超寬帶電磁學(xué)及應(yīng)用第1章緒論

1、無線電技術(shù)無線電技術(shù)：研究以電磁波能量方式在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間：研究以電磁波能量方式在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間 的信號傳輸技術(shù)的信號傳輸技術(shù)超寬帶電磁學(xué)超寬帶電磁學(xué) ：研究以：研究以UWB電磁信號在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之電磁信號在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之 間的信號傳輸間的信號傳輸 UWB信號的產(chǎn)生信號的產(chǎn)生 UWB信號輻射與傳輸信號輻射與傳輸 UWB信號接收與數(shù)據(jù)處理信號接收與數(shù)據(jù)處理 基于基于UWB信號的系統(tǒng)應(yīng)用信號的系統(tǒng)應(yīng)用 1.1 超寬帶電磁學(xué)的研究對象超寬帶電磁學(xué)的研究對象 1.2.1 由寬帶向窄帶發(fā)展的無線電技術(shù)由寬帶向窄帶發(fā)展的無線電技術(shù) 莫爾斯電報(bào)工作原理莫爾斯電報(bào)工作原理：信號由鍵控一個(gè)載波信號的

2、開和關(guān)來代：信號由鍵控一個(gè)載波信號的開和關(guān)來代 表用不同的傳號表用不同的傳號(點(diǎn)點(diǎn))和空號和空號(劃線劃線)表示字母特征。表示字母特征。 中等信息速率約每分鐘中等信息速率約每分鐘25字，相當(dāng)于信號帶寬為字，相當(dāng)于信號帶寬為 101 Hz ； 發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的沖擊信號帶寬為發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的沖擊信號帶寬為 104 Hz。 困難與局限困難與局限 信號占用了比通信所需帶寬寬得多的頻譜，使得電臺間的干信號占用了比通信所需帶寬寬得多的頻譜，使得電臺間的干 擾十分明顯；擾十分明顯；1.2 超寬帶電磁學(xué)技術(shù)發(fā)展概述超寬帶電磁學(xué)技術(shù)發(fā)展概述 寬帶接收機(jī)接收到了比信號帶寬寬得多的背景噪聲，信噪比寬帶接收機(jī)接收到了比信號帶

3、寬寬得多的背景噪聲，信噪比 (SNR)很低，只能接收到非常弱的信號。很低，只能接收到非常弱的信號。解決方案解決方案 使信號占用帶寬與通信所需要的帶寬相等使信號占用帶寬與通信所需要的帶寬相等(或成比例或成比例) ； 用戶共享某些信道頻譜，通過信號時(shí)間信息或其它編碼信息用戶共享某些信道頻譜，通過信號時(shí)間信息或其它編碼信息 識別各自所需要的信號，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用，并增大識別各自所需要的信號，實(shí)現(xiàn)頻譜資源的高效利用，并增大 系統(tǒng)的通信容量。系統(tǒng)的通信容量。 技術(shù)發(fā)展技術(shù)發(fā)展 1903年年 ，查爾斯，查爾斯 斯坦梅茨為了產(chǎn)生無線電信號載波，發(fā)明了斯坦梅茨為了產(chǎn)生無線電信號載波，發(fā)明了 機(jī)械的機(jī)械的

4、高頻交流發(fā)電機(jī)高頻交流發(fā)電機(jī)； 1905年，加拿大的雷金納德年，加拿大的雷金納德 費(fèi)森登利用該交流發(fā)電機(jī)，發(fā)明費(fèi)森登利用該交流發(fā)電機(jī)，發(fā)明 了了幅度調(diào)制幅度調(diào)制(AM)的話音發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)百英里話音傳輸；的話音發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)百英里話音傳輸； 1913年，哈羅德年，哈羅德 D 阿諾德阿諾德(Harold D. Amold)發(fā)明了發(fā)明了放大電子放大電子 管管，使得大西洋沿岸和太平洋沿岸的通話變成可能；，使得大西洋沿岸和太平洋沿岸的通話變成可能； 1915年，出現(xiàn)了第一個(gè)大西洋彼岸的年，出現(xiàn)了第一個(gè)大西洋彼岸的無線電發(fā)射系統(tǒng)無線電發(fā)射系統(tǒng)。1.2.2 寬帶通信技術(shù)的孕育與發(fā)展寬帶通信技術(shù)的孕育與

5、發(fā)展 AM 技術(shù)的局限與困難技術(shù)的局限與困難 通過載波幅度變化來編碼的通過載波幅度變化來編碼的AM技術(shù)易受靜電、雷電干擾；技術(shù)易受靜電、雷電干擾； 頻譜資源必將匱乏。頻譜資源必將匱乏。FM 技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與寬帶通信技術(shù)的孕育技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與寬帶通信技術(shù)的孕育 埃德溫埃德溫 阿姆斯特朗阿姆斯特朗 (Edwin Armstrong) 1933年，發(fā)現(xiàn)了信號的頻率調(diào)制年，發(fā)現(xiàn)了信號的頻率調(diào)制(FM)方法；方法； 奠定了信息理論的基礎(chǔ)，量化了信號帶寬與抗噪聲干擾能力奠定了信息理論的基礎(chǔ)，量化了信號帶寬與抗噪聲干擾能力 之間的關(guān)系；指出寬帶信號可克服窄帶信號失真的優(yōu)越性！之間的關(guān)系；指出寬帶信號可克服窄帶信號失

