斷，因此微波通信的主要方式是視距通信，超過(guò)視距以后需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)。一般說(shuō)來(lái)，由于地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，每隔50公里左右，就需要設(shè)置中繼站，將電波放大轉(zhuǎn)發(fā)而延伸。這種通信方式，也稱為微波中繼通信或稱微波接力通信。長(zhǎng)距離微波通信干線可以經(jīng)過(guò)幾十次中繼而傳至數(shù)千公里仍可保持很高的通信質(zhì)量。微波的發(fā)展是與無(wú)線通信的發(fā)展是分不開的。1901年馬克尼使用800KHz中波信號(hào)進(jìn)行了從英國(guó)到北美紐芬蘭的世界上第一次橫跨大西洋的無(wú)線電波的通信試驗(yàn)，開創(chuàng)了人類無(wú)線通信的新紀(jì)元。無(wú)線通信初期，人們使用長(zhǎng)波及中波來(lái)通信。20世紀(jì)

36、20年代初人們發(fā)現(xiàn)了短波通信，直到20世紀(jì)60年代衛(wèi)星通信的興起，它一直是國(guó)際遠(yuǎn)距離通信的主要手段，并且對(duì)目前的應(yīng)急和軍事通信仍然很重要。用于空間傳輸?shù)碾姴ㄊ且环N電磁波，其傳播的速度等于光速。無(wú)線電波可以按照頻率或波長(zhǎng)來(lái)分類和命名。我們把頻率高于300MHz的電磁波稱為微波。由于各波段的傳播特性各異，因此，可以用于不同的通信系統(tǒng)。例如，中波主要沿地面?zhèn)鞑?，繞射能力強(qiáng)，適用于廣播和海上通信。而短波具有較強(qiáng)的電離層反射能力，適用于環(huán)球通信。超短波和微波的繞射能力較差，可作為視距或超視距中繼通信。1931年在英國(guó)多佛與法國(guó)加萊之間建起世界上第一條微波通信電路。第二次世界大戰(zhàn)后，微波接力通信得到迅速發(fā)

37、展。1955年對(duì)流層散射通信在北美試驗(yàn)成功。20世紀(jì)50年代開始進(jìn)行衛(wèi)星通信試驗(yàn)，60年代中期投入使用。由于微波波段頻率資源極為豐富，而微波波段以下的頻譜十分擁擠，為此移動(dòng)通信等也向微波波段發(fā)展。此外數(shù)字技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)了微波通信逐步從模擬微波通信向數(shù)字微波通信過(guò)渡。微波通信是二十世紀(jì)50年代的產(chǎn)物。由于其通信的容量大而投資費(fèi)用?。s占電纜投資的五分之一），建設(shè)速度快，抗災(zāi)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而取得迅速的發(fā)展。20世紀(jì)40年代到50年代產(chǎn)生了傳輸頻帶較寬，性能較穩(wěn)定的微波通信，成為長(zhǎng)距離大容量地面干線無(wú)線傳輸?shù)闹饕侄?，模擬調(diào)頻傳輸容量高達(dá)2700路，也可同時(shí)傳輸高質(zhì)量的彩色電視，而后逐

38、步進(jìn)入中容量乃至大容量數(shù)字微波傳輸。80年代中期以來(lái)，隨著頻率選擇性色散衰落對(duì)數(shù)字微波傳輸中斷影響的發(fā)現(xiàn)以及一系列自適應(yīng)衰落對(duì)抗技術(shù)與高狀態(tài)調(diào)制與檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)字微波傳輸產(chǎn)生了一個(gè)革命性的變化。特別應(yīng)該指出的是80年代至90年代發(fā)展起來(lái)的一整套高速多狀態(tài)的自適應(yīng)編碼調(diào)制解調(diào)技術(shù)與信號(hào)處理及信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)現(xiàn)今的衛(wèi)星通信，移動(dòng)通信，全數(shù)字HDTV傳輸，通用高速有線/無(wú)線的接入，乃至高質(zhì)量的磁性記錄等諸多領(lǐng)域的信號(hào)設(shè)計(jì)和信號(hào)的處理應(yīng)用，起到了重要的作用。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的微波中繼通信在長(zhǎng)途通信網(wǎng)中所占的比例高達(dá)50%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)美國(guó)為66%，日本為50%，法國(guó)為54%。我國(guó)自1956年

