无线电物理前沿进展 1

1、无线电物理前沿进展,1。电磁场的数值仿真 2。双负媒质 3。超宽带技术 4。微波光电子工程 5。电磁波的时间反演技术,物理电子学院 喻志远 2007,前言,我国国民经济的三大支柱科学是什么？ A。信息科学 B。生命科学 C。材料科学 无线电物理是信息科学的基础学科之一。,1.各学科之间的相互渗透正在加速 2. 数学物理等基础学科的基础作用越来越 明显; 3. 计算机技术的作用与依赖性日益突显。 结论： 打好基础：学好数学；计算机语言；专业理论 开拓视野：博览群书；会当凌绝顶，一揽众山小 树雄心，立大志：勇攀高峰,现代自然科学前沿发展的特点,无线电物理的基础电磁理论的发展,1. 电磁理论的发展特

2、别是计算电磁学的发展，为信 息科学的深入发展提供了新的坚实的基础。 2. 光技术与微波毫米波技术的融合，成为当今信息 科学技术的一重要趋势。 3. 新的电磁结构概念的出现：双负媒质；周期结 构；PBG结构，频率选择表面，高阻抗表面 4. 新的信息传输理念：超宽带电磁工程 5. 新的理论的发展为新的应用奠定了新的应用基础,计算电磁学的近代发展,1.电磁理论的发展特别是计算电磁学的发展，为信息科学的深入发展提供了坚实的基础。 主要方法： MOM矩量法：基于格林函数的积分方 程法 FEM有限元法：基于变分原理的离散方法 FDTD时域有限差分法：基于差分代替导数 的数值方法。 计算电磁学，是计算物理的

3、重要分枝， 实验物理，理论物理和计算物理是构成现代物理的三个重要的研究方法。计算物理介于实验方法与理论方法之间有着自己的特点和重要性，从一定的意义上可以代替实验研究。 软件，特别是专用软件是目前和将来知识产权的重要表现形式。 结论：重视计算机软件的开发工作,计算电磁学,基于Maxwell 方程理论的计算电磁理论与高效的电磁数值仿真技术是现代信息技术的基石。 现代信息技术之所以能够发展今天的水平，是因为建立在电磁数值仿真技术上的芯片技术的发展成果，其进一步的发展又有赖于先进的电磁数值仿真技术的进展。 如电磁兼容问题和散热问题是当代大规模超高速集成电路发展的两个主要问题。都有赖于数值分析给出适当的

4、结果，提出解决方案。（即解Maxwell方程和热扩散方程）,二维无限长线TM波在自由空间中辐射,金属圆柱的电磁散射,电磁波由左边入射,正方形无限长柱的电磁散射波,电磁波由左边入射 红色所示为由反射而产生的空间驻波的最大值的位置,介质圆柱的电磁散射,电磁场的数值仿真,近三十年来，随着计算机技术的发展，电磁场的数值仿真技术作为无线电物理的一个重要科学分支得到了长足的进步。如今从理论上可以说没有什么电磁现象是不能进行数值仿真的。从而也极大地促进了以电磁理论为基础的信息技术的发展。 计算电磁学已成为无线电物理的一个重要研究方向。从研究的原理上计算电磁方法可以分为频域法和时域法两种。（Frequency

5、 domain, Time Domain） 主要方法有：有限单元法，矩量法和时域有限差分法。 科学的发展，使人们应用电磁理论和计算机技术结合起来创造了一个可视的电磁场。它可以使我们生动地展现各种条件下电磁场的分布，波的传播过程。使人们对电磁的物理本质的理解有了更加生动的手段。,可视的电磁场电磁场的数值仿真技术,通过电磁数值仿真我们可以给出任何复杂的电磁结构中的电磁场的分布。 (a)八木天线的近场 (b)八天线的三维方向图（远区场） (c)一台正在工作的计算机的辐射场,(a),(b),(c),可视的电磁场(2),(a),(b),(c),一个正在用手机的人的头部电磁分布 (b) 波导“T”型结构

