超寬帶電磁學(xué)1

超寬帶電磁學(xué)及其應(yīng)用阮成禮電子科技大學(xué)2/5/20231電子科技大學(xué)參考書1.阮成禮：電磁導(dǎo)彈概論，人民郵電出版社，1994年（全國“八五”高技術(shù)重點(diǎn)圖書）；2.阮成禮：超寬帶天線理論與技術(shù)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005年（“十五”國防重點(diǎn)專著）；3.WLStutzingandGAThiele,Antennatheoryanddesign,2ndedition,Chapter6.2/5/20232電子科技大學(xué)電磁學(xué)簡史（ElectromagnetismHistory）585B.C.,希臘哲學(xué)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(shí)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(duì)光做出解釋；18世紀(jì)，靜電學(xué)的定量描述；1820年，奧斯特電流對(duì)磁針的作用；2/5/20233電子科技大學(xué)電磁學(xué)簡史（ElectromagnetismHistory）1831年法拉第用磁鐵插入線圈產(chǎn)生電流，1850年給出電磁感應(yīng)定律；1864年麥克思韋總結(jié)出Maxwell方程組，預(yù)言了電磁波，光是電磁波；1886-1889年赫茲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jì)。2/5/20234電子科技大學(xué)UWBEM簡史1887年Hertz第一次關(guān)于收發(fā)電磁波實(shí)驗(yàn)，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(guān)于反隱身研究/新理論…1992年EMmissiles進(jìn)入系統(tǒng)應(yīng)用；1994年:電磁導(dǎo)彈概論(95,全國二等獎(jiǎng))，2005年EMmissiles探索項(xiàng)目立項(xiàng)/國防創(chuàng)新展。到目前為止，已經(jīng)突破關(guān)鍵技術(shù)（源，天線，接收）。2/5/20235電子科技大學(xué)需求電磁頻譜非常擁擠雷達(dá)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(quán)（電子戰(zhàn)）二十一世紀(jì)世界列強(qiáng)爭奪的重要對(duì)象2/5/20236電子科技大學(xué)科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力1887年-1983年電磁波創(chuàng)造了百年奇跡（1887年法拉第的實(shí)驗(yàn)；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(guān)鍵技術(shù)上的困難阻礙了UWB發(fā)展）科學(xué)是永遠(yuǎn)不會(huì)停止前進(jìn)的步伐。時(shí)代的要求（頻譜資源的擁擠，UWB的獨(dú)特性能），時(shí)域電磁波資源的開拓和應(yīng)用一定會(huì)創(chuàng)造新奇跡。2/5/20237電子科技大學(xué)超寬帶電磁學(xué)研究UWB/SP信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、輻射、接收處理技術(shù)，以及在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)和其他領(lǐng)域的系統(tǒng)應(yīng)用。超寬帶定義BW=(fh-fl)/(fh+fl)100%脈沖寬度皮秒量級(jí)（10-12s）頻率范圍從HF到THz2/5/20238電子科技大學(xué)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(xué)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(xué)UWBElectromagnetismTheultra-widebandantennasareessentialforexploitingtheresourceoftime-domainelectromagneticwaves.UWBcommunicationsUWBradarsUWBEWsystemsUWBcommercialelectronicsystems，remotesensing，imaging，etc.2/5/202311電子科技大學(xué)Maxwell方程的兩種解法分離變量法：時(shí)諧電磁波變量代換：瞬態(tài)電磁波2/5/202312電子科技大學(xué)分離變量法：時(shí)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(duì)t的微分運(yùn)算：乘，積分運(yùn)算：除Fourier分析2/5/202313電子科技大學(xué)達(dá)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(shí)空不分離）可以把波方程2/5/202314電子科技大學(xué)達(dá)郎貝變換法解波方程橫向Laplace算符，波阻抗。設(shè)方程有形式解可以得到關(guān)于電場包絡(luò)的波方程和相應(yīng)的解2/5/202315電子科技大學(xué)時(shí)域電磁波理論基礎(chǔ)Maxwell方程有瞬態(tài)電磁波解測不準(zhǔn)原理Fourier變換2/5/202316電子科技大學(xué)Schr?dinger方程Maxwell方程有準(zhǔn)離子態(tài)的解。在有耗媒質(zhì)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(xué)測不準(zhǔn)原理位置-動(dòng)量測不準(zhǔn)原理時(shí)間-頻率測不準(zhǔn)原理2/5/202318電子科技大學(xué)Fourier分析正變換和逆變換形式相同時(shí)間t和頻率f交換公式成立許多用戶通過編碼可以同時(shí)占有相同的頻譜，而不互相干擾2/5/202319電子科技大學(xué)時(shí)域電磁波資源

