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文檔簡介
超寬帶電磁學及其應用阮成禮電子科技大學2/5/20231電子科技大學參考書1.阮成禮:電磁導彈概論,人民郵電出版社,1994年(全國“八五”高技術重點圖書);2.阮成禮:超寬帶天線理論與技術,哈爾濱工業(yè)大學出版社,2005年(“十五”國防重點專著);3.WLStutzingandGAThiele,Antennatheoryanddesign,2ndedition,Chapter6.2/5/20232電子科技大學電磁學簡史(ElectromagnetismHistory)585B.C.,希臘哲學家塞利斯發(fā)現(xiàn)磨檫生電,東漢王充(27~約97A.D.)在《論衡》中記載“頓牟掇芥”;475-221B.C.戰(zhàn)國時期《韓非子。有度篇》記載“先王立司南以端朝夕”;SEmpedocles(490-435B.C.)第一次對光做出解釋;18世紀,靜電學的定量描述;1820年,奧斯特電流對磁針的作用;2/5/20233電子科技大學電磁學簡史(ElectromagnetismHistory)1831年法拉第用磁鐵插入線圈產生電流,1850年給出電磁感應定律;1864年麥克思韋總結出Maxwell方程組,預言了電磁波,光是電磁波;1886-1889年赫茲實驗驗證了電磁波/火花放電/UWB;1887-1983年電磁波的百年奇跡(MTT,1986);1983-2006年UWB快速發(fā)展的四分之一世紀。2/5/20234電子科技大學UWBEM簡史1887年Hertz第一次關于收發(fā)電磁波實驗,1983年Brittingham的論文(FWM/J.A.P.),1985年TTWu提出EMM/J.A.P./HMShen1986-1990年“七五”關于反隱身研究/新理論…1992年EMmissiles進入系統(tǒng)應用;1994年:電磁導彈概論(95,全國二等獎),2005年EMmissiles探索項目立項/國防創(chuàng)新展。到目前為止,已經突破關鍵技術(源,天線,接收)。2/5/20235電子科技大學需求電磁頻譜非常擁擠雷達要求威力更大,分辨率更高通信要求容量更大、速率更高、更安全戰(zhàn)場上要制電磁波權(電子戰(zhàn))二十一世紀世界列強爭奪的重要對象2/5/20236電子科技大學科學技術是第一生產力1887年-1983年電磁波創(chuàng)造了百年奇跡(1887年法拉第的實驗;1983年Brittingham發(fā)表FWM論文,此后,UWB獲得長足發(fā)展。)。
(1887年是UWB的開端,理論分析和關鍵技術上的困難阻礙了UWB發(fā)展)科學是永遠不會停止前進的步伐。時代的要求(頻譜資源的擁擠,UWB的獨特性能),時域電磁波資源的開拓和應用一定會創(chuàng)造新奇跡。2/5/20237電子科技大學超寬帶電磁學研究UWB/SP信號的產生、傳輸、輻射、接收處理技術,以及在雷達、通信、電子戰(zhàn)和其他領域的系統(tǒng)應用。超寬帶定義BW=(fh-fl)/(fh+fl)100%脈沖寬度皮秒量級(10-12s)頻率范圍從HF到THz2/5/20238電子科技大學Bandwidthdefinitions1.Absolutebandwidth:⊿f=fh-fl2.Fractionalbandwidth1:B1
=2⊿f/(fl+fh),intheareasofcommunicationsandradars3.Relativebandwidth2:B2=⊿f/(fl+fh)4.Ratioofthehighestfrequencytothelowestfrequency:B3
=fh
/
fl5.Octavebandwidth:B4=(lnB3)/ln2Wedefine
