超宽带电磁学1

2020/5/30,电子科技大学,1,超宽带电磁学及其应用,阮成礼电子科技大学,2020/5/30,电子科技大学,2,参考书,1.阮成礼：电磁导弹概论，人民邮电出版社，1994年（全国“八五”高技术重点图书）；2.阮成礼：超宽带天线理论与技术，哈尔滨工业大学出版社，2005年（“十五”国防重点专著）；3.WLStutzingandGAThiele,Antennatheoryanddesign,2ndedition,Chapter6.,2020/5/30,电子科技大学,3,电磁学简史（ElectromagnetismHistory）,585B.C.,希腊哲学家塞利斯发现磨檫生电，东汉王充(27约97A.D.)在论衡中记载“顿牟掇芥”；475-221B.C.战国时期韩非子。有度篇记载“先王立司南以端朝夕”；SEmpedocles(490-435B.C.)第一次对光做出解释；18世纪，静电学的定量描述；1820年，奥斯特电流对磁针的作用；,2020/5/30,电子科技大学,4,电磁学简史（ElectromagnetismHistory）,1831年法拉第用磁铁插入线圈产生电流，1850年给出电磁感应定律；1864年麦克思韦总结出Maxwell方程组，预言了电磁波，光是电磁波；1886-1889年赫兹实验验证了电磁波/火花放电/UWB；1887-1983年电磁波的百年奇迹(MTT,1986)；1983-2006年UWB快速发展的四分之一世纪。,2020/5/30,电子科技大学,5,UWBEM简史,1887年Hertz第一次关于收发电磁波实验，1983年Brittingham的论文（FWM/J.A.P.），1985年TTWu提出EMM/J.A.P./HMShen1986-1990年“七五”关于反隐身研究/新理论1992年EMmissiles进入系统应用；1994年:电磁导弹概论(95,全国二等奖)，2005年EMmissiles探索项目立项/国防创新展。到目前为止，已经突破关键技术（源，天线，接收）。,2020/5/30,电子科技大学,6,需求,电磁频谱非常拥挤雷达要求威力更大，分辨率更高通信要求容量更大、速率更高、更安全战场上要制电磁波权（电子战）二十一世纪世界列强争夺的重要对象,2020/5/30,电子科技大学,7,科学技术是第一生产力,1887年-1983年电磁波创造了百年奇迹（1887年法拉第的实验；1983年Brittingham发表FWM论文，此后，UWB获得长足发展。）。（1887年是UWB的开端，理论分析和关键技术上的困难阻碍了UWB发展）科学是永远不会停止前进的步伐。时代的要求（频谱资源的拥挤，UWB的独特性能），时域电磁波资源的开拓和应用一定会创造新奇迹。,2020/5/30,电子科技大学,8,超宽带电磁学,研究UWB/SP信号的产生、传输、辐射、接收处理技术，以及在雷达、通信、电子战和其他领域的系统应用。超宽带定义BW=(fh-fl)/(fh+fl)100%脉冲宽度皮秒量级（10-12s）频率范围从HF到THz,2020/5/30,电子科技大学,9,Bandwidthdefinitions,1.Absolutebandwidth:ffhfl2.Fractionalbandwidth1:B12f/(fl+fh),intheareasofcommunicationsandradars3.Relativebandwidth2:B2f/(fl+fh)4.Ratioofthehighestfrequencytothelowestfrequency:B3fh/fl5.Octavebandwidth:B4(lnB3)/ln2WedefineUWBas:B41,orB21/3,2020/5/30,电子科技大学,10,UWBdefinitions,B2(fhfl)/(fhfl)13fh500rise-timeGHzflf2mfhfm500pulse-lengthGHThelowerfrequencydowntolessthan100MHz,theupperfrequencyuptoover10GHz.,2020/5/30,电子科技大学,11,UWBElectromagnetism,Theultra-widebandantennasareessentialforexploitingtheresourceoftime-domainelectromagneticwaves.UWBcommunicationsUWBradarsUWBEWsystemsUWBcommercialelectronicsystems，remotesensing，imaging，etc.,2020/5/30,电子科技大学,12,Maxwell方程的两种解法,分离变量法：时谐电磁波变量代换：瞬态电磁波,2020/5/30,电子科技大学,13,分离变量法：时谐电磁波,有限大辐射源：球面波，平方反比律衰减无限大辐射源：平面波，不衰减对t的微分运算：乘，积分运算：除Fourier分析,2020/5/30,电子科技大学,14,达郎贝变换法：瞬态电磁波,在分离变量法中得到如下形式解,令（时空不分离）,可以把波方程,2020/5/30,电子科技大学,15,达郎贝变换法解波方程,横向Laplace算符，波阻抗。设方程有形式解,可以得到关于电场包络的波方程和相应的解,2020/5/30,电子科技大学,16,时域电磁波理论基础,Maxwell方程有瞬态电磁波解,测不准原理,Fourier变换,2020/5/30,电子科技大学,17,Schrdinger方程,Maxwell方程有准离子态的解。在有耗媒质中的Maxwell方程做变量代换Maxwell方程变为Schrdinger方程,2020/5/30,电子科技大学,18,测不准原理,位置-动量测不准原理时间-频率测不准原理,2020/5/30,电子科技大学,19,Fourier分析,正变换和逆变换形式相同时间t和频率f交换公式成立许多用户通过编码可以同时占有相同的频谱，而不互相干扰,2020/5/30,电子科技大学,20,时域电磁波资源UWBElectromagnetism,二十世纪80年开始，学术界对瞬态电磁波的传播与辐射特性进行了深入的理论和实验研究，华裔学者在该领域做出了杰出贡献。瞬态电磁波是一种尚待开发的时域电磁波资源，和频域电磁波资源一样有非常重要的意义，二十一世纪将是争夺时域电磁波资源的新世纪。,2020/5/30,电子科技大学,21,瞬态电磁波的资源特征,能量特征信息特征（调制）可利用（关键技术突破）信号源发射天线接收技术,2020/5/30,电子科技大学,22,能量特征,Impulse携带电磁能量是传递信息的基础；单脉冲能量,用函数来描述Impulse，改变脉冲宽度和幅度控制脉冲能量。,2020/5/30,电子科技大学,23,信息特征（调制）,天然的数字信号；ps脉冲可以实现更长的编码，容量大，相关增益高，保密性好；可以实现各种方式的调制。,2020/5/30,电子科技大学,24,关键技术突破,UWB脉冲源气体放电管隧道二极管光导开关UWB天线圆锥天线V-锥天线TEM喇叭与频率无关天线相关接收技术,2020/5/30,电子科技大学,25,光控微波单元,2020/5/30,电子科技大学,26,超宽带天线,超宽带天线：适合本项目的UWB天线有两类天线，一类是Bowtie天线，一类是槽天线。这两类天线都可以在介质基片上制作，也容易与光导开关集成化，而且具有超宽带、结构简单、成本低等优点。,2020/5/30,电子科技大学,27,相关接收技术,CEShannon:可靠有效的最佳信号是具有噪声统计特性的信号。成对的伪随机码,发射机,接收机,2020/5/30,电子科技大学,28,CW和LW比较,波方程：时域/频域求解方法：达郎贝变换/分离变量通解：三维脉冲/时谐函数场分布：局部平面波/球面波传播特性：慢衰减/平方反比律频域特性：宽谱/窄谱时域特性：短脉冲/连续波实验基础：光子/正弦波,2020/5/30,电子科技大学,29,结论,瞬态电磁波是一种时域电磁波资源；和频域电磁波资源具有相同的重要性；时域电磁波资源是一种尚待开发的电磁波资源。二十一世纪将是争夺时域电磁波资源的新世纪，将有一大批学者为之长期奋斗。,2020/5/30,电子科技大学,30,习题和思考题,1、认真研究以下电磁学的历史和超宽带电磁学历史，加深对Maxwell方程及其历史意义的理解。2、Maxwell方程的两种求解方法，比较所得的解。3、讨论瞬态电磁波的资源特征。