39、從東德引進(jìn)第一套微波通信設(shè)備以來(lái)，經(jīng)過(guò)仿制和自發(fā)研制過(guò)程，已經(jīng)取得了很大的成就，在1976年的唐山大地震中，在京津之間的同軸電纜全部斷裂的情況下，六個(gè)微波通道全部安然無(wú)恙。九十年代的長(zhǎng)江中下游的特大洪災(zāi)中，微波通信又一次顯示了它的巨大威力。在當(dāng)今世界的通信革命中，微波通信仍是最有發(fā)展前景的通信手段之一。1微波站的設(shè)備包括天線、收發(fā)信機(jī)、調(diào)制器、多路復(fù)用設(shè)備以及電源設(shè)備、自動(dòng)控制設(shè)備等。為了把電波聚集起來(lái)成為波束,送至遠(yuǎn)方，一般都采用拋物面天線，其聚焦作用可大大增加傳送距離。拋物面天線是一種將在電磁波譜上的超高頻/特高頻用于無(wú)線電、電視、數(shù)據(jù)通訊的高增益反射天線，也常被用來(lái)做無(wú)線電定位（雷達(dá)）。

40、多個(gè)收發(fā)信機(jī)可以共同使用一個(gè)天線而互不干擾，中國(guó)現(xiàn)用微波系統(tǒng)在同一頻段同一方向可以有六收六發(fā)同時(shí)工作，也可以八收八發(fā)同時(shí)工作以增加微波電路的總體容量。多路復(fù)用設(shè)備有模擬和數(shù)字之分。模擬微波系統(tǒng)每個(gè)收發(fā)信機(jī)可以工作于60路、960路、1800路或2700路通信，可用于不同容量等級(jí)的微波電路。數(shù)字微波系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字復(fù)用設(shè)備以30路電話按時(shí)分復(fù)用原理組成一次群，進(jìn)而可組成二次群120路、三次群480路、四次群1920路,并經(jīng)過(guò)數(shù)字調(diào)制器調(diào)制于發(fā)射機(jī)上，在接收端經(jīng)數(shù)字解調(diào)器還原成多路電話。最新的微波通信設(shè)備,其數(shù)字系列標(biāo)準(zhǔn)與光纖通信的同步數(shù)字系列（SDH）完全一致，稱為SDH微波。這種微波設(shè)備在一條電路

41、上，八個(gè)束波可以同時(shí)傳送三萬(wàn)多路數(shù)字電話電路（2.4Gbit/s）。微波通信系統(tǒng)由發(fā)信機(jī)、收信機(jī)、天饋線系統(tǒng)、多路復(fù)用設(shè)備、及用戶終端設(shè)備等組成，如圖2所示。其中，發(fā)信機(jī)由調(diào)制器、上變頻器、高功率放大器組成，收信機(jī)由低噪聲放大器、下變頻器，解調(diào)器組成；天饋線系統(tǒng)由饋線、雙工器及天線組成。用戶終端設(shè)備把各種信息變換成電信號(hào)。多路復(fù)用設(shè)備則把多個(gè)用戶的電信號(hào)構(gòu)成共享一個(gè)傳輸信道的基帶信號(hào)。在發(fā)信機(jī)中調(diào)制器把基帶信號(hào)調(diào)制到中頻再經(jīng)上變頻變至射頻，也可直接調(diào)制到射頻。在模擬微波通信系統(tǒng)中，常用的調(diào)制方式是調(diào)頻；在數(shù)字微波通信系統(tǒng)中，常用多相數(shù)字調(diào)相方式，大容量數(shù)字微波則采用有效利用頻譜的多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制