UWBas:B4≥1,orB2≥1/32/5/20239電子科技大學UWBdefinitionsB2=(fh-fl)/(fh+fl)≥1/3fh=500/rise-timeGHzfl=f2m/fhfm=500/pulse-lengthGHThelowerfrequencydowntolessthan100MHz,theupperfrequencyuptoover10GHz.2/5/202310電子科技大學UWBElectromagnetismTheultra-widebandantennasareessentialforexploitingtheresourceoftime-domainelectromagneticwaves.UWBcommunicationsUWBradarsUWBEWsystemsUWBcommercialelectronicsystems,remotesensing,imaging,etc.2/5/202311電子科技大學Maxwell方程的兩種解法分離變量法:時諧電磁波變量代換:瞬態(tài)電磁波2/5/202312電子科技大學分離變量法:時諧電磁波有限大輻射源:球面波,平方反比律衰減無限大輻射源:平面波,不衰減對t的微分運算:乘,積分運算:除Fourier分析2/5/202313電子科技大學達郎貝變換法:瞬態(tài)電磁波在分離變量法中得到如下形式解令(時空不分離)可以把波方程2/5/202314電子科技大學達郎貝變換法解波方程橫向Laplace算符,波阻抗。設方程有形式解可以得到關于電場包絡的波方程和相應的解2/5/202315電子科技大學時域電磁波理論基礎Maxwell方程有瞬態(tài)電磁波解測不準原理Fourier變換2/5/202316電子科技大學Schr?dinger方程Maxwell方程有準離子態(tài)的解。在有耗媒質中的Maxwell方程做變量代換Maxwell方程變?yōu)镾chr?dinger方程2/5/202317電子科技大學測不準原理位置-動量測不準原理時間-頻率測不準原理2/5/202318電子科技大學Fourier分析正變換和逆變換形式相同時間t和頻率f交換公式成立許多用戶通過編碼可以同時占有相同的頻譜,而不互相干擾2/5/202319電子科技大學時域電磁波資源
—UWBElectromagnetism二十世紀80年開始,學術界對瞬態(tài)電磁波的傳播與輻射特性進行了深入的理論和實驗研究,華裔學者在該領域做出了杰出貢獻。瞬態(tài)電磁波是一種尚待開發(fā)的時域電磁波資源,和頻域電磁波資源一樣有非常重要的意義,二十一世紀將是爭奪時域電磁波資源的新世紀。2/5/202320電子科技大學瞬態(tài)電磁波的資源特征能量特征信息特征(調制)可利用(關鍵技術突破)信號源發(fā)射天線接收技術2/5/202321電子科技大學能量特征Impulse攜帶電磁能量是傳遞信息的基礎;單脈沖能量用函數來描述Impulse,改變脈沖寬度和幅度控制脈沖能量。2/5/202322電子科技大學信息特征(調制)天然的數字信號;ps脈沖可以實現(xiàn)更長的編碼,容量大,相關增益高,保密性好;可以實現(xiàn)各種方式的調制。2/5/202323電子科技大學關鍵技術突破UWB脈沖源氣體放電管隧道二極管光導開關UWB天線圓錐天線V-錐天線TEM喇叭與頻率無關天線相關接收技術2/5/202324電子科技大學光控微波單元
2/5/202325電子科技大學超寬帶天線超寬帶天線:適合本項目的UWB天線有兩類天線,一類是Bowtie天線,一類是槽天線。這兩類天線都可以在介質基片上制作,也容易與光導開關集成化,而且具有超寬帶、結構簡單、成本低等優(yōu)點。2/5/202326電子科技大學相關接收技術CEShannon:可靠有效的最佳信號是具有噪聲統(tǒng)計特性的信號。成對的偽隨機碼聲碼器數字復接器偽碼產生器脈沖源UWB天線聲碼器數字復接器高速觸發(fā)器UWB天線數字相關器VCOLP判決器發(fā)射機接收機2/5/202327電子科技大學CW和LW比較波方程:時域/頻域求解方法:達郎貝變換/分離變量通解:三維脈沖/時諧函數場分布:局部平面波/球面波傳播特性:慢衰減/平方反比律頻域特性:寬譜/窄譜時域特性:短脈沖/連續(xù)波實驗基礎:光子/正弦波2/5/202328電子科技大學結論瞬態(tài)電磁波是一種時域電磁波資源;和頻域電磁波資源具有相同的重要性;時域電磁波資源是一種尚待開發(fā)的電磁波資源。二十一世紀將是爭奪時域電磁波資源的新世紀,將有一大批學者為之長期奮斗。