,2020/5/30,电子科技大学,31,理论模型1980年代,聚焦波模定向能电磁脉冲串贝塞尔束复源脉冲束电磁子弹电磁导弹,2020/5/30,电子科技大学,32,电磁导弹理论,满足有源Maxwell方程/与FWM比较不存在“无限大能量”问题已经进行了实验研究ShenHaoMing电子科技大学研究进展快，有了系统论述,2020/5/30,电子科技大学,33,电磁位理论,2020/5/30,电子科技大学,34,渐进解,2020/5/30,电子科技大学,35,严格解,不衰减区和慢衰减区域的严格变化规律严格求解积分远区与TTWu的结论一致,2020/5/30,电子科技大学,36,严格解,时域解频域解,2020/5/30,电子科技大学,37,任意波形的辐射场,在频域任意波形的辐射场分量可以表示为,F-1,2020/5/30,电子科技大学,38,辐射因子,2020/5/30,电子科技大学,39,三段式传播规律,2020/5/30,电子科技大学,40,现有电磁场理论,以往电磁理论给出了近区远区存在一个模糊区域，即近区和远区之间电磁波传播规律是什么样的？,2020/5/30,电子科技大学,41,三段式传播规律,三段式传播规律给出了传播轴线上区间完整传播规律，横向分布特性，从而给出了半空间内电磁波的传播特性，为严格设计UWB电子系统提供了理论基础。,2020/5/30,电子科技大学,42,雷达前移,有人认为慢衰减距离等同于雷达前移，一百米或者几百米的不衰减距离对整个雷达的探测威力没有实质性影响。事实上雷达前移的思想是不正确的。在三段式曲线中是以辐射阵面的坐标为参考点，不衰减距离增加是使整个曲线向前平移，探测距离按相应的dB值增加。,2020/5/30,电子科技大学,43,EMM的特性,局域平面波能量集中在传播轴线附近传播特性取决于辐射口径和波形应用阵列技术/巨大口径/场强同向相加可以进行严格系统设计适当设计可以把慢衰减区域推移至所需的区域,2020/5/30,电子科技大学,44,实现EMM的条件,频域条件：高频不可忽略波形条件：具有突变临界脉冲宽度和临界脉冲上升时间,2020/5/30,电子科技大学,45,EMM的意义,指出了信号波形设计的努力方向；明确数学上的无限远和物理意义上的无限远具有不同意义；随着科学技术进步可以逐步把慢衰减区域推向更远。,2020/5/30,电子科技大学,46,关于EMM的讨论,频率有上限/Fourier变换近区效应/实验验证/电磁波传播规律/缩比实验,2020/5/30,电子科技大学,47,Fourier变换,频率有上限这是Fourier分析也面临的问题。Fourier分析中的积分限都是无穷的，要求频率无限大，时间也没有起点和终点，这不符合现代物理理论（见时间简史），在应用中总是存在频率和时间的截断（即物理意义上的无限大），然而这并没有妨碍Fourier分析的成功应用。,2020/5/30,电子科技大学,48,近区效应,这是电磁导弹效应满足的公式。在大于Z2的区域，电磁波满足平方反比律：应当指出第一，我们感兴趣的区域总是有限区域；第二，总是可以不断扩展慢衰减区域。,2020/5/30,电子科技大学,49,缩比实验,电磁场理论是线性理论，满足（在天线研究中广泛使用的）缩比理论，按严格理论公式计算，公式中没有限制天线口径和波形参数（脉冲宽度、上升时间、脉冲幅值等）的取值范围，适当设计可以满足工程需要。,2020/5/30,电子科技大学,50,EMM的反射,2020/5/30,电子科技大学,51,UWB/SP源,光导脉冲源响应速度高，达到飞秒量级承受功率容量高热容高效率高现在单个光导脉冲源功率达1MW-1GW。,2020/5/30,电子科技大学,52,光导脉冲源,三端器件，光电隔离,2020/5/30,电子科技大学,53,Rogowski电极结构,电场近似为匀强电场，同时与共面电极结构相比，成倍提高光导开关的耐压能力.,图1Rogowski电极结构,2020/5/30,电子科技大学,54,离子束与强激光处理半导体表面;采用（Pd、Ge、Ti、Pt）等四种金属，探索出耐高温的欧姆电极加工工艺，使PCSS在击穿电场下击穿时，金属电极合金未与半导体材料渗透。,2020/5/30,电子科技大学,55,PCSS,PCSS两种欧姆电极损伤情况a.标注欧姆电极的渗透损伤b.