6、(c)其中的场分布,可视的电磁场3,贴片无线的方向图计算,工作时集成电路芯片的引脚处的场分布,高速芯片中的场分布MMIC中的场分布,当两微带线，位于不同平面时的电磁场耦合。 A。一微带的接地平面与另一微带线的信号线共面时的耦合,高速芯片中的场分布MMIC中的场分布（2）,当两微带线，位于不同平面时的电磁场耦合。 B。一微带的信号线与另一微带线的信号线共面，而接地平面不共面时的耦合,利用电磁仿真进行设计,新型滤波器设计与仿真,利用电磁仿真进行设计2,飞行体的RCS计算,双负媒质的基本概念,基本概念及背景： 1968年前学者Veselago,从理论上预言负介电常数与负磁导率同时为负的媒质的特性。这

7、种物质又称为左手物质。这是因为在这种物质中电场与磁场及波矢的指向成左手关系，而常规媒质称为右手媒质。左手媒质与右手媒质有显著的区别。并且有非常重要的应用前景：如反向SNELL定律，多普勒效应和CERENKOV辐射。 1996年Pendry在Phys. Rev. Lett.(V.76,P.4773,1996)上发表论文声称在电等离子频率以下发现微波频段，细导线结构可以展现负介电常数，而非磁性的金属开口环谐振结构可以在磁等离子频率以下显示负磁导率，不久后Shelby等在2001年科学杂志上发表了上述结构的实验结果。虽然还处在原型实验阶段，它在光学微波毫米波工程中的应用潜力已吸引了众多电磁工程人员的

8、注意，相关文献在半年之内增加了一倍,特性:Characteristics,性质 图1左手媒质中的场矢量与波矢间的关系 电场与磁场及波矢间的关系与常规媒质相反； 相速方向也与常规媒质相反；坡印廷矢量的定义与常规媒质相同； 群速也与常规媒质相同。因此LHM仍满足因果关系。在LHM中波阻抗仍然保持正值： 由观察可知在LHM中相速和群速是是反向平行的，即有波前(wave fronts) 是朝向源方向的。在一般媒质中平面波的时间空间依赖的函数关系可以写为（4）,特性,图1（b）左手媒质中E, H, k及E, H, S三矢量的方向关系 这里，如定义一个系统其中向量r,平行于Poynting矢量 S，并与S

9、指向相同的方向。如图1（b）所示,双负媒质的电磁仿真,双负媒质的电磁仿真,DNM1,E-Field for permittivity and permeability smaller than 1,DNM2,E-Field for slab permittivity and permeability equal to 0,DNM3,DNG4,Power flow for DNG Slab.,双负媒质的应用Applications of the DNM,1。作为分枝波导的填充物,如图所示。与常规媒质相反，当波由右手媒质射到两种媒质的边界上，波在左手媒质中的透射波的方向在入射波的同侧。由此可以得到

10、分枝波导中波的完善导向和隔离。,完善透镜,利用左手媒质的不同寻常的折射特性，可以构造出完善的平面透镜。其特点是这种用左手媒质构成的透镜是平面的，且特性与波的频率无关。利用当前的工艺，可在微波频造出这种超级透镜,由左手媒质层构成的聚焦透镜,由混合媒质组成的相位补尝器,What is Ultra Wideband?什么是超宽带技术？,常规定义： “Conventional” Definition Short Pulse “Carrier-free”, “baseband” or “impulse” Typically only a few RF cycles Large fractional ba

11、ndwidth (BW/f0) Very low duty cycles resulting in low average energy densities Typically generated by impulse- or step-excited antennas and filters,UWBSome milestones in the recent history of UWB,1960s avalanche injection has been discovered as a basis for solid state short pulse generators, first p

12、owerful generators: 10ns, 1kV (Kardo-Sysoev) 1968 Tektronix introduced time domain receiver (sampler) , model 7S12 1969 first edition of “Transmission of Information by Orthogonal Functions”by Harmuthfirst complete overview of UWB signals and technology 1974 first video impulse Ground Penetrating Ra