2/5/202329電子科技大學習題和思考題1、認真研究以下電磁學的歷史和超寬帶電磁學歷史,加深對Maxwell方程及其歷史意義的理解。2、Maxwell方程的兩種求解方法,比較所得的解。3、討論瞬態(tài)電磁波的資源特征。2/5/202330電子科技大學理論模型1980年代聚焦波模定向能電磁脈沖串貝塞爾束復源脈沖束電磁子彈電磁導彈2/5/202331電子科技大學電磁導彈理論滿足有源Maxwell方程/與FWM比較不存在“無限大能量”問題已經進行了實驗研究ShenHaoMing電子科技大學研究進展快,有了系統(tǒng)論述2/5/202332電子科技大學電磁位理論2/5/202333電子科技大學漸進解2/5/202334電子科技大學嚴格解不衰減區(qū)和慢衰減區(qū)域的嚴格變化規(guī)律嚴格求解積分遠區(qū)與TTWu的結論一致2/5/202335電子科技大學嚴格解時域解頻域解2/5/202336電子科技大學任意波形的輻射場在頻域任意波形的輻射場分量可以表示為F-1
2/5/202337電子科技大學輻射因子2/5/202338電子科技大學三段式傳播規(guī)律2/5/202339電子科技大學現(xiàn)有電磁場理論以往電磁理論給出了近區(qū)遠區(qū)存在一個模糊區(qū)域,即近區(qū)和遠區(qū)之間電磁波傳播規(guī)律是什么樣的?2/5/202340電子科技大學三段式傳播規(guī)律三段式傳播規(guī)律給出了傳播軸線上區(qū)間完整傳播規(guī)律,橫向分布特性,從而給出了半空間內電磁波的傳播特性,為嚴格設計UWB電子系統(tǒng)提供了理論基礎。2/5/202341電子科技大學‘雷達前移’有人認為‘慢衰減距離等同于雷達前移’,一百米或者幾百米的不衰減距離對整個雷達的探測威力沒有實質性影響。事實上‘雷達前移’的思想是不正確的。在三段式曲線中是以輻射陣面的坐標為參考點,不衰減距離增加是使整個曲線‘向前平移’,探測距離按相應的dB值增加。2/5/202342電子科技大學EMM的特性局域平面波能量集中在傳播軸線附近傳播特性取決于輻射口徑和波形應用陣列技術/巨大口徑/場強同向相加可以進行嚴格系統(tǒng)設計適當設計可以把慢衰減區(qū)域推移至所需的區(qū)域2/5/202343電子科技大學實現(xiàn)EMM的條件頻域條件:高頻不可忽略波形條件:具有突變臨界脈沖寬度和臨界脈沖上升時間2/5/202344電子科技大學EMM的意義指出了信號波形設計的努力方向;明確數學上的無限遠和物理意義上的無限遠具有不同意義;隨著科學技術進步可以逐步把慢衰減區(qū)域推向更遠。2/5/202345電子科技大學關于EMM的討論頻率有上限/Fourier變換近區(qū)效應/實驗驗證/電磁波傳播規(guī)律/縮比實驗2/5/202346電子科技大學Fourier變換頻率有上限這是Fourier分析也面臨的問題。Fourier分析中的積分限都是無窮的,要求頻率無限大,時間也沒有起點和終點,這不符合現(xiàn)代物理理論(見時間簡史),在應用中總是存在頻率和時間的‘截斷’(即物理意義上的無限大),然而這并沒有妨礙Fourier分析的成功應用。2/5/202347電子科技大學近區(qū)效應這是電磁導彈效應滿足的公式。在大于Z2的區(qū)域,電磁波滿足平方反比律:應當指出第一,我們感興趣的區(qū)域總是有限區(qū)域;第二,總是可以不斷擴展慢衰減區(qū)域。2/5/202348電子科技大學縮比實驗電磁場理論是線性理論,滿足(在天線研究中廣泛使用的)縮比理論,按嚴格理論公式計算,公式中沒有限制天線口徑和波形參數(脈沖寬度、上升時間、脈沖幅值等)的取值范圍,適當設計可以滿足工程需要。2/5/202349電子科技大學EMM的反射2/5/202350電子科技大學UWB/SP源光導脈沖源響應速度高,達到飛秒量級承受功率容量高熱容高效率高現(xiàn)在單個光導脈沖源功率達1MW-1GW。2/5/202351電子科技大學光導脈沖源三端器件,光電隔離激光脈沖DC高壓或者脈沖高壓光生載流子負載2/5/202352電子科技大學Rogowski電極結構
電場近似為勻強電場,同時與共面電極結構相比,成倍提高光導開關的耐壓能力.
