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1、無線電工程介紹無線電工程發展的歷史也就是電機、電子以及資訊工程之發展歷史。這當中包含太多研究人員之貢獻，限於篇幅以及筆者個人認知之有限，無法一一提出。無線電工程之歷史最精彩的部分在於雷達系統之發展，該時期也是電磁波理論及實務發展最為迅速之年代 ，在該時期美國國防部徵召了相當多的物理學家及優秀的工程師聚集於麻省理工學院輻射實驗室來研發雷達系統，於是有了28 本微波技術相關的系列書籍出現，這28 本書不僅僅記載了微波技術之發展，更為無線電工程之技術發展歷史留下最完整的見證。由於所有的微波被動元件幾乎完全利用金屬導波管來製作，因此其體積龐大，到了二次大戰之後的冷戰時期，彈道飛彈之蓬勃發展導致導波管逐
2、漸被”輕薄短小”之微波印刷電路（ MPC: microwave printed circuit ）所取代，逐漸走入歷史。本文將就1900 年之後電磁波發展之歷史做介紹，分別描述幾個重要時期中微波之發展概況，其中將涵蓋1900 年初期之成長期，二戰其間，二戰之後冷戰時期以及後冷戰至今應用於商用無線通訊之微波技術。無線電工程發展的歷史可以追朔至1873 年 James Clerk, Maxwell專書發表 A Treatise on Electricity and Magnetism 。該著作以當時實驗之結果配合嚴謹之數學理論來建構基本電學、磁學以及電磁感應之理論架構，奠定日後整個電磁理論之發展基
3、礎。值得一提的是在該書中Maxwell 已經明白得指出光其實是電磁波的一種呈現方式 ，此一理論之提出對於日後光學之研究，除了傳統幾何光學方法之外，更提供了以電磁理論為基礎之物理光學（physical optics ）方法。除了名聞遐邇的 James Clerk, Maxwell外，這個人的名字或許知道的人不多，然而這位先生對於微波之發展功不可沒，Lord Rayleigh 繼 James Clerk, Maxwell之後成為英國劍橋大學Cavendish 教授，這位在研究上多產的學者，其研究領域涵蓋整個古典物理學，恐怕無人能出其右（他曾獲得諾貝爾物理獎）。其研究成果包含光柵理論、聲學、發現氬
4、(Argon) ，解釋天空為何是藍色等基本之問題。1897 年，他首先以嚴格之數學理論證明電磁波可以在金屬管中傳播，以及分析導波管中圓形槽孔及金屬橢球之電磁波散射問題等。前者對於金屬波導管之研究，包含波導管截止頻率的觀察 （所謂截止頻率是指當電磁波頻率超越一個臨界值時，電磁波在金屬管中才能導通） ，奠定日後發展電磁波傳輸媒介之基礎。而後者則開啟了金屬導波管中不連續結構問題之研究（所謂的不連續結構是指結構上不均勻的部分；例如圓柱狀金屬管中置入一個小金屬球，在該金屬球附近即可視為不連續結構），電磁波在不連續結構附近會產生散射現象，激發出高階模（或許我用水管中的水柱來比喻更為恰當；想像水柱在水管中流
5、動，假使沒有障礙物時，水流必定順暢；然而當水管中放置一個小石頭時，流動之水流將受該石頭之影響而水花四濺，然而該現象將侷限於石頭附近，離開此區域，水流仍然順暢），這些高階模僅可存在於不連續結構附近，因此我們可以利用電路集總（lump）元件，例如電容或電感來作為該不連續結構之等效電路模型。此一物理觀點對於日後利用不連續結構來等效電容電感元件提供了一個很有效率的方法。1910 年，D. Hondros 及 P. Debye 發表一篇論文，首先探討電磁波在介質條上傳播之特性。此一結構可以說是光纖之雛形，其中嚴格之數學理論分析更闡述了介質波導中電磁波模的觀念，日後的光纖理論便是架構在這個基礎上所發展出來