13、dar, which later on became first commercial GSSI radar (Morey) 1975 all basic components of any UWB system became commercially available from Tektronix Late 1990s first UWB front-ends on chip (small size, low power consumption, low costs),What is Ultra Wideband?现代定义,“Modern” Definition 20% or 500 MH

14、z Very wideband variants of standard modulation formats e.g., wideband CDMA, FDMA, etc. Very high duty cycles with nearly equal peak and average powers Typically “constant envelope” modulations Generated by conventional mixer/ synthesizer/baseband-processor,超宽带技术的潜在应用前景,1。另类通信 2。地下探测雷达 3。无障碍成像,UBW的特

15、性,1。探测非常困难 2。对其他系统无干扰 3。对多路干扰的高度的免疫性 3。频率与带宽的自适应性 4。软件可重定义性（对于通信，雷达，定位应用USB系统结构是相同的。可实现软件的重定向） 5。低造价特性,UWB,UWB的军事应用,UWB的军事应用，主要是 定向能武器； 电磁炸弹; 电磁导弹， 电磁枪等,UWB radio system,Carrier frequencies: Imaging system, 10.6 GHz Communication, sensor net, 3.1 10.6 GHz Vehicular radar systems, 24 29 GHz Bandwidth

16、 Computer connections, a few MHz High speed internet, 50 MHz Indoor geo-location, 0.1 7.5 GHz,极短电信号的实现,Optical Generation and Distribution ofUWB Signals,2006 Intern. Conf. on Communication Circuits Systems Proceeding p.2024-2029,Optical Generation and Distribution ofUWB Signals,Modern UWB time domai

17、n radars are within the following specs,Duration of the pulse: 10pS 10nS (1S); Pulse repetition rate: 1kHz 100MHz; Magnitude of the transmitted pulse: 1V1GV; From single polarization till full polarimetric From monostatictill radars network (extremely bistatic) UWB Applications -Radar specs-,探地雷达UWB

18、 Applications,地雷探测UWB Applications,合成孔雷达,探地雷达传感器,Bandwidth from 400MHz up to 4835MHz; Simultaneous transmission and reception of 8 frequencies; Extremely short data acquisition time of about 1.7 msec.,目标识别,UWB通信UWB Communication -Shannons capacity equation-,UWB Applications-Communications ,Nowadays

19、UWB communication is the hottest issue in UWB Advantages of UWB technology in communication: “Hidden”communication Large capacity (Can handle large data streams) Penetration through the foliage, walls of the buildings, etc. Fading robustness, robustness against intentional or natural EMI Low power c

20、onsumption (suits for mobile communication) Position location capability,信道容量,功率谱,UWB多波段FDM/TDMA发射机,UWB无线网络,Composite UWB network Both Line-of-sight (LOS) and non-LOS propagation via frequency diversity Network configuration Star Topology Symmetrical, full duplex links Modular architecture System pa

21、rameters 1-2 km (LOS handheld) 50 km (non LOS) Full duplex digital voice and data 2 to 6 Mb/s,UWB调制技术,UWB通信系统方框图,Pulse position Modulator,UWB 通信天线,关于UWB的一些结论,UWB technology has matured and is now widely used in different research, government and military applicationsCommercial availability of UWB fr

22、ont-end chipsets made UWB technology almost available to the mass-user Within the coming years telecom will probably be the most important application of UWB technology Main R 光波导和光无源器件;阶跃折射率光纤和渐变折射率光 纤.多模与单模光纤; B.微波固态有原器件; 光有源器件; 高速光调制器理论;高速光检测器;掺 铒光纤放大器 C光与微波的相互作用;光控微波;光注入锁定；光电振荡器 D光技术在RF天线阵列中的应用(

23、光纤RF信号的实时延迟，光技术在 RF信号的相移中的应用) F微波毫米波信号处理中的光技术(用光信号产生微波及毫米波信号） G极短光电脉冲的生成; H长距离光通信和光孤子理论;,Microwave Photonics 2006,A Low Cost Techniques for Radio over Fibre B Biomedical Optics and Microwaves C Photonics Systems for Antennas and Beamforming. Optical Switching for RF Applications D Optical Processing