圖1Rogowski電極結構2/5/202353電子科技大學離子束與強激光處理半導體表面;采用(Pd、Ge、Ti、Pt)等四種金屬,探索出耐高溫的歐姆電極加工工藝,使PCSS在擊穿電場下?lián)舸r,金屬電極合金未與半導體材料滲透。圖3.PCSS兩種歐姆電極損傷情況a.標注歐姆電極的滲透損傷b.耐高溫歐姆電極的無滲透損傷2/5/202354電子科技大學PCSSPCSS兩種歐姆電極損傷情況a.標注歐姆電極的滲透損傷b.耐高溫歐姆電極的無滲透損傷耐高溫歐姆接觸電極加工方式研制的單個異面GaAs光導開關穩(wěn)定工作時的部分實驗指標:最高偏置電場:10kV/mm,重復頻率>1kHz,穩(wěn)定峰值功率:2MW,SP脈沖上升沿~40ps最短SP脈沖寬度:147~164ps2/5/202355電子科技大學采用倍壓網絡b.Blumlein倍壓網絡實物圖a.三倍壓網絡原理圖c.高轉換效率與高功率實驗d.13kV輸入,10.1KV輸出電脈沖2/5/202356電子科技大學2/5/202357電子科技大學脈沖頻譜估算W是脈沖寬度,以ps為單位,脈沖上升時間也是以ps為單位.2/5/202358電子科技大學脈沖寬度控制脈沖寬度可以在0.1-5ns內改變.DC高壓PCS激光2/5/202359電子科技大學EMM的輻射點源+透鏡、點源+反射鏡、點源陣列、線源陣列、面源陣列;圓錐天線、V-錐天線、TEM喇叭等現(xiàn)在已經可以不失真地把脈沖輻射出去,天線響應達到0.1-100GHz2/5/202360電子科技大學UWB天線類型偶極子V-錐天線雙錐天線TEM喇叭螺旋天線PDLA使用頻帶范圍40GHz/100MHz60GHz/100MHz60GHz/100MHz60GHz/100MHz60GHz/100MHz15GHz/50MHz帶寬比10:120:110:112:140:16:1最大增益2.15dB10dB15dB15dB2dB15dB場圖變化noyesyesyesnono極化線極化線極化線極化線極化圓極化線極化色散nonononoyesyes相位中心固定?yesyesyesnoyesyes2/5/202361電子科技大學天線系統(tǒng)理論蝴蝶結天線圓V-錐天線橢圓V-錐天線螺旋天線對數周期天線LPDATEM喇叭槽天線三角板天線有限長圓錐天線電小天線/電偶極子電小天線的傳輸線模型圓錐天線橢圓錐天線UWB2/5/202362電子科技大學V-conicalantennasCircularV-conicalantennasEllipticV-conicalantennas(universalmodel)V-TriangularplateantennasFiniteV-conicalantennas(engineering)SeriesfeedV-conicalarray(RFV)ParallelfeedV-conicalarray2/5/202363電子科技大學V-conicalantennasCircularV-conicalantennaZ=(Z0/2)K(cosx)/K(sinx)zoxyFeedingpoint(r,θx,φ0)2/5/202364電子科技大學EllipticV-conical