6、。G Marconi 在 1901 年首先成功得利用無線電波作為聯絡美洲與英國之間的通訊媒介。自此之後許多物理學家開始思索無線電波越洋傳播之物理機制。其間有多種理論提出，當然錯誤的理論也不少。舉例來說，有人提出表面波是傳播之主要媒介，這裡所講的表面波就是存在於空氣與良導體面之介面的電磁波（電離層在特殊之電磁波頻段可以視為良導體） 。後來證實該表面波確實存在，然而非為主要因素。另外在電離層中的Kennelly-Heaviside layer可以用來傳導電磁波則提供了正確的思考方向 ；原來能夠越洋傳播之電磁波主要是被傳導在電離層中良導體所構成之類波導結構，電磁波在上下金屬板中來回彈跳前進，形成波導
7、管結構。後來也經由實驗驗證了該理論之假設。由於 Marconi 的成功實驗，以及他的研究心得指出長波長之電波比短波長之電波在作為無線傳輸時更有效率，此一說法使的短波長（高頻段）之電磁波發展受到相當大的冷落，且長達約莫10 年之久。其間電磁波主要使用頻段為25MHz 以下。服務於 Bell Laboratories的 George C. Southworth首先在充滿水的金屬管中饋入波長為 123-200 公分之電磁波，完成金屬波導之實驗。波導管中注入水的原因是使波導之尺寸能夠縮減大約為九分之一（水的界電常數約為80） 。起初貝爾實驗室還懷疑該實驗之可靠性以及實驗數據之正確性，因此在Southw
8、orth 想發表該研究成果時還一度遭受到高層之阻饒，後來因為獲悉麻省理工學院的Barrow 也要發表該相關之論文 ，因而得以順利發表 。從文獻上來看 ，Southworth因為先將該研究發表於1936 年四月份之貝爾技術期刊上，因此拔得頭籌。值得一提的是，該研究包含兩部分，第一部分是由Southworth 撰寫之實驗成果，第二部份則為由 J. R. Carson, S. P. Mead及 S. A. Schelkunoff 所和著之數學理論分析。諷刺的是 Southworth 在進行波導管實驗時並未研究過Rayleigh 之論文，因此在研究過程中浪費了相當多的時間在重複前人的研究。所幸Sche
9、lkunoff 曾經閱讀過該篇文章 ，因此引用了 Rayleigh 之論，同時做了相當程度之延伸工作。中國人在電磁理論的研究上也沒有缺席，第一個獲得IEEE Fellow （國際電機電子學會會士）的中國人，麻省理工學院朱蘭成教授在1938 年與 Barrow 共同發表方形金屬導波管之特性分析 ，之後朱蘭成教授又獨自發表橢圓柱狀金屬導波管之數學分析，同時考慮了從圓形導波管到橢圓柱狀導波管之轉換關係。朱教授日後對於我國高等教育之推動有極大之貢獻，奠定國內博士班教育之基礎。其實享譽國際之電磁理論學者不乏中國人，例如我們電波領域大學基礎電磁學之教科書中除了 Stratton 及朱蘭成之電磁理論（ 19
10、41 年出版）外，還有鄭鈞教授（D. K. Chang ）所著之基本電磁學，以及麻省理工學院孔金歐教授（J. A. Kong ）所著之應用電磁學等。他們大都為交大之校友，由此可見交大在電磁理論之教育上之扎實與重視。微波網路理論的精神主要是利用傳輸線方程式（利用特性阻抗、傳播常數及空間位置來描述電壓及電流的分佈函數）來量化均勻波導管中之電磁場分佈，同時利用等效電容電感等集總元件來描述波導中不連續結構之電磁場行為。H. G. Booker 發表一篇重要的文章在英國期刊IEE 上，這篇文章探討當時熟知的傳輸線方程式與電磁波傳波理論當中出現很大的壕溝，提出弭補這壕溝的重要性。此外 Booker 提到了
11、阻抗（ impedance ）的觀念。然而當時所提出之阻抗仍然侷限於介質阻抗而非波阻抗 。1938 年，S. A. Schelkunoff延伸了阻抗的觀念，將其電路上之阻抗推廣至輻射電磁場上。阻抗因此除了與介質相關外也和電磁場扯上關係。空間中之電磁場開始可以用傳輸線方程式來描述，阻抗用來描述電場與磁場之關係，阻抗也與傳波方向有關。關於波導中不連續結構部分 ，S. A. Schelkunoff 在他的傑作（電磁波：1943 年著）中已經探討了相當多波導中不連續結構問題，因此可以說是該研究領域之開山祖師。二次大戰期間，由於雷達系統之急迫需求，美國幾個重要的微波實驗室：例如哈佛、史丹佛、哥倫比亞及布