42、及組合調(diào)制等調(diào)制方式。發(fā)信機(jī)中的高功率放大器用于把發(fā)送的射頻信號(hào)提高到足夠的電平，以滿足經(jīng)信道傳輸后的接收?qǐng)鰪?qiáng)。收信機(jī)中的低噪聲放大器用于提高收信機(jī)的靈敏度；下變頻器用于中頻信號(hào)與微波信號(hào)之間的變換以實(shí)現(xiàn)固定中頻的高增益穩(wěn)定放大；解調(diào)器的功能是進(jìn)行調(diào)制的逆變換。微波通信天線一般為強(qiáng)方向性、高效率、高增益的反射面天線，常用的有拋物面天線、卡塞格倫天線等，饋線主要采用波導(dǎo)或同軸電纜。在地面接力和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，還需以中繼站或衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器等作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置。微波傳播特點(diǎn)微波通信中電波所涉及的媒質(zhì)有地球表面、地球大氣（對(duì)流層、電離層和地磁場(chǎng)等）及星際空間等。按媒質(zhì)分布對(duì)傳播的作用可分為：連續(xù)的（均勻的或

43、不均勻的）介質(zhì)體，如對(duì)流層，電離層等，及離散的散射體，如雨滴、冰雷、飛機(jī)及其它飛行物等。微波通信中的電波傳播，可分為視距傳播及超視距傳播兩大類。視距傳播時(shí)，發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)雙方都在無(wú)線電視線范圍內(nèi)，利用視距傳播的有地面微波接力通信、衛(wèi)星通信、空間通信及微波移動(dòng)通信。其特點(diǎn)是信號(hào)沿直線或視線路徑傳播，信號(hào)的傳播受自由空間的衰耗和媒質(zhì)信道參數(shù)的影響。如地-地傳播的影響包括地面、地物對(duì)電波的繞射、反射和折射、特別是近地對(duì)流層對(duì)電波的折射、吸收和散射；大氣層中水氣、凝結(jié)體和懸浮物對(duì)電波的吸收和散射。它們會(huì)引起信號(hào)幅度的衰落，多徑時(shí)延，傳波角的起伏和去極化（即交叉極化率的降低）等效應(yīng)。在地-空和空-空視距

44、傳播中，主要考慮大氣和大氣層中沉降物的影響，而地面、地物和近地對(duì)流層對(duì)地-空、空-空傳播的影響則比對(duì)地面視距傳播的影響小，有時(shí)可以忽略不計(jì)。對(duì)流層超視距前向散射傳播是利用對(duì)流層近地折射率梯度及介質(zhì)的隨機(jī)不連續(xù)性對(duì)入射無(wú)線電波的再輻射將部分無(wú)線電波前向散射到超視距接收點(diǎn)的一種傳播方式。前向散射衰耗很大，且衰落深度遠(yuǎn)大于地面視距微波通信，從而使可用頻帶受到限制，但站距則可遠(yuǎn)大于地面視距通信。分類根據(jù)通信方式和確定信道主要性質(zhì)的傳輸媒質(zhì)的不同，微波通信可分為大氣層視距地面微波通信、對(duì)流層超視距散射通信、穿過(guò)電離層和外層自由空間的衛(wèi)星通信，以及主要在自由空間中傳播的空間通信。按基帶信號(hào)形式的不同，微波

45、通信可分為主要用于傳輸多路載波電話、載波電報(bào)、電視節(jié)目等的模擬微波通信，以及主要用于傳輸多路數(shù)字電話、高速數(shù)據(jù)、數(shù)字電視、電視會(huì)議和其它新型電信業(yè)務(wù)的數(shù)字微波通信。7.1 微波接力通信利用微波視距傳播以接力站的接力方式離微波通信，也稱微波中繼通信。微波接力系統(tǒng)由兩端的終端站及中間的若干接力站組成，為地面視距點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。各站收發(fā)設(shè)備均衡配置，站距約50km，天線直徑1.54m，半功率角35，發(fā)射機(jī)功率110W，接收機(jī)噪聲系數(shù)310dB（相當(dāng)噪聲溫度290261K），必要時(shí)二重分集接收。模擬調(diào)頻微波容量可達(dá)18002700路，數(shù)字多進(jìn)制正交調(diào)幅微波容量可達(dá)144Mbit/s。設(shè)備投資和施工費(fèi)用較少