antennasWhenk→0,theellipticV-conicalantennabecomesaV-triangularplateantenna,V-Triangularplateantennaradiationarmfeedingpoint2/5/202365電子科技大學2/5/202366電子科技大學TEM喇叭陣列低頻特性取決于陣列天線尺寸高頻特性取決于單元喇叭的結構陣列激光同步技術低電平空間功率合成;輻射軸線上的能量密度正比于陣元數的平方。2/5/202367電子科技大學自補結構2/5/202368電子科技大學輻射功率2/5/202369電子科技大學陣列激光同步技術
實現(xiàn)空間電場同方向相加,能量密度正比于陣元數的平方。例如,12*12的方陣,電場同方向相加的結果是,能量密度等于(144E)2的能量密度,而不是144E2的能量密度,二者之間的差距等于陣元數。2/5/202370電子科技大學微透鏡陣列和針孔陣列分束微透鏡陣列(a)光束被微透鏡陣列分割(b)光經過針孔陣列形成點光源陣列針孔陣列結構2/5/202371電子科技大學激光束至光開導關光纖與放大2/5/202372電子科技大學多級激光分束高功率二極管泵浦激光器…光導開關光導開關光導開關光導開關…1×N分束器…….…半導體光放大器或者:光纖放大器半導體光放大器半導體光放大器半導體光放大器半導體光放大器1×M分束器半導體光放大器半導體光放大器半導體光放大器半導體光放大器圖8分束器級聯(lián)分束2/5/202373電子科技大學激光分束光纖分束的效率可以達到80%;采用非線性光纖,實現(xiàn)放大限幅激光脈沖;用距離換時間來實現(xiàn)陣列同步.a.1/4分束光纖b.1/12分束光纖2/5/202374電子科技大學?光纖分束?分束光纖光纖頭水平支架微透鏡輸入光纖輸出光纖2/5/202375電子科技大學幾種fs、ps激光器皮秒染料鎖模激光器半導體泵浦微腔結構高重復頻率激光器飛秒激光系統(tǒng)2/5/202376電子科技大學激光耦合.非焦點的激光耦合激光器輸出激光光纖頭水平支架2/5/202377電子科技大學實驗研究2/5/202378電子科技大學雙鰭天線2/5/202379電子科技大學licroy8600A示波器2/5/202380電子科技大學實驗設備2/5/202381電子科技大學單元天線
慢衰減實驗驗證2/5/202382電子科技大學陣列天線
慢衰減實驗結果2/5/202383電子科技大學場強相加G/G06.3961127.21361.2222/5/202384電子科技大學相關接收技術參見Harmuth的著作,以及UWB通信的有關論文;脈沖位置調制(PPM);偽隨機碼調制(TH-CDMA);其他復雜調制技術?,F(xiàn)在已經有超寬帶芯片出售2/5/202385電子科技大學相關接收技術延遲求和脈沖串輸入相關脈沖輸出相關接收輸出脈沖2/5/202386電子科技大學實驗研究實驗目的//三段式傳播規(guī)律比較標準//口徑/能量/波形與頻率實驗方法//排除不穩(wěn)定因素實驗設備//信號源/輻射器/寬帶示波器輻射器//陣列與同步/拋物面實驗場地//系統(tǒng)設計/包括Z1和Z22/5/202387電子科技大學EMM的應用EMM技術遙感武器UWB雷達通信目標特性監(jiān)視雷達UWB通信保密通信2/5/202388電子科技大學UWB通信/綠色通信Internet無線接入多媒體通信無線局域網軍事通信保密通信……2/5/202389電子科技大學TM-UWB通信技術以皮秒脈沖為載波精確的脈沖定位調制(PPM)跳時擴頻碼分多址(TH-CDMA)時域相關“匹配濾波”技術2/5/202390電子科
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