超宽带电磁学及其应用3

1、超宽带电磁学及其应用超宽带电磁学及其应用电子科技大学电子科技大学阮成礼阮成礼2006年年2月月20日日5月月10日，三教楼日，三教楼109教室，教室，周一周一7、8节，周四节，周四9、10节。节。辐射源辐射源均匀平面电流分布（均匀平面电流分布（WuWu）、用阵列实现）、用阵列实现(Shen)(Shen)所有源点上电流波形相同所有源点上电流波形相同( (时空分离时空分离) )、即阵列同步、即阵列同步实现实现EMMEMM的波形条件的波形条件(Ruan)(Ruan)、UWBUWB天线、光导脉冲源天线、光导脉冲源0)()(),(tfzxtrJ),(),(yxSyxSyxzRP(x,y,z)实现实现EM

2、MEMM的条件的条件 频域条件频域条件： 波形条件波形条件：有突变，例如理想方波有突变，例如理想方波 电磁导弹效应电磁导弹效应：临界脉冲宽度和临界脉冲上升时间wcawcwcaZ2/2/ )(2221caccaZ2/2/ )(222210 ,1)(42120KF光导脉冲源光导脉冲源三端器件，光电隔离激光脉冲DC高压或者脉冲高压光生载流子负载Rogowski电极结构 电场近似为匀强电场，同时与共面电极结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构相比，成倍提高光导开关的耐压能力. 正 面 电 极 反 面 电 极 开 关 缝 隙 GaAs基 片 图1 Rogowski电极

3、结构 光导脉冲源光导脉冲源 脉冲宽度可以在0.1-5ns内改变.DC高压PCS激光半导体材料倍压网络300fs上升ps量级脉宽300fs5ns脉冲电压10V20kV脉冲频谱估算脉冲频谱估算 W是脉冲宽度, 是脉冲上升时间，以ps为单位.GHzWf,5000GHzfh,500lhfff0UWB/SP源 光导脉冲源光导脉冲源接近理想的接近理想的EMMEMM脉冲源脉冲源 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现在单个光导脉冲源功率达1MW-1GW1MW-1GW。UWBUWB天线天线 电小天线电小天线 圆锥天线圆锥天线 V-V-锥天线锥天线 螺旋天线螺旋天线

4、 对数周期天对数周期天线线 TEMTEM喇叭喇叭 槽天线槽天线蝴蝶结天线圆圆V-锥天线锥天线椭圆椭圆V-锥天线锥天线螺旋天线螺旋天线对数周期天线LPDATEM喇叭槽天线三角板天线三角板天线有限长圆锥天线有限长圆锥天线电小天线电小天线/电偶极子电偶极子电小天线的传输线模型电小天线的传输线模型圆锥天线圆锥天线椭圆锥天线椭圆锥天线圆锥天线圆锥天线 直径渐变导线替代电偶极子的辐射体，形成双锥结构，能扩展天线带宽。 理想化圆锥天线变形可以得到有限长双圆锥天线、椭圆锥天线、非对称有限长双圆锥天线、线结构双圆锥天线、以及其他形式的双圆锥天线。V-conical antennasCircular V-coni

5、cal antenna Z=(Z0/2)K(cosx)/K(sinx)zoxyFeeding point(r,x,0 ) 周期结构的齿形天线称为齿形对数周期平面天线，是对数周期天线中的一种形式。( -1)2 )- 210(2 )01ananannRr eeRr e对数周期天线对数周期天线LPDALPDA天线天线 自补平面等角螺旋天线自补平面等角螺旋天线 无频变天线三个特点：无频变天线三个特点：一是天线结构应主要依一是天线结构应主要依赖于角度的变化，而不赖于角度的变化，而不是长度的变化。二是天是长度的变化。二是天线结构具有自补特性。线结构具有自补特性。三是天线具有一定的直三是天线具有一定的直径或

6、厚度。径或厚度。 TEMTEM喇叭天线喇叭天线 低频特性取决于低频特性取决于阵列天线尺寸阵列天线尺寸 高频特性取决于高频特性取决于单元喇叭的结构单元喇叭的结构 阵列激光同步技阵列激光同步技术术 低电平空间功率低电平空间功率合成；合成； 辐射轴线上的能辐射轴线上的能量密度正比于阵量密度正比于阵元数的平方。元数的平方。槽天线槽天线 可以认为是平面TEM喇叭天线介质基片铜箔馈电端口阵列激光同步技术阵列激光同步技术实现空间电场同方向相加，能量密度正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，比于阵元数的平方。例如，1212* *1212的方阵，电的方阵，电场同方向相加的结果是，能量密度等

