彭 松 村 教授 stpeng@saturn.yzu.tw 民國九十五年五月三日

1. 元智大學 通訊工程學系/通訊研究中心 電磁學：何去何從？ 彭 松 村 教授 stpeng@saturn.yzu.edu.tw 民國九十五年五月三日

2. 大 綱 引言 電機工程 電磁學回顧 無線通訊 電磁與電路 機會與挑戰 結語

3. 大 綱 引言 電機工程 電磁學回顧 無線通訊 電磁與電路 機會與挑戰 結語

4. 常見電磁相關名詞 Electromagnetics Radio Frequency Microwave Maxwell’s Equations Infrared Constitutive Relations Optics Communication Boundary Conditions Remote Sensing Reflection Scattering Radiation Diffraction Antenna Guiding Resonator Slot Waveguide Directional Coupler Coplanar Waveguide Microstrip Striplines Guiding Filter

5. 誤闖叢林的小兔 Electromagnetics Radio Frequency Microwave Maxwell’s Equations Infrared Constitutive Relations Optics Communication Boundary Conditions Remote Sensing Reflection Scattering Radiation Diffraction Antenna Guiding Resonator Slot Waveguide Directional Coupler Coplanar Waveguide Microstrip Striplines Guiding Filter

6. 研發的性質 產業 學術 理論基礎 實用價值 技術 科學 工程 • 自然探索 • 深入瞭解 • 以理論建立實用基礎 • 以實用激勵理論思維 • 一致可靠 • 生活提升 (可靠性） (認知與瞭解） (經濟價值）

7. 研發之終極目標 學術 吾道一以貫之：適用性 (Generality) 產業 創造經濟價值：針對性 (Peculiarity)

8. 研發願望與過程 • 自然探索 繼往開來 承先啟後 • 觀今而鑑古 • 無古不成今 • 生活提升 • 專利 • 文獻 • 論文 • 需求 激勵創新 動機 執行 發表 • 選題 適時，適用 • 創作 為人所未為，或所不能為

9. 成果的展現 表達能力 不管肚子裡有多少好東西，若無法展現或表達出來，誰能知道你好！ 肢體 口述 寫作 名嘴 作家 演員 三者兼而有之，則最為理想

10. 大 綱 引言 電機工程 無線通訊 電磁與電路 機會與挑戰 結語

11. 強電：電力，機電 發電機 馬達 輸電系統 電力電子 弱電：電子，信息 通訊 資訊 控制 光電 電機工程 PLC (Power Line Communication;電力線通訊)

12. 相關領域 觀念 Concepts 技巧 Skills 電機 數學 物理 算數 聲學 強電 代數 力學 幾何 熱學 微積分 電學 弱電 微分方程 磁學 向量分析 三維 光學 線性代數 多維 原子 數值分析 點、線、面、體 機率

13. 電機系統：以電磁為本 電源 傳輸 負荷 電力 發電機 傳輸線 用戶 有線 電話機 傳輸線 電話機 電信 手機 無線 大氣 基台 無線 發射機 大氣 收音機/電視 廣播 頭端 電纜 電視 有線

14. 大 綱 引言 電機工程 電磁學回顧 無線通訊 電磁與電路 機會與挑戰 結語

15. Great Experiments on Electromagnetism Corpuscular Theory of Light 60 1 Colors of Thin Film Robert Hooke (1635 – 1703) Huygens Principle Christian Huygens (1629 – 1695) Finite Velocity of Light Olaus Roemer (1644 – 1710) 70 0 Wave Concepts of Light 80 -1 90 -2 1800 -3 Interference of Light (1803), Thomas Young (1773 – 1829) 10 -4 1850 -8 Diffraction of Light (1816), Augustin Fresnel (1788 – 1827) 20 -5 60 -9 Electromagnetism (1820), Hans Christain Oersted (1777 – 1851) Electromagnetic Theory (1870), Clerk Maxwell (1831 - 1879) 30 -6 70 Electromagnetic Induction (1831), Michael Faraday (1791 - 1867) Lenz’s Law (1834), Heinrich Lenz (1804 – 1861) 40 -7 80 Electric Wave (1888), Heinrich Hertz (1857 - 1894) 1850 -8 90 Radio Wave across Atlantic Ocean (1896), Marconi (1791 - 1867) 1900 19

16. Development of Electromagnetism Rectilinear Propagation (BC - ?) Light as a form of Energy (1600) Interference Diffraction (1650) Velocity of Light (1675) Polarization (1670) Interaction of Radiation and Matter (1875) Propagation in Moving Media (1728) Tactile Theory (BC800-1000AC) Emission Theory (BC - ?) Corpuscular Theory (? - 1800) Wave Theory (1650) Quantum Theory (1900) Scalar Wave Theory (1650 - 1850) Vector Wave Theory (1675) Relativity (1905) Photon Theory (1907) Elastic Solid Theory (1800 - 1880) (Transverse Wave) Electromagnetic Theory (1880) Quantum Mechanics (1927 - )

17. Optical Spectrum Near Infrared 8000 A Infrared 7000 A Red Orange Yellow Green Blue Violet 6000 A Light Ultra-Violet 5000 A 4000 A Near Ultra- Violet 3000 A