46、，維護(hù)方便；工程施工與設(shè)備安裝周期較短，利用車載式微波站，可迅速搶修溝通電路。7.2 對(duì)流層散射通信利用對(duì)流層中媒質(zhì)的不均勻體的不連續(xù)界面對(duì)微波的散射作用實(shí)現(xiàn)的超視距無(wú)線通信。常用頻段為0.25GHz，為地面超視距點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信?？缇鄶?shù)百公里，大型廣告牌（拋物面）天線等效直徑可達(dá)3035m，射束半功率角12，有孔徑介質(zhì)耦合損耗，發(fā)射機(jī)功率550kW，四重分集接收，容量數(shù)十話路至百余話路。對(duì)流層散射通信一般不受太陽(yáng)活動(dòng)及核爆炸的影響，可在山區(qū)、丘陵、沙漠、沼澤、海灣島嶼等地域建立通信電路。7.3 衛(wèi)星通信地球站之間利用人造地球衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的無(wú)線電通信，為地一空視距多址通信系統(tǒng)，衛(wèi)星中繼站受

47、能源和散熱條件的限制，故地-空設(shè)備偏重配置。同步衛(wèi)星系統(tǒng)，空間段單程大于3.6萬(wàn)公里，地面站天線直徑1532m，增益60dB，射束半功率角0.11，需要自動(dòng)跟蹤，發(fā)射機(jī)功率0.55kW。衛(wèi)星中繼站，下行全球波束用喇叭天線，點(diǎn)波束用拋物面天線，可借助波束分隔進(jìn)行頻率再用。轉(zhuǎn)發(fā)器功率數(shù)十瓦，帶寬一般為36MHz，容量500010000話路。衛(wèi)星通信覆蓋面廣，時(shí)延長(zhǎng)，信號(hào)易被截獲、竊聽(tīng)、甚至干擾。一種容量較小的可適用于稀路由的甚小天線地球站（VSAT）適用于數(shù)據(jù)通信。7.4 空間通信利用微波在星體（包括人造衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器）之間進(jìn)行的通信。它包括地球站與航天器、航天器與航天器之間的通信、以及地

48、球站之間通過(guò)衛(wèi)星間轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信。地球站與航天器之間的通信分近空通信與深空通信。在深空通信時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)從髙噪聲背景中提取微弱信號(hào)，需采用特種編碼和調(diào)制、相干接收和頻帶壓縮等技術(shù)。7.5 微波移動(dòng)通信通信雙方或一方處于運(yùn)動(dòng)中的微波通信，分陸上、海上及航空三類移動(dòng)通信。陸上移動(dòng)通信多使用150，450或900MHz的頻段，并正向更高頻段發(fā)展。海上、航空及陸上移動(dòng)通信均可使用衛(wèi)星通信。海事衛(wèi)星可提供此種移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。低地球軌道（LEO）的輕衛(wèi)星將廣泛用于移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。通信方式地面上的遠(yuǎn)距離微波通信通常采用中繼（接力）方式進(jìn)行，原因如下：微波波長(zhǎng)短，具有視距傳播特性。而地球表面是個(gè)曲面，電磁波長(zhǎng)距離傳

49、輸時(shí)，會(huì)受到地面的阻擋。為了延長(zhǎng)通信距離，需要在兩地之間設(shè)立若干中繼站，進(jìn)行電磁波轉(zhuǎn)接。微波傳播有損耗，隨著通信距離的增加信號(hào)衰減，有必要采用中繼方式對(duì)信號(hào)逐段接收、放大后發(fā)送給下一段，延長(zhǎng)通信距離。業(yè)務(wù)種類微波通信由于其頻帶寬、容量大、可以用于各種電信業(yè)務(wù)的傳送,如電話、電報(bào)、數(shù)據(jù)、傳真以及彩色電視等均可通過(guò)微波電路傳輸?？顾ヂ浼夹g(shù)微波傳輸也會(huì)受到很多外界因素的干擾而衰落。從衰落的物理因素來(lái)看，可以分成以下幾種類型：吸收衰落：大氣中的氧分子和水分子能從電磁波吸收能量，導(dǎo)致微波在傳播的過(guò)程中的能量損耗而產(chǎn)生衰耗。頻率越高，站距越長(zhǎng)，衰落越嚴(yán)重。雨霧引起的散射衰落：雨霧中的大小水滴能夠散射電磁波