7、于场同方向相加的结果是，能量密度等于（144E)144E)2 2 的能量密度，而不是的能量密度，而不是144E144E2 2 的能量密的能量密度度, ,二者之间的差距等于阵元数。二者之间的差距等于阵元数。激光激励技术激光激励技术 用光纤激光器作为光导开关的激励源，经过激光用光纤激光器作为光导开关的激励源，经过激光分束器，同步激励天线阵的每一个开关，可以实现空分束器，同步激励天线阵的每一个开关，可以实现空间场强同方向相加。间场强同方向相加。多级激光分束多级激光分束高功率二极管泵浦激光器光导开关光导开关光导开关光导开关1N分束器 .半导体光放大器或者:光纤放大器半导体光放大器半导体光放大器半导体光

8、放大器半导体光放大器1M分束器半导体光放大器半导体光放大器半导体光放大器半导体光放大器激光同步技术激光同步技术 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分束光纤场强相加场强相加G/G0 40 50 60 70 80 0 20 40 60 80 100 120 6.3961127.21361.222阵列天线阵列天线慢衰减实验结果慢衰减实验结果1101001E-51E-41E-30.010.11相关接收技术相关接收技术 参见Harmuth的著作，以及UWB通信的有关论文； 脉冲位置调制（PPM）

9、； 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。相关接收技术相关接收技术 C E Shannon:可靠有效的最佳信号是具有噪声统计特性的信号。 成对的伪随机码声码器数字复接器伪码产生器脉冲源UWB 天线声码器数字复接器高速触发器UWB 天线数字相关器VCOLP判决器发射机接收机相关接收技术相关接收技术延迟求和脉冲串输入相关脉冲输出相关接收输出脉相关接收输出脉冲冲实验方案实验方案 采用双通道双迹线方法，可排除环境和系统的不稳定性，保证数据可靠。在实验室内，在光导脉冲源输出端接上衰减器和脉冲示波器替代天线进行测试。 实验场地：广元机场2.7kmEMMEMM的应用

10、的应用EMM技术遥感武器UWB雷达通信目标特性监视雷达UWB通信保密通信UWB通信通信/绿色通信绿色通信 Internet无线接入 多媒体通信 无线局域网 军事通信 保密通信 TM-UWB通信技术 以皮秒脉冲为载波以皮秒脉冲为载波 精确的脉冲定位调制精确的脉冲定位调制(PPM)(PPM) 跳时扩频码分多址跳时扩频码分多址(TH-CDMA)(TH-CDMA) 时域相关时域相关“匹配滤波匹配滤波”技术技术个人通信 CW通信 容量小 平均功率大（100mW量级） 多径干扰 易截获，保密性差 UWB通信 容量大 平均功率小（1mW量级） 抗多径干扰 不易截获，保密性好UWBUWB雷达雷达 反隐身雷达反

11、隐身雷达/ /材料材料/ /外形外形 高分辨雷达高分辨雷达1ns/0.15m, 1ps/0.15mm1ns/0.15m, 1ps/0.15mm 海面监测雷达海面监测雷达 目标成象雷达目标成象雷达/ /宽谱宽谱 UWBUWB相控阵雷达相控阵雷达 森林透视雷达森林透视雷达 Impulse and stealthimpulsecwWWEMMEMM的反射的反射总体技术方案总体技术方案 Fs光纤激光器、TTD，激光分束器、调制器、光导高功率毫米波源、UWB天线集成单元、超宽带天线阵、超宽带接收传感器、解调器、高压高功率脉冲偏压源、计算机、脉冲示波器等。Remarks on UWB A technolog

12、y that challenges a basic concept of the wireless industry. Ultra-wideband is today where the internet was in 1993 and 1994. an invention that might be as important as transistor天线的传输线模型天线的传输线模型 传输线上的电流和电场磁场分布/20天线的传输线模型天线的传输线模型 开路传输线末端张开形成对称振子天线(b)天线的传输线模型天线的传输线模型 天线和传输线不同，传输线两端都是闭合电路，天线和传输线不同，传输线两

13、端都是闭合电路，天线的一端是闭合电路（发射源），一端是自由天线的一端是闭合电路（发射源），一端是自由空间（负载），但本质上是传输电磁能量，是一空间（负载），但本质上是传输电磁能量，是一种特殊的能量传输形式。种特殊的能量传输形式。 结论：天线是传输线的特殊形式，它起着被导波结论：天线是传输线的特殊形式，它起着被导波与辐射波之间能量转换的作用。我们把这种学术与辐射波之间能量转换的作用。我们把这种学术思想称为天线的传输线模型。思想称为天线的传输线模型。天线性能参数天线性能参数 辐射方向图辐射方向图F(,)： 方向性方向性D： 增益增益G： 极化极化： 输入阻抗输入阻抗： 带宽带宽： 天线效率天线效率