6、真的優(yōu)越性！丹丹 諾布爾諾布爾 (Dan Noble) 實(shí)現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)了FM信號的雙向陸地通信，有效推進(jìn)信號的雙向陸地通信，有效推進(jìn)VHF信道的應(yīng)用信道的應(yīng)用 ；寬帶通信的發(fā)展寬帶通信的發(fā)展克勞德克勞德 山農(nóng)山農(nóng) (Shannon Theroy) 1948年，山農(nóng)提出信道容量定理年，山農(nóng)提出信道容量定理 如果以如果以C表示信道容量，表示信道容量，S 表示信號功率，表示信號功率，N 表示噪聲功率，表示噪聲功率， W 表示信道通頻帶寬，則在高斯白噪聲情況下，有表示信道通頻帶寬，則在高斯白噪聲情況下，有)1(log2NSWC 提高信號提高信號S與噪聲與噪聲N功率之比，可以增加信道容量；功率之比，可以增加

7、信道容量； 當(dāng)信道中噪聲功率當(dāng)信道中噪聲功率N0 時(shí)，信道容量時(shí)，信道容量C ； C一定時(shí)，帶寬一定時(shí)，帶寬W與信噪比與信噪比 S/N 之間可以互換；之間可以互換； 增加帶寬會(huì)造成增加帶寬會(huì)造成S/N下降，無限增大帶寬的信道容量極限為下降，無限增大帶寬的信道容量極限為 NWSCW 44. 1討論討論 1948年提出：如果信息信號能夠以使信號類似于噪聲的方式更年提出：如果信息信號能夠以使信號類似于噪聲的方式更 高地?cái)U(kuò)展信息信號的頻譜，那么該信號就能攜帶更多的信息高地?cái)U(kuò)展信息信號的頻譜，那么該信號就能攜帶更多的信息 “擴(kuò)頻通信擴(kuò)頻通信”的發(fā)展。擴(kuò)頻通信是指用一族特殊的、比原始信的發(fā)展。擴(kuò)頻通信是指

8、用一族特殊的、比原始信 息寬得多的特殊數(shù)字序列來有意地?cái)U(kuò)展信號；息寬得多的特殊數(shù)字序列來有意地?cái)U(kuò)展信號； 頻譜分配政策的改變導(dǎo)致了頻譜分配政策的改變導(dǎo)致了“數(shù)字無線數(shù)字無線”時(shí)代的開始；時(shí)代的開始；UWB通信技術(shù)的發(fā)展通信技術(shù)的發(fā)展 1960-1970年代，沖激雷達(dá)和政府主持的一些項(xiàng)目研究，導(dǎo)致年代，沖激雷達(dá)和政府主持的一些項(xiàng)目研究，導(dǎo)致 了后來被稱為了后來被稱為UWB的的“脈沖無線電脈沖無線電”的產(chǎn)生；的產(chǎn)生； 1970-1980年代，面向通信和定位的現(xiàn)代低功率脈沖無線電技年代，面向通信和定位的現(xiàn)代低功率脈沖無線電技 術(shù)的實(shí)用性得到證實(shí)；術(shù)的實(shí)用性得到證實(shí)； 2002年年2月月14日，日，F(xiàn)

9、CC規(guī)定將規(guī)定將3.1-10.6 GHz 這一無需政府執(zhí)照這一無需政府執(zhí)照 的帶寬分給的帶寬分給UWB系統(tǒng)使用，美國開始了系統(tǒng)使用，美國開始了UWB通信技術(shù)研究通信技術(shù)研究 1.2.3 UWB系統(tǒng)的應(yīng)用和未來方向系統(tǒng)的應(yīng)用和未來方向 (1) UWB信號的基本特征信號的基本特征 低功率密度低功率密度。相對于窄帶接收機(jī)而言，。相對于窄帶接收機(jī)而言，UWB信號的功率密度信號的功率密度 相當(dāng)于窄帶接收機(jī)感受到的噪聲信號；相當(dāng)于窄帶接收機(jī)感受到的噪聲信號； 高分辨率高分辨率。一些。一些UWB信號的時(shí)域波形脈寬非常窄信號的時(shí)域波形脈寬非常窄(ns 或亞或亞ns 量級量級)，使，使UWB系統(tǒng)的分辨率可以達(dá)到