50、的能量，因而造成電磁波的能量損失而產(chǎn)生衰落。雨霧天氣時(shí)，對(duì)高頻微波影響大。K型衰落：多徑傳輸產(chǎn)生的干涉型衰落。由于這種衰落與大氣的折射參數(shù)K值的變化而變化的，故稱為K型衰落。這種衰落在水面、湖泊、平滑的地面時(shí)顯得特別嚴(yán)重。波導(dǎo)型衰落：由于氣象的影響，大氣層中會(huì)形成不均勻的大氣波導(dǎo)。微波射線通過(guò)大氣波導(dǎo)，則接收點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度包含了“波導(dǎo)層”以外的反射波，形成嚴(yán)重的干擾型衰落，造成通信的中斷。閃爍衰落：對(duì)流層中的大氣常發(fā)生大氣湍流，大氣湍流形成的不均勻的塊式層狀物使介電系數(shù)與周圍的不同。當(dāng)微波射線射到不均勻的塊式層狀物上來(lái)時(shí)，將使電波向周圍輻射，形成對(duì)流層散射。此時(shí)接收點(diǎn)也可以接收到多徑傳來(lái)的這種散

51、射波，形成快衰落。由于這種衰落是由于多徑產(chǎn)生的，因此稱之為閃爍衰落。對(duì)抗這些衰落的技術(shù)有自適應(yīng)均衡、自動(dòng)發(fā)信功率控制（ATPC）、前向糾錯(cuò)（FEC）和分集接收技術(shù)等。主要特點(diǎn)微波通信具有良好的抗災(zāi)性能，對(duì)水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)以及地震等自然災(zāi)害，微波通信一般都不受影響。但微波經(jīng)空中傳送，易受干擾，在同一微波電路上不能使用相同頻率于同一方向，因此微波電路必須在無(wú)線電管理部門的嚴(yán)格管理之下進(jìn)行建設(shè)。此外由于微波直線傳播的特性，在電波波束方向上，不能有高樓阻擋,因此城市規(guī)劃部門要考慮城市空間微波通道的規(guī)劃，使之不受高樓的阻隔而影響通信。發(fā)展概況中國(guó)開發(fā)成功點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波通信系統(tǒng)，其中心站采用全向天線向四周發(fā)射，在

52、周圍50公里以內(nèi)，可以有多個(gè)點(diǎn)放置用戶站，從用戶站再分出多路電話分別接至各用戶使用。其總體容量有100線、500線和1000線等不同的容量的設(shè)備，每個(gè)用戶站可以分配十幾或數(shù)十個(gè)電話用戶，在必要時(shí)還可通過(guò)中繼站延伸至數(shù)百公里外的用戶使用。這種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波通信系統(tǒng)對(duì)于城市郊區(qū)、縣城至農(nóng)村村鎮(zhèn)或沿海島嶼的用戶、對(duì)分散的居民點(diǎn)也十分合用，較為經(jīng)濟(jì)。微波通信還有“對(duì)流層散射通信”、“流星余跡通信”等，是利用高層大氣的不均勻性或流星的余跡對(duì)電波的散射作用而達(dá)到超過(guò)視距的通信，這些系統(tǒng)，在中國(guó)應(yīng)用較少。特征微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于

53、水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類東西，則會(huì)反射微波。一、穿透性微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長(zhǎng)長(zhǎng)。微波透入介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時(shí)加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時(shí)間，且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系時(shí)，物料內(nèi)外加熱均勻一致。二、選擇性加熱物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來(lái)決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對(duì)微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。物質(zhì)不同，產(chǎn)生的熱效果也不同。水分子屬極性