—UWBElectromagnetism二十世紀(jì)80年開始，學(xué)術(shù)界對(duì)瞬態(tài)電磁波的傳播與輻射特性進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，華裔學(xué)者在該領(lǐng)域做出了杰出貢獻(xiàn)。瞬態(tài)電磁波是一種尚待開發(fā)的時(shí)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(jì)將是爭奪時(shí)域電磁波資源的新世紀(jì)。2/5/202320電子科技大學(xué)瞬態(tài)電磁波的資源特征能量特征信息特征（調(diào)制）可利用（關(guān)鍵技術(shù)突破）信號(hào)源發(fā)射天線接收技術(shù)2/5/202321電子科技大學(xué)能量特征Impulse攜帶電磁能量是傳遞信息的基礎(chǔ)；單脈沖能量用函數(shù)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(xué)信息特征（調(diào)制）天然的數(shù)字信號(hào)；ps脈沖可以實(shí)現(xiàn)更長的編碼，容量大，相關(guān)增益高，保密性好；可以實(shí)現(xiàn)各種方式的調(diào)制。2/5/202323電子科技大學(xué)關(guān)鍵技術(shù)突破UWB脈沖源氣體放電管隧道二極管光導(dǎo)開關(guān)UWB天線圓錐天線V-錐天線TEM喇叭與頻率無關(guān)天線相關(guān)接收技術(shù)2/5/202324電子科技大學(xué)光控微波單元

2/5/202325電子科技大學(xué)超寬帶天線超寬帶天線：適合本項(xiàng)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(zhì)基片上制作，也容易與光導(dǎo)開關(guān)集成化，而且具有超寬帶、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。2/5/202326電子科技大學(xué)相關(guān)接收技術(shù)CEShannon:可靠有效的最佳信號(hào)是具有噪聲統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)。成對(duì)的偽隨機(jī)碼聲碼器數(shù)字復(fù)接器偽碼產(chǎn)生器脈沖源UWB天線聲碼器數(shù)字復(fù)接器高速觸發(fā)器UWB天線數(shù)字相關(guān)器VCOLP判決器發(fā)射機(jī)接收機(jī)2/5/202327電子科技大學(xué)CW和LW比較波方程：時(shí)域/頻域求解方法：達(dá)郎貝變換/分離變量通解：三維脈沖/時(shí)諧函數(shù)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(shí)域特性：短脈沖/連續(xù)波實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：光子/正弦波2/5/202328電子科技大學(xué)結(jié)論瞬態(tài)電磁波是一種時(shí)域電磁波資源；和頻域電磁波資源具有相同的重要性；時(shí)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(jì)將是爭奪時(shí)域電磁波資源的新世紀(jì)，將有一大批學(xué)者為之長期奮斗。2/5/202329電子科技大學(xué)習(xí)題和思考題1、認(rèn)真研究以下電磁學(xué)的歷史和超寬帶電磁學(xué)歷史，加深對(duì)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(xué)理論模型1980年代聚焦波模定向能電磁脈沖串貝塞爾束復(fù)源脈沖束電磁子彈電磁導(dǎo)彈2/5/202331電子科技大學(xué)電磁導(dǎo)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(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究ShenHaoMing電子科技大學(xué)研究進(jìn)展快，有了系統(tǒng)論述2/5/202332電子科技大學(xué)電磁位理論2/5/202333電子科技大學(xué)漸進(jìn)解2/5/202334電子科技大學(xué)嚴(yán)格解不衰減區(qū)和慢衰減區(qū)域的嚴(yán)格變化規(guī)律嚴(yán)格求解積分遠(yuǎn)區(qū)與TTWu的結(jié)論一致2/5/202335電子科技大學(xué)嚴(yán)格解時(shí)域解頻域解2/5/202336電子科技大學(xué)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(xué)輻射因子2/5/202338電子科技大學(xué)三段式傳播規(guī)律2/5/202339電子科技大學(xué)現(xiàn)有電磁場理論以往電磁理論給出了近區(qū)遠(yuǎn)區(qū)存在一個(gè)模糊區(qū)域，即近區(qū)和遠(yuǎn)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(xué)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(nèi)電磁波的傳播特性，為嚴(yán)格設(shè)計(jì)UWB電子系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。2/5/202341電子科技大學(xué)‘雷達(dá)前移’有人認(rèn)為‘慢衰減距離等同于雷達(dá)前移’，一百米或者幾百米的不衰減距離對(duì)整個(gè)雷達(dá)的探測威力沒有實(shí)質(zhì)性影響。事實(shí)上‘雷達(dá)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(biāo)為參考點(diǎn)，不衰減距離增加是使整個(gè)曲線‘向前平移’，探測距離按相應(yīng)的dB值增加。2/5/202342電子科技大學(xué)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(yīng)用陣列技術(shù)/巨大口徑/場強(qiáng)同向相加可以進(jìn)行嚴(yán)格系統(tǒng)設(shè)計(jì)適當(dāng)設(shè)計(jì)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(xué)實(shí)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(shí)間2/5/202344電子科技大學(xué)EMM的意義指出了信號(hào)波形設(shè)計(jì)的努力方向；明確數(shù)學(xué)上的無限遠(yuǎn)和物理意義上的無限遠(yuǎn)具有不同意義；隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步可以逐步把慢衰減區(qū)域推向更遠(yuǎn)。2/5/202345電子科技大學(xué)關(guān)于EMM的討論頻率有上限/Fourier變換近區(qū)效應(yīng)/實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證/電磁波傳播規(guī)律/縮比實(shí)驗(yàn)2/5/202346電子科技大學(xué)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(shí)間也沒有起點(diǎn)和終點(diǎn)，這不符合現(xiàn)代物理理論（見時(shí)間簡史），在應(yīng)用中總是存在頻率和時(shí)間的‘截?cái)唷次锢硪饬x上的無限大），然而這并沒有妨礙Fourier分析的成功應(yīng)用。2/5/202347電子科技大學(xué)近區(qū)效應(yīng)這是電磁導(dǎo)彈效應(yīng)滿足的公式。在大于Z2的區(qū)域，電磁波滿足平方反比律：應(yīng)當(dāng)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(kuò)展慢衰減區(qū)域。2/5/202348電子科技大學(xué)縮比實(shí)驗(yàn)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(yán)格理論公式計(jì)算，公式中沒有限制天線口徑和波形參數(shù)（脈沖寬度、上升時(shí)間、脈沖幅值等）的取值范圍，適當(dāng)設(shè)計(jì)可以滿足工程需要。2/5/202349電子科技大學(xué)EMM的反射2/5/202350電子科技大學(xué)UWB/SP源光導(dǎo)脈沖源響應(yīng)速度高，達(dá)到飛秒量級(jí)承受功率容量高熱容高效率高現(xiàn)在單個(gè)光導(dǎo)脈沖源功率達(dá)1MW-1GW。2/5/202351電子科技大學(xué)光導(dǎo)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(fù)載2/5/202352電子科技大學(xué)Rogowski電極結(jié)構(gòu)