10、系統(tǒng)的分辨率可以達(dá)到cm 甚至甚至 mm 量級；量級； 寬帶寬寬帶寬。UWB信號具有很寬帶寬，極寬的帶寬使得采用信號具有很寬帶寬，極寬的帶寬使得采用UWB 信號的局域無線網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到信號的局域無線網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到 G bits。(2) UWB系統(tǒng)的應(yīng)用前景系統(tǒng)的應(yīng)用前景 UWB雷達(dá)系統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)A 美國陸軍實(shí)驗(yàn)室海雜波環(huán)境探測雷達(dá)美國陸軍實(shí)驗(yàn)室海雜波環(huán)境探測雷達(dá)RCS: 1m2 ； 作用距離：作用距離： 25 km；距離分辨率：距離分辨率：0.3 m； 電脈沖寬度：電脈沖寬度：1.5ns；上升沿：上升沿： 0.35 ns； 幅值幅值 80kV；脈沖功率：脈沖功率： 160 MWB

11、 歐洲機(jī)載歐洲機(jī)載AESA雷達(dá)計(jì)劃雷達(dá)計(jì)劃 EADS(德國德國)、Thales(法國法國)、BAE System(英國英國) AESA計(jì)劃在飛行試驗(yàn)中展示其性能計(jì)劃在飛行試驗(yàn)中展示其性能 美國研制的沖激體制探地雷達(dá)美國研制的沖激體制探地雷達(dá)C 近期文獻(xiàn)報(bào)道的探地與穿墻沖激雷達(dá)近期文獻(xiàn)報(bào)道的探地與穿墻沖激雷達(dá)(美國美國)美國研制的沖激體制穿墻雷達(dá)美國研制的沖激體制穿墻雷達(dá)D 瑞典瑞典Mala公司研制的鉆孔式勘探雷達(dá)公司研制的鉆孔式勘探雷達(dá) 最大鉆孔放置深度：最大鉆孔放置深度：1 km 分辨率：分辨率：1 m 探測距離：探測距離：3-10 m 已產(chǎn)品化已產(chǎn)品化 (全球唯一產(chǎn)品化鉆孔雷達(dá)全球唯一產(chǎn)品

12、化鉆孔雷達(dá))地面主機(jī)地面主機(jī)地下探測主機(jī)地下探測主機(jī)電磁信號電磁信號E 中石化中石化電子科技大學(xué)鉆孔測井雷達(dá)原理樣機(jī)電子科技大學(xué)鉆孔測井雷達(dá)原理樣機(jī)原理樣機(jī)照片原理樣機(jī)照片甘肅油井測試現(xiàn)場甘肅油井測試現(xiàn)場測試到的直達(dá)波與回波測試到的直達(dá)波與回波F 沖激雷達(dá)的其它應(yīng)用研究沖激雷達(dá)的其它應(yīng)用研究電子科大電子科大368單元對空雷達(dá)單元對空雷達(dá) 地下地下CO2封存監(jiān)測雷達(dá)封存監(jiān)測雷達(dá) 沖激體制的近炸引信系統(tǒng)沖激體制的近炸引信系統(tǒng) 煤層地下水探測雷達(dá)煤層地下水探測雷達(dá) 鉆孔式地震勘探雷達(dá)鉆孔式地震勘探雷達(dá)UWB通信通信 有線有線UWB通信系統(tǒng)。在不改變現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施、不影響現(xiàn)有有通信系統(tǒng)。在不改變現(xiàn)有基礎(chǔ)

13、設(shè)施、不影響現(xiàn)有有 線通信系統(tǒng)已有功能的前提下實(shí)現(xiàn)線通信系統(tǒng)已有功能的前提下實(shí)現(xiàn)UWB通信技術(shù)；通信技術(shù)； 無線無線UWB通信系統(tǒng)。用通信系統(tǒng)。用UWB替換現(xiàn)有有線低速率傳輸系統(tǒng)；替換現(xiàn)有有線低速率傳輸系統(tǒng)； 研制高速率的研制高速率的UWB無線通信系統(tǒng)；無線通信系統(tǒng)； 有線、無線有線、無線UWB混用通信系統(tǒng)。混用通信系統(tǒng)。傳感網(wǎng)絡(luò)傳感網(wǎng)絡(luò) UWB技術(shù)既可以使現(xiàn)有傳感網(wǎng)絡(luò)無線化；技術(shù)既可以使現(xiàn)有傳感網(wǎng)絡(luò)無線化； 獨(dú)立充當(dāng)傳感器。獨(dú)立充當(dāng)傳感器。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 阮成禮：阮成禮：電磁導(dǎo)彈概論電磁導(dǎo)彈概論，人民郵電出版社，人民郵電出版社，1994年年 (全國全國 “八五八五”高技術(shù)重點(diǎn)圖書高技術(shù)重點(diǎn)圖書)； 阮成禮：阮成禮：超寬帶天線理論與技術(shù)超寬帶天線理論