14、： 相对带宽之间的关系定义BW1BW2BW3BW4BW1f/f012 BW2BW2f/2f0BW1/21BW3fh/ft12 BW4BW4ln(fh/ft)/ln2ln(BW3)/ln2111233BWBW1212244BWBW1133BWBW121244BWBW1122BWBWBWBW1122ln/ )22ln(11BWBW2ln/ )11ln(22BWBW各个相对带宽的取值比较 点频窄带倍频程超宽带BW1010%50%2/3， 6/514/9, 30/17，2（n-1）/(n+1) 2BW205%25%1/3， 3/57/9, 15/17，（n-1）/(n+1) 1BW311.10531.

15、6672， 48, 16, n, BW400.14440.7371， 23, 4, ln(n)/ln2, VSWR带宽0123456789101112131415-50-40-30-20-100 new antenna bowtie dual folded bowite RETURN LOSS (dB)FREQUENCY(GHz)R8 0 m m40mmS M Ag ro u n d p la n eYXb e taXYground planethe folding arcthe folding arcSMA40mm80mmRbetaSS10dB S11频率从4.6GHz降低到1.2GHz，S

16、11曲线大幅度下移。阻抗带宽和方向图带宽大幅度提高0123456789101112131415-16-14-12-10-8-6-4-202468 new antenna bowtie dual folded bowite G(0,0) (dB)FREQUENCY (GHz)R8 0 m m40mmS M Ag ro u n d p la n eYXb e taXYground planethe folding arcthe folding arcSMA40mm80mmRbetaSS增益平均提高4dB，最大提高了13dB。增益曲线更加平坦，增益带宽展宽天线类型天线类型 电小天线电小天线 谐振天线

17、谐振天线 孔径天线孔径天线 宽带天线宽带天线 阵列天线阵列天线 新型天线新型天线UWBUWB天线天线天线波导型天线：波纹喇叭线微带线型：微带贴片天螺旋天线对数周期天线喇叭天线槽天线锥天线圆锥天线电小天线双线传输线型传输线型天线天线TEMVUWB超宽带天线原理超宽带天线原理 角形结构角形结构 自补结构自补结构 自相似天线自相似天线 增大电流辐射面积增大电流辐射面积 补偿与加载补偿与加载 多回路微带天线多回路微带天线 波纹喇叭天线波纹喇叭天线角形结构天线角形结构天线 设计与频率无关天线，要尽尽量减小对天线长度的依赖性，增大对天线角结构的依赖性。 角形结构的天线有双锥天线、V-锥天线、螺旋天线、Bo

18、w-tie天线等。 理论模型：无限长，和无限长传输线一样，不管终端状态如何，都将匹配，而且与频率无关。 角形结构保证了天线辐射的是TEM波。在有限长度情况下，在天线区域传播的主模式是TEM模式。自补结构天线自补结构天线 Babinet原理来自于光学，把Babinet原理推广到电磁学导出互补天线输入阻抗之间的重要关系，即二者的乘积等于一个常数22236004)120(4airmetalZZ如果一个天线是其自己的互补天线，那么其输入阻抗一定如果一个天线是其自己的互补天线，那么其输入阻抗一定是与频率无关的。是与频率无关的。 602airmetalZZ自补结构天线自补结构天线 当角度为当角度为9090

19、时，是一个自补结构。时，是一个自补结构。自相似天线自相似天线 辐射只发生在天线的有效的区域，其尺寸（长度）接近半波长、或者（周长）是一个波长。 随着频率的增加，有效区域逐渐向天线尺寸较小的部分移动。 对数周期天线和螺旋天线结构上结构上都具有自相似性。自相似性。 典型的自相似结构天线是分形天线。用分形几何学提高辐射电阻，扩展天线带宽。 角形结构双锥天线、v-锥天线也有自相似性，不存在所谓的有效区域，所以不把它们归入这里。分形天线分形天线增大电流辐射面积增大电流辐射面积 用较厚较粗的金属材料用较厚较粗的金属材料。 双锥天线是加粗了的偶极子天线，它的辐射面积比一般的偶极子天线大得多，也比V-锥天线的辐射面积大，所以它的辐射电阻比偶极子天线和V-锥天线大，而输入电抗则比偶极