電場近似為勻強(qiáng)電場，同時(shí)與共面電極結(jié)構(gòu)相比，成倍提高光導(dǎo)開關(guān)的耐壓能力.

圖1Rogowski電極結(jié)構(gòu)2/5/202353電子科技大學(xué)離子束與強(qiáng)激光處理半導(dǎo)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(shí)，金屬電極合金未與半導(dǎo)體材料滲透。圖3.PCSS兩種歐姆電極損傷情況a.標(biāo)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(xué)PCSSPCSS兩種歐姆電極損傷情況a.標(biāo)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(gè)異面GaAs光導(dǎo)開關(guān)穩(wěn)定工作時(shí)的部分實(shí)驗(yàn)指標(biāo)：最高偏置電場:10kV/mm,重復(fù)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(xué)采用倍壓網(wǎng)絡(luò)b.Blumlein倍壓網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖a.三倍壓網(wǎng)絡(luò)原理圖c.高轉(zhuǎn)換效率與高功率實(shí)驗(yàn)d.13kV輸入，10.1KV輸出電脈沖2/5/202356電子科技大學(xué)2/5/202357電子科技大學(xué)脈沖頻譜估算W是脈沖寬度,以ps為單位,脈沖上升時(shí)間也是以ps為單位.2/5/202358電子科技大學(xué)脈沖寬度控制脈沖寬度可以在0.1-5ns內(nèi)改變.DC高壓PCS激光2/5/202359電子科技大學(xué)EMM的輻射點(diǎn)源+透鏡、點(diǎn)源+反射鏡、點(diǎn)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(jīng)可以不失真地把脈沖輻射出去，天線響應(yīng)達(dá)到0.1-100GHz2/5/202360電子科技大學(xué)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(xué)天線系統(tǒng)理論蝴蝶結(jié)天線圓V-錐天線橢圓V-錐天線螺旋天線對(duì)數(shù)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(xué)V-conicalantennasCircularV-conicalantennasEllipticV-conicalantennas(universalmodel)V-TriangularplateantennasFiniteV-conicalantennas(engineering)SeriesfeedV-conicalarray(RFV)ParallelfeedV-conicalarray2/5/202363電子科技大學(xué)V-conicalantennasCircularV-conicalantennaZ=(Z0/2)K(cosx)/K(sinx)zoxyFeedingpoint(r,θx,φ0)2/5/202364電子科技大學(xué)EllipticV-conical