12、魯克林理工學院都投入相當多的資源來發展雷達技術。然而麻省理工學院輻射實驗室可以說是最重要的研究單位。因為美國軍方徵召相當多優秀的科學家參與雷達之發展，這個團隊包含物理學家、數學家以及電機與機械工程師等，陣容龐大。雷達之貢獻者相當多，筆者因為對波導之發展有興趣且較為瞭解，因此僅描述該段歷史之發展。當時正在布魯克林理工學院研讀博士學位的 N. Marcuvitz 也被連夜徵召至波士頓 ，開始了波導理論的進一步發展工作。 Marcuvitz 與 Julian Schwinger （戰後回歸核子物理研究領域，並與費曼同時獲得諾貝爾獎）被指派到同一個小組研究導波管及不連續結構之計算。Schwinger
13、最大的貢獻是利用積分方程式（integral integration formulation）配合變分方程式法（ variational equation ）來處理波導中不連續結構之電磁場分佈。而 Marcuvitz 則是利用其在電機工程之背景發展這些不連續結構之等效電路。最後， Marcuvitz 將各種不連續波導結構之等效電路及實驗量測結果寫成一部專書（麻省理工學院輻射實驗室之研究成果，從基本之微波理論、微波量測技術、導波管及天線系統之理論、製作與量測皆記載在28 本系列書中，十幾年前已有光碟版之問世），日後這本書成為波導研究之參考”聖經”，也就是波導手冊（waveguide handbo
14、ok ） 。戰後 Marcuvitz 回到布魯克林理工學院完成他的博士學位並獲聘為助理教授，開始了布魯克林理工學院在微波領域發展的歷史。Marcuvitz 繼 Weber（IEEE 首任總裁，後來成為布魯克林理工學院校長）之後，成為該校 M.R.I.( 微波研究所 )之主持人，致力於發展微波元件及理論。其間他提出了相當重要的觀念微波網路理論，這個方法使得波導系統中之電磁場能夠利用傳輸線方程式以及電容電感等總集元件來表示，提供一個電磁場統一理論（雖然當時美國其他學校對此方法不以為然） 。在 Marcuvitz 主持該研究所其間，該研究所成為全美研究微波之重鎮 ，同時每年主辦微波會議提供一個學術交
15、流的園地。當時有幾位優秀之研究學者至今仍然活躍於微波及天線傳播之研究領域，如A. A. Oliner, L. B. Felsen, 以及 T. Tamir 等人，可惜的是相當具研究天分的A. Hessel 已與多年前因病過世。在此期間，該研究所有幾項重大的成就，例如：波導不連續結構之分析、電磁散射及繞射理論、電磁波於電漿介質之傳波特性以及週期結構在光波導中之理論分析與應用研究。使該校在當時叱吒風雲。由於當時該校之研究成果大都沒有發表至國際期刊，僅寫成報告並收藏於該校之圖書館。因此日後很多研究其實與他們過去的研究重複。我一個目前在Polytechnic University, NY, USA （
16、布魯克林理工學院後來改名為Polytechnic University ）任教的朋友說 Macuvitz 的垃圾桶裡可以找到很多仍未發表之研究成果。他曾在一個國際會議中被一位老先生質疑他的研究在50 年前已經有人做過了，後來我朋友打聽之下才知道該位老先生竟然就是Macuvitz 。二戰時所發展的雷達系統主要是利用波導管所製成，主要是因為做為地面搜索雷達之用，然而戰爭過後地面雷達之之光彩漸被空用雷達所取代。由於冷戰時期，美蘇兩大強國武器競賽，洲際飛彈、彈道飛彈等武器系統成為研發之主流，因此雷達系統必須小到可以放置於飛彈之彈頭內，傳統之導波管無法製作得如此精緻。因此金屬導波管之發展受到很大限制。當時任職於Air Force Cambridge Research Center, USA的 R. M. Barrett 提出帶線（ strip line ）的雛形，該結構是在具均勻介質的平行板結構中插入一金屬條而形成波導結構。由於該結構具多導體、同時結構具對稱性且平行板中之介質均勻，因此在電磁波傳播時可以傳遞無截止頻率之橫向電磁波 （TEM） 波。另一方面，由 Federal T