54、分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對(duì)微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對(duì)較小，其對(duì)微波的吸收能力比水小得多。因此，對(duì)于食品來(lái)說(shuō)，含水量的多少對(duì)微波加熱效果影響很大。三、熱慣性小微波對(duì)介質(zhì)材料是瞬時(shí)加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率隨時(shí)可調(diào)，介質(zhì)溫升可無(wú)惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動(dòng)控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。原理1、微波同光波一樣，是直線傳播的，要求兩個(gè)通信地點(diǎn)（兩個(gè)微波站）之間沒(méi)有阻擋，信號(hào)才能傳到對(duì)方，即所謂的視距傳播。在微波的頻段使用方面，各國(guó)的微波設(shè)備往往首先使用4GHz頻段。目前各國(guó)的通信設(shè)備已使用到2、4、5、6、7、8、11、

55、15、20GHz等各頻段。我國(guó)的數(shù)字微波通信已有2、4、6、7、8、11GHz各頻段的設(shè)備。頻率低，其電波傳播較穩(wěn)定，但其設(shè)備及元器件的尺寸也較大，當(dāng)天線口徑一定時(shí)，微波頻率越低，天線增益也越低。對(duì)微波頻率的選取要遵照CCIR的建議和各國(guó)無(wú)線電管理委員會(huì)的規(guī)定，經(jīng)申請(qǐng)后得到批準(zhǔn)才行。2、就微波通信的性能而論，數(shù)字微波通信的特點(diǎn)可概括為微波、多路、接力六個(gè)字。3、“微波”指通信頻率是微波頻段，又包括分米波、厘米波和毫米波。微波頻段寬度是長(zhǎng)波、中波、短波及特高頻幾個(gè)頻段總和的l000倍。微波頻率不受天電干擾和工業(yè)干擾及太陽(yáng)黑子變化的影響，通信的可靠性較高。還因微波頻率高，所以其天線尺寸較小，往往做

56、成面式天線，其天線增益較高、方向性很強(qiáng)。4、“多路”指微波通信不但總的頻段寬，傳輸容量大，而且其通信設(shè)備的通頻帶也可以做得很寬。例如，一個(gè)4000MHz的設(shè)備，其通頻帶按l%估算，可達(dá)40MHz。模擬微波的960路電話總頻譜約為4MHz帶寬?？梢?jiàn)，一套微波收發(fā)信設(shè)備可傳輸?shù)脑捖窋?shù)是相當(dāng)多的。因數(shù)字信號(hào)占用帶寬較寬，所以數(shù)字微波通信設(shè)備在選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方式后，可傳輸?shù)脑捖啡萘咳匀皇窍喈?dāng)多的。5、“接力”因微波頻段的電磁波在視距范圍內(nèi)是沿直線傳播的，通信距離一般為4050km?？紤]到地球表面的彎曲，在進(jìn)行長(zhǎng)距離通信時(shí)，就必須采用接力的傳播方式，發(fā)端信號(hào)經(jīng)若干中間站多次轉(zhuǎn)發(fā)，才能到達(dá)收端。五、生活中

57、的LED及其應(yīng)用LED=LightEmittingDiode，發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。曾經(jīng)有人指出，高亮度LED將是人類繼愛(ài)迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大的發(fā)明之一。隨著國(guó)際國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，LED的應(yīng)用領(lǐng)域正不斷擴(kuò)展，可以說(shuō)在生活無(wú)處不在！首先，在照明領(lǐng)域，LED正以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)吞噬者整個(gè)領(lǐng)域。LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。比如（1）便攜燈具:手電筒、頭燈、礦工燈、潛水燈等；（2）汽車用燈:汽車內(nèi)部的儀表板、音響指示燈、開關(guān)的背光源、閱讀燈和外部的高位剎車燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車燈、尾燈、側(cè)燈以及頭燈等，大功率的LED已被大量用于汽車照明中。（3）特殊照明:太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能路燈、水底燈等；由于LED尺寸小，便于動(dòng)態(tài)的亮度和顏色控制，因此比較適合用于建筑裝飾照明。（4）背光照明:LED背光源以高效側(cè)發(fā)光的背光源最為引人注目，LED作為L(zhǎng)CD背光源應(yīng)用，具有壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、無(wú)干擾和性價(jià)