antennasWhenk→0,theellipticV-conicalantennabecomesaV-triangularplateantenna,V-Triangularplateantennaradiationarmfeedingpoint2/5/202365電子科技大學(xué)2/5/202366電子科技大學(xué)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(jié)構(gòu)陣列激光同步技術(shù)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(shù)的平方。2/5/202367電子科技大學(xué)自補(bǔ)結(jié)構(gòu)2/5/202368電子科技大學(xué)輻射功率2/5/202369電子科技大學(xué)陣列激光同步技術(shù)

實(shí)現(xiàn)空間電場同方向相加，能量密度正比于陣元數(shù)的平方。例如，12*12的方陣，電場同方向相加的結(jié)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(shù)。2/5/202370電子科技大學(xué)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(jīng)過針孔陣列形成點(diǎn)光源陣列針孔陣列結(jié)構(gòu)2/5/202371電子科技大學(xué)激光束至光開導(dǎo)關(guān)光纖與放大2/5/202372電子科技大學(xué)多級(jí)激光分束高功率二極管泵浦激光器…光導(dǎo)開關(guān)光導(dǎo)開關(guān)光導(dǎo)開關(guān)光導(dǎo)開關(guān)…1×N分束器…….…半導(dǎo)體光放大器或者:光纖放大器半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器1×M分束器半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體光放大器圖8分束器級(jí)聯(lián)分束2/5/202373電子科技大學(xué)激光分束光纖分束的效率可以達(dá)到80%;采用非線性光纖,實(shí)現(xiàn)放大限幅激光脈沖;用距離換時(shí)間來實(shí)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(xué)?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(xué)幾種fs、ps激光器皮秒染料鎖模激光器半導(dǎo)體泵浦微腔結(jié)構(gòu)高重復(fù)頻率激光器飛秒激光系統(tǒng)2/5/202376電子科技大學(xué)激光耦合.非焦點(diǎn)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(xué)實(shí)驗(yàn)研究2/5/202378電子科技大學(xué)雙鰭天線2/5/202379電子科技大學(xué)licroy8600A示波器2/5/202380電子科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備2/5/202381電子科技大學(xué)單元天線

慢衰減實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2/5/202382電子科技大學(xué)陣列天線

慢衰減實(shí)驗(yàn)結(jié)果2/5/202383電子科技大學(xué)場強(qiáng)相加G/G06.3961127.21361.2222/5/202384電子科技大學(xué)相關(guān)接收技術(shù)參見Harmuth的著作，以及UWB通信的有關(guān)論文；脈沖位置調(diào)制（PPM）；偽隨機(jī)碼調(diào)制(TH-CDMA)；其他復(fù)雜調(diào)制技術(shù)?，F(xiàn)在已經(jīng)有超寬帶芯片出售2/5/202385電子科技大學(xué)相關(guān)接收技術(shù)延遲求和脈沖串輸入相關(guān)脈沖輸出相關(guān)接收輸出脈沖2/5/202386電子科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/三段式傳播規(guī)律比較標(biāo)準(zhǔn)//口徑/能量/波形與頻率實(shí)驗(yàn)方法//排除不穩(wěn)定因素實(shí)驗(yàn)設(shè)備//信號(hào)源/輻射器/寬帶示波器輻射器//陣列與同步/拋物面實(shí)驗(yàn)場地//系統(tǒng)設(shè)計(jì)/包括Z1和Z22/5/202387電子科技大學(xué)EMM的應(yīng)用EMM技術(shù)遙感武器UWB雷達(dá)通信目標(biāo)特性監(jiān)視雷達(dá)UWB通信保密通信2/5/202388電子科技大學(xué)UWB通信/綠色通信Internet無線接入多媒體通信無線局域網(wǎng)軍事通信保密通信……2/5/202389電子科技大學(xué)TM-UWB通信技術(shù)以皮秒脈沖為載波精確的脈沖定位調(diào)制(PPM)跳時(shí)擴(kuò)頻碼分多址(TH-CDMA)時(shí)域相關(guān)“匹配濾波”技術(shù)2/5/202390電子科