耐高温欧姆电极的无渗透损伤耐高温欧姆接触电极加工方式研制的单个异面GaAs光导开关稳定工作时的部分实验指标：最高偏置电场:10kV/mm,重复频率1kHz,稳定峰值功率:2MW,SP脉冲上升沿40ps最短SP脉冲宽度:147164ps,2020/5/30,电子科技大学,56,采用倍压网络,2020/5/30,电子科技大学,57,2020/5/30,电子科技大学,58,脉冲频谱估算,W是脉冲宽度,以ps为单位,脉冲上升时间也是以ps为单位.,2020/5/30,电子科技大学,59,脉冲宽度控制,脉冲宽度可以在0.1-5ns内改变.,2020/5/30,电子科技大学,60,EMM的辐射,点源+透镜、点源+反射镜、点源阵列、线源阵列、面源阵列；圆锥天线、V-锥天线、TEM喇叭等现在已经可以不失真地把脉冲辐射出去，天线响应达到0.1-100GHz,2020/5/30,电子科技大学,61,UWB天线,2020/5/30,电子科技大学,62,天线系统理论,UWB,2020/5/30,电子科技大学,63,V-conicalantennas,CircularV-conicalantennasEllipticV-conicalantennas(universalmodel)V-TriangularplateantennasFiniteV-conicalantennas(engineering)SeriesfeedV-conicalarray(RFV)ParallelfeedV-conicalarray,2020/5/30,电子科技大学,64,V-conicalantennas,CircularV-conicalantennaZ=(Z0/2)K(cosx)/K(sinx),2020/5/30,电子科技大学,65,EllipticV-conicalantennas,Whenk0,theellipticV-conicalantennabecomesaV-triangularplateantenna,2020/5/30,电子科技大学,66,2020/5/30,电子科技大学,67,TEM喇叭阵列,低频特性取决于阵列天线尺寸高频特性取决于单元喇叭的结构阵列激光同步技术低电平空间功率合成；辐射轴线上的能量密度正比于阵元数的平方。,2020/5/30,电子科技大学,68,自补结构,2020/5/30,电子科技大学,69,辐射功率,2020/5/30,电子科技大学,70,阵列激光同步技术,实现空间电场同方向相加，能量密度正比于阵元数的平方。例如，12*12的方阵，电场同方向相加的结果是，能量密度等于（144E)2的能量密度，而不是144E2的能量密度,二者之间的差距等于阵元数。,2020/5/30,电子科技大学,71,微透镜阵列和针孔阵列分束,微透镜阵列,（a）光束被微透镜阵列分割,（b）光经过针孔阵列形成点光源阵列,针孔阵列结构,2020/5/30,电子科技大学,72,2020/5/30,电子科技大学,73,多级激光分束,2020/5/30,电子科技大学,74,激光分束,光纤分束的效率可以达到80%;采用非线性光纤,实现放大限幅激光脉冲;用距离换时间来实现阵列同步.,a.1/4分束光纤,b.1/12分束光纤,2020/5/30,电子科技大学,75,光纤分束,2020/5/30,电子科技大学,76,几种fs、ps激光器,2020/5/30,电子科技大学,77,激光耦合,2020/5/30,电子科技大学,78,实验研究,2020/5/30,电子科技大学,79,双鳍天线,2020/5/30,电子科技大学,80,licroy8600A示波器,2020/5/30,电子科技大学,81,实验设备,2020/5/30,电子科技大学,82,单元天线慢衰减实验验证,2020/5/30,电子科技大学,83,阵列天线慢衰减实验结果,2020/5/30,电子科技大学,84,场强相加,2020/5/30,电子科技大学,85,相关接收技术,参见Harmuth的著作，以及UWB通信的有关论文；脉冲位置调制（PPM）；伪随机码调制(TH-CDMA)；其他复杂调制技术。现在已经有超宽带芯片出售,2020/5/30,电子科技大学,86,相关接收技术,2020/5/30,电子科技大学,87,实验研究,实验目的/三段式传播规律比较标准/口径/能量/波形与频率实验方法/排除不稳定因素实验设备/信号源/辐射器/宽带示波器辐射器/阵列与同步/抛物面实验场地/系统设计/包括Z1和Z2,2020/5/30,电子科技大学,88,EMM的应用,2020/5/30,电子科技大学,89,UWB通信/绿色通信,Internet无线接入多媒体通信无线局域网军事通信保密通信,2020/5/30,电子科技大学,90,TM-UWB通信技术,以皮秒脉冲为载波精确的脉冲定位调制(PPM)跳时扩频码分多址(TH-CDMA)时域相关“匹配滤波”技术,2020/5/30,电子科技大学,91,个人通信,CW通信容量小平均功率大