18. RF Spectrum Long Waves km MHz Medium Waves Short Waves m Commercial Applications GHz Microwaves cm mm THz Infrared

19. Convergence of Optics and Microwaves Faraday’s Law (1831) Lenz’s Law (1834) Hertz Experiment (1888) Radio Waves Electrostatics Electromagnetics Magnetostatics Optical Waves Corpuscular Maxwell Equations (1870) and Wave Theory of Light

20. Electromagnetic Boundary-Value Problem * Maxwell‘s Equations * Constitutive Relations * Boundary Conditions

21. Maxwell‘s Equations E: Electric Field Intensity Vector D: Electric Displacement Vector H: Magnetic Field Intensity Vector B: Magnetic Flux Density Vector Two equations for four unknowns

22. Constitutive Relations - Simple Medium Linear Isotropic Medium Maxwell Equations

23. Boundary-Value Problem Piecewise Solvable sub-regions: E(i), H(i) are known, for i = 1, 2, 3, ... Conditions on the Fields across a Boundary?

24. Boundary Conditions S m1, e1 m2, e2 E1, H1 E2, H2 Tangential Components of both E and H must be continuous across a boundary Established by Stoke’s Theorem

25. 大 綱 引言 電機工程 電磁學回顧 無線通訊 電磁與電路 機會與挑戰 結語

26. 國際情勢的改變：以溝通代替對抗 國際電信自由化：科技與產業迅速發展 資訊、通訊和廣播技術的匯合 產業結構的變化：通訊科技帶動電子與資訊產業更上一層樓 經濟對資源之需求： 土地 資金 頻寬 大環境的變化

27. 電信界面臨的問題 電信與廣播之結合為必然趨勢 電波在空中傳播必須利用頻率選台 頻譜為有限自然資源，十分珍貴 如何利用科技方法有效應用頻譜 是為重要課題 無線通訊必須以電磁理論為基礎

28. Nobody loves wires! Cable Replacement • Forget Plug and Play - just Play • High data rate • Multimedia support • Interoperability • Crucial component of the wireless world!

29. Personal Ad-hoc Networks Internet: A solution for information sharing and networking Internet services everywhere Wireless: Access independent on location

30. 3G -WWAN &Wireless Multimedia World

31. 無線科技的樂園 Wireless Kingdom

32. 資訊、通訊和廣播技術的匯合 無線通訊的崛起 光電科技在通訊系統的應用 寬頻無線網際網路：電子、資訊、通訊與光電之有線與無線的大整合 電信科技發展趨勢 最近最熱門的話題：Broadband Wireless Access

33. 頻譜之重要性 f < 10 GHz：廣播與行動通訊 f ~ 30 GHz：點對點通訊 f ~ 60 GHz：寬頻區域網路通訊衛星對衛星通訊 f ~ 77 GHz：汽車防撞雷達 f ~ 94 GHz：中距離點對點通訊 頻譜為國家自然資源， 其重要性如同國土，而其價值則已遠遠超過。 ei代表大氣對電波之吸收特性

34. 大 綱 引言 電機工程 電磁學回顧 無線通訊 電磁與電路 機會與挑戰 結語

35. y = a c a y = b b y = 0 z = 0 Mode Function of Bifurcated Waveguide

36. 3-Port Network Z11 Vo

37. 電路分析法在電磁領域的應用 電磁問題的全貌 分離式電路分析法：電機工程的打狗棒(Discrete or Dumped Circuit) 一維分布式電路：傳輸線(Transmission Line: One-Dimensional Distributed Circuit) 多維傳輸線：波導(Waveguide: Multi-Dimensional Distributed Circuit)

38. Circuit Equations Time Domain Frequency Domain

39. I1 I2 V1 V2 Passive Two-Port Network Impedance Formulation Admittance Formulation Transfer-Matrix Formulation

40. Circuit Model of Transmission Line with Two Parallel Conductors z +Dz z R: Resistance per unit length L: Inductance per unit length I(z) R Dz I(z +Dz) C Dz G: Conductance per unit length L Dz V(z+Dz) V(z) G Dz C: Capacitance per unit length

41. Transmission Lines in Series 從線變成點 Input Imped. Yin k1, Y1 k2, Y2 kN, YN Yout z = 0 z = d1 z = d1+d2

42. Typical Waveguide Configuration The direction of energy transmission 1. A waveguide has an invariant cross-section along an axis, the z-axis. 2. The structure can be either open or closed and the physical properties of the cross-section can be uniform or non-uniform. zo

43. Closed Waveguides Rectangular Waveguide Circular Waveguide Metal Enclosure Metal Core Coaxial Cable

44. Open Waveguides Dielectric Strip Dielectric Strip Film Ground Plane Image Line Substrate or Ground Plane Dielectric Strip Line

45. Cross-section of Typical Waveguide Metal Strip Substrate Metal Strip Substrate Ground Plane Ground Plane Ground Plane Microstrip Line Co-planar Waveguide Metal Strip Slot Line Substrate Ground Plane

46. Building-Block Approach * Partition of the structure into cells * Transverse variations of fields: Eigenvalue Problem for each cell * Longitudinal Variations of fields: Transmission line for each mode * Coupling network: Boundary conditions at each step discontinuity * Network Representation

47. Cross-section of Bifurcated Waveguide b a c z = 0 One parallel-plate waveguide of the height a is divided into two of the heights b and c, such that a = b + c.

48. y = a c a y = b b y = 0 z = 0 Mode Function of Bifurcated Waveguide

49. Boundary Condition at the Junction of Bifurcated Waveguide

50. Coupling of Modes