24、 and Control of RF, Microwave, Millimetre-wave and Digital signals. A/D converters E Advances in MWP (Microwave Photonics) devices and materials : lasers, modulators, detectors, receivers, amplifiers, left hand materials, photonic crystals, THz generators F Monolithic Integration of MWP Devices and

25、Functions G Optical Generation of RF, Microwaves, Sub- Millimetre-waves, Millimetre-waves and THz waves. High purity oscillators H Innovative MWP Systems (sensors, measurements, imaging, biology, astronomy, medicine) http:/www.ee.aston.ac.uk/research/prg/microwave-photonics.html,光纤技术的创建主要归功于华人Charle

26、s K. Gao,美籍华裔光导通讯专家兼中文大学前校长高锟博士,Optical Fiber,美籍华裔光导通讯专家高锟博士,microwave fibre-optic,The many advantages of microwave fibre-optic communication links over conventional coaxial or waveguide links are well known. They include reduced size, weight and cost, low and constant attenuation over the entire mo

27、dulation frequency range, imperviousness to electromagnetic interference, extremely wide bandwidth, low dispersion, and high information transfer capacity. These advantages mean that they are currently viable contenders for a number of applications of commercial importance including:,microwave fibre

28、-optic2,Personal Communications Networks, where microcells in a wide area are connected by optical fibres and use radio extension links to the home allowing increased bandwidth (and the possibility of mobile broadband systems) and high spectrum reuse efficiency without the significant expense of ins

29、talling fibre to the home; Millimetre-wave radio LANs, with the radio nodes (possibly picocells) are fed by optical fibre with similar advantages to the above; Antenna Remoting at satellite earth stations where optical fibre transmission allows the concentration of the remote equipment at a central

30、location and the quick re-routing of traffic to different antennas via centralised switching; Broadband video distribution networks, using subcarrier multiplexing and exploiting the advantages of the broad bandwidth and low loss of optical fibre; Signal distribution for phased array antennas, where

31、the use of monolithic microwave integrated circuits (MMIC) has reduced the cost of active elements so that the main cost and weight is in the signal distribution.,Optical Electronic Oscillator光电振荡器,光电振荡器，它使用光能量存储元件，来达到低噪声性能，代表了产生高质量微波振荡器的一种新的发展趋势。自从第一次在JPL实验室得到了证实，光电振荡器不断在低相噪，高频率稳定度以及其强的适应性方面得到了改善。目

32、前已走出了实验室，进入了应用阶段，其应用范围从宇航到通信以及设备应用。,Progress in the Opto-Electronic Oscillator: A ten year Anniversary Review 2004MMT-s X.S.Yaoet al.,OEO的原理图,OEO的特点,1。振荡频率只与滤波器相关 2。相位噪声与光纤长度相关 3。目前可达到的相位噪声指标已优于现有的微波毫米波 振荡器 4。可达到的振荡频率范围几十兆到100GHz 5.发展趋势：可调OEO，小型化。 6。关键技术光微谐振腔技术,多环OEO，微型OEO,光控天线,Optical True Time-Del

33、ay Feeder for X-Band PhasedArray Antennas Composed of 2 2 Optical MEMS Switches and Fiber Delay Lines,1364 IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 16, NO. 5, MAY 2004,光控天线的方向图,Rapidly Tunable Millimeter-Wave OpticalTransmitter for LidarRadar,2048 IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,

34、 VOL. 49, NO. 10, OCTOBER 2001,The device has a continuous tuning range up to 45 GHz. Measured residual phase noiseis 106 dBc/Hz at 10-kHz offset.,AN IMPROVED OPTICALLYCONTROLLED PHASE SHIFTER ON,Si WAFERH. P. Li and Kam Tai ChanDept. of Electronic EngineeringThe Chinese University of HongkongShatin, N.T., Hong Kong Received 2 August 2004MOTL,Vol. 44, No. 6, March 20 2005,p540,光控相移与衰减,电磁波的时间反演Time Reversal of Electromagnetic W