1、無線電物理前沿進展,1。電磁場的數值仿真 2。雙負媒質 3。超寬帶技術 4。微波光電子工程 5。電磁波的時間反演技術,物理電子學院 喻志遠 2007,前言,我國國民經濟的三大支柱科學是什么？ A。信息科學 B。生命科學 C。材料科學 無線電物理是信息科學的基礎學科之一。,1.各學科之間的相互滲透正在加速 2. 數學物理等基礎學科的基礎作用越來越 明顯; 3. 計算機技術的作用與依賴性日益突顯。 結論： 打好基礎：學好數學；計算機語言；專業(yè)理論 開拓視野：博覽群書；會當凌絕頂，一攬眾山小 樹雄心，立大志：勇攀高峰,現代自然科學前沿發(fā)展的特點,無線電物理的基礎電磁理論的發(fā)展,1. 電磁理論的發(fā)展特

2、別是計算電磁學的發(fā)展，為信 息科學的深入發(fā)展提供了新的堅實的基礎。 2. 光技術與微波毫米波技術的融合，成為當今信息 科學技術的一重要趨勢。 3. 新的電磁結構概念的出現：雙負媒質；周期結 構；PBG結構，頻率選擇表面，高阻抗表面 4. 新的信息傳輸理念：超寬帶電磁工程 5. 新的理論的發(fā)展為新的應用奠定了新的應用基礎,計算電磁學的近代發(fā)展,1.電磁理論的發(fā)展特別是計算電磁學的發(fā)展，為信息科學的深入發(fā)展提供了堅實的基礎。 主要方法： MOM矩量法：基于格林函數的積分方 程法 FEM有限元法：基于變分原理的離散方法 FDTD時域有限差分法：基于差分代替導數 的數值方法。 計算電磁學，是計算物理的

3、重要分枝， 實驗物理，理論物理和計算物理是構成現代物理的三個重要的研究方法。計算物理介于實驗方法與理論方法之間有著自己的特點和重要性，從一定的意義上可以代替實驗研究。 軟件，特別是專用軟件是目前和將來知識產權的重要表現形式。 結論：重視計算機軟件的開發(fā)工作,計算電磁學,基于Maxwell 方程理論的計算電磁理論與高效的電磁數值仿真技術是現代信息技術的基石。 現代信息技術之所以能夠發(fā)展今天的水平，是因為建立在電磁數值仿真技術上的芯片技術的發(fā)展成果，其進一步的發(fā)展又有賴于先進的電磁數值仿真技術的進展。 如電磁兼容問題和散熱問題是當代大規(guī)模超高速集成電路發(fā)展的兩個主要問題。都有賴于數值分析給出適當的

4、結果，提出解決方案。（即解Maxwell方程和熱擴散方程）,二維無限長線TM波在自由空間中輻射,金屬圓柱的電磁散射,電磁波由左邊入射,正方形無限長柱的電磁散射波,電磁波由左邊入射 紅色所示為由反射而產生的空間駐波的最大值的位置,介質圓柱的電磁散射,電磁場的數值仿真,近三十年來，隨著計算機技術的發(fā)展，電磁場的數值仿真技術作為無線電物理的一個重要科學分支得到了長足的進步。如今從理論上可以說沒有什么電磁現象是不能進行數值仿真的。從而也極大地促進了以電磁理論為基礎的信息技術的發(fā)展。 計算電磁學已成為無線電物理的一個重要研究方向。從研究的原理上計算電磁方法可以分為頻域法和時域法兩種。（Frequency

5、 domain, Time Domain） 主要方法有：有限單元法，矩量法和時域有限差分法。 科學的發(fā)展，使人們應用電磁理論和計算機技術結合起來創(chuàng)造了一個可視的電磁場。它可以使我們生動地展現各種條件下電磁場的分布，波的傳播過程。使人們對電磁的物理本質的理解有了更加生動的手段。,可視的電磁場電磁場的數值仿真技術,通過電磁數值仿真我們可以給出任何復雜的電磁結構中的電磁場的分布。 (a)八木天線的近場 (b)八天線的三維方向圖（遠區(qū)場） (c)一臺正在工作的計算機的輻射場,(a),(b),(c),可視的電磁場(2),(a),(b),(c),一個正在用手機的人的頭部電磁分布 (b) 波導“T”型結構

6、(c)其中的場分布,可視的電磁場3,貼片無線的方向圖計算,工作時集成電路芯片的引腳處的場分布,高速芯片中的場分布MMIC中的場分布,當兩微帶線，位于不同平面時的電磁場耦合。 A。一微帶的接地平面與另一微帶線的信號線共面時的耦合,高速芯片中的場分布MMIC中的場分布（2）,當兩微帶線，位于不同平面時的電磁場耦合。 B。一微帶的信號線與另一微帶線的信號線共面，而接地平面不共面時的耦合,利用電磁仿真進行設計,新型濾波器設計與仿真,利用電磁仿真進行設計2,飛行體的RCS計算,雙負媒質的基本概念,基本概念及背景： 1968年前學者Veselago,從理論上預言負介電常數與負磁導率同時為負的媒質的特性。這

7、種物質又稱為左手物質。這是因為在這種物質中電場與磁場及波矢的指向成左手關系，而常規(guī)媒質稱為右手媒質。左手媒質與右手媒質有顯著的區(qū)別。并且有非常重要的應用前景：如反向SNELL定律，多普勒效應和CERENKOV輻射。 1996年Pendry在Phys. Rev. Lett.(V.76,P.4773,1996)上發(fā)表論文聲稱在電等離子頻率以下發(fā)現微波頻段，細導線結構可以展現負介電常數，而非磁性的金屬開口環(huán)諧振結構可以在磁等離子頻率以下顯示負磁導率，不久后Shelby等在2001年科學雜志上發(fā)表了上述結構的實驗結果。雖然還處在原型實驗階段，它在光學微波毫米波工程中的應用潛力已吸引了眾多電磁工程人員的

8、注意，相關文獻在半年之內增加了一倍,特性:Characteristics,性質 圖1左手媒質中的場矢量與波矢間的關系 電場與磁場及波矢間的關系與常規(guī)媒質相反； 相速方向也與常規(guī)媒質相反；坡印廷矢量的定義與常規(guī)媒質相同； 群速也與常規(guī)媒質相同。因此LHM仍滿足因果關系。在LHM中波阻抗仍然保持正值： 由觀察可知在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。在一般媒質中平面波的時間空間依賴的函數關系可以寫為（4）,特性,圖1（b）左手媒質中E, H, k及E, H, S三矢量的方向關系 這里，如定義一個系統(tǒng)其中向量r,平行于Poynting矢量 S，并與S

9、指向相同的方向。如圖1（b）所示,雙負媒質的電磁仿真,雙負媒質的電磁仿真,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.,雙負媒質的應用Applications of the DNM,1。作為分枝波導的填充物,如圖所示。與常規(guī)媒質相反，當波由右手媒質射到兩種媒質的邊界上，波在左手媒質中的透射波的方向在入射波的同側。由此可以得到

10、分枝波導中波的完善導向和隔離。,完善透鏡,利用左手媒質的不同尋常的折射特性，可以構造出完善的平面透鏡。其特點是這種用左手媒質構成的透鏡是平面的，且特性與波的頻率無關。利用當前的工藝，可在微波頻造出這種超級透鏡,由左手媒質層構成的聚焦透鏡,由混合媒質組成的相位補嘗器,What is Ultra Wideband?什么是超寬帶技術？,常規(guī)定義： “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?現代定義,“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,超寬帶技術的潛在應用前景,1。另類通信 2。地下探測雷達 3。無障礙成像,UBW的特

15、性,1。探測非常困難 2。對其他系統(tǒng)無干擾 3。對多路干擾的高度的免疫性 3。頻率與帶寬的自適應性 4。軟件可重定義性（對于通信，雷達，定位應用USB系統(tǒng)結構是相同的。可實現軟件的重定向） 5。低造價特性,UWB,UWB的軍事應用,UWB的軍事應用，主要是 定向能武器； 電磁炸彈; 電磁導彈， 電磁槍等,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,極短電信號的實現,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-,探地雷達UWB

18、 Applications,地雷探測UWB Applications,合成孔雷達,探地雷達傳感器,Bandwidth from 400MHz up to 4835MHz; Simultaneous transmission and reception of 8 frequencies; Extremely short data acquisition time of about 1.7 msec.,目標識別,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,功率譜,UWB多波段FDM/TDMA發(fā)射機,UWB無線網絡,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調制技術,UWB通信系統(tǒng)方框圖,Pulse position Modulator,UWB 通信天線,關于UWB的一些結論,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 光波導和光無源器件;階躍折射率光纖和漸變折射率光 纖.多模與單模光纖; B.微波固態(tài)有原器件; 光有源器件; 高速光調制器理論;高速光檢測器;摻 鉺光纖放大器 C光與微波的相互作用;光控微波;光注入鎖定；光電振蕩器 D光技術在RF天線陣列中的應用(

23、光纖RF信號的實時延遲，光技術在 RF信號的相移中的應用) F微波毫米波信號處理中的光技術(用光信號產生微波及毫米波信號） G極短光電脈沖的生成; H長距離光通信和光孤子理論;,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,光纖技術的創(chuàng)建主要歸功于華人Charle

26、s K. Gao,美籍華裔光導通訊專家兼中文大學前校長高錕博士,Optical Fiber,美籍華裔光導通訊專家高錕博士,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光電振蕩器,光電振蕩器，它使用光能量存儲元件，來達到低噪聲性能，代表了產生高質量微波振蕩器的一種新的發(fā)展趨勢。自從第一次在JPL實驗室得到了證實，光電振蕩器不斷在低相噪，高頻率穩(wěn)定度以及其強的適應性方面得到了改善。目

32、前已走出了實驗室，進入了應用階段，其應用范圍從宇航到通信以及設備應用。,Progress in the Opto-Electronic Oscillator: A ten year Anniversary Review 2004MMT-s X.S.Yaoet al.,OEO的原理圖,OEO的特點,1。振蕩頻率只與濾波器相關 2。相位噪聲與光纖長度相關 3。目前可達到的相位噪聲指標已優(yōu)于現有的微波毫米波 振蕩器 4?？蛇_到的振蕩頻率范圍幾十兆到100GHz 5.發(fā)展趨勢：可調OEO，小型化。 6。關鍵技術光微諧振腔技術,多環(huán)OEO，微型OEO,光控天線,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,光控天線的方向圖,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,光控相移與衰減,電磁波的時間反演Time Reversal of Electromagnetic W