《【2017年整理】脉冲瞬变电磁场》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】脉冲瞬变电磁场（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1电磁场专题研究读书报告脉冲瞬变电磁场从一篇论文谈起张卓鹏 2003 年 1 月 4 日2目录1.概述31.1 脉冲通信系统31.2 瞬变电磁场理论概论52.瞬变电磁场在同轴线中的传播73.瞬变电磁场的发射113.1 瞬态电流元的辐射113.2 无限长圆柱天线的瞬态辐射134.瞬变的磁场的接收155.有耗介质中的瞬态电磁场185.1 瞬态均匀平面波在有耗介质中的传播185.2 瞬态球面波在有耗介质中的传播20附录24参考文献25学习体会25文档写作分工：2、3、5（部分）宋成森1、4、5（部分）张卓鹏摘要：通过频域的方法对瞬态电磁场的研究，本文浅显的探讨了和脉冲通信相关的电磁场的发射、接收和传
2、播问题。31. 概述我们的专题研究是从文章 Impulse Radio: How It Works 开始的。该文从通信领域的角度对超宽频脉冲无线电技术的原理进行了精练的讲述。在经过广泛的阅读研究之后，我们对该文以及其所涉及的内容有了一定深度的了解。在本文中，我们将从多个方面谈一谈对该文谈及的理论的肤浅见解。我们将抛开通信理论，重点讨论一下与脉冲无线电相关的电磁场领域的问题，主要集中探讨脉冲瞬变电磁场的传播、发射与接收。本文多数为相关书籍的内容，但其中也有相当部分为我们的个人理解，因此难免出现错误，敬请老师批评指正。1.1 脉冲通信系统在详细论述瞬变电磁场理论之前，我们先来简要的关注一下我们所谈
3、及的论文的内容。用电磁脉冲作为信息载体构成的通信系统(在空间传播的是载有信息的慢衰减电磁脉冲，而不是经调制的正弦波)又称为超宽带通信系统。超宽带通信是以经数码调制的瞬态电磁脉冲在自由空间传播来传递信息为基础的。图中是一个以电磁脉冲作为信息载体的语言通信发射机框图。其原理是用声码器将模拟语言信号变为数字信号，4利用数字复接器将 n 路语音数字信号按时分复用汇接成单一的复合数字信号，利用数字信号控制伪码产生器，产生高速的的随机序列，码长可达 31 位甚至更长。用这一伪随机序列调制电磁脉冲源，产生峰值功率达到兆瓦至吉瓦量级的窄脉冲，其宽度为纳秒到皮秒量级，经电磁脉冲辐射器向一定方向辐射出去。图 1.
4、1.2 是与图 1.1.1 发射机相应的接收机框图。其工作原理是利用一个高速触发器将收到的电磁脉冲变成常规数字信号，然后利用数字相关滤波器把收到的伪随机序列的检测出来，并用数字锁相环实现接收机时钟与发射机伪随机序列时钟同步，最后把复合数字信号分离成 n 路数字信号，并恢复成模拟语音信号。图 1.1.1 电磁脉冲发射机框图5脉冲无线电通信采用小于 1 ns 的非常窄的时域脉冲传播信号，其能量分布在从 DC 到几 GHz 的范围之内。它将 1bit 的信息包含到多个脉冲时跳间隔中以实现信号的脉冲调制，具有优异的抗干扰能力。同时，该技术采用了码分多址的复用方法，应用伪随机数列的相关性进行调制与接收，
5、从而做到多用户。这些内容所涉及了信息论、数字脉冲技术、信号与系统、随机理论等多门学科的知识，我们将不再论述。以下来谈一谈本文的主要研究内容。1.2 瞬变电磁场理论概论以上该论文所谈及的脉冲无线电技术中，与瞬变电磁场有着密切的联系，这就是本文要研究的主要内容。但是，它与我们所学习的电磁场理论有着很大的不同。对于瞬变电磁场的研究，从上个世纪六十年代就开始了，在七八十年代有了飞快的发展，并在遥感与目图 1.1.2 电磁脉冲通信接收机框图6标识别领域有着应用。但在通信领域，一直到 90 年代末，才开始了相关的理论研究。比如上文所谈到的论文就是写于 1998 年。在传统的电磁场理论中，我们着重研究了随时
6、间按正弦规律变化的稳态场，即时谐场。这是与传统的通信技术有关的，因为在一般的射频与微波技术中所传播的调幅、调频和调相无线电信号，都是在单一载波上携带的，其频带很窄（见图 1.2.1） ，因此信号也近似为单一频率。而在脉冲无线电技术中，所传递的电磁波不再是时谐的，同时在频域上有着超大的带宽。这就造成了瞬态电磁场与时谐电磁场有着很大的差异。例如，由于其宽带特性，在电磁场的传播过程中，色散将非常的严重，这就是说，我们无法再将其看作是近似没有色散的，色散也就成为了我们必需要关注和讨论的问题。我们对于瞬变电磁场的研究是以叠加原理为基础的。这个原理在电磁场与电磁波 4教材中有详细的论述：如果在我们所研究的
7、区域内及边界上，媒介的 、 都于场强无关，即我们处理的是线性媒质，那末麦克斯韦方程所描述的系统就是线形系统，根据线形系统的叠加原理，若 Ei、D i、B i、H i，i 从 1 到 n，是给定边界条件下麦克斯韦方程的多个解，则 、 、 、 必是ni1niD1iB1iH1麦克斯韦方程在同一边界条件下的解。叠加原理是线形系统普遍适用的物理学原理，其更为广义的描述是：在线形系统中，若干个原c- c c+图 1.2.1 AM 调幅波频谱7因的总效应，等于各原因单独存在时引起效应的总和。应用叠加原理可使问题变得容易求解。在求解系统对一个激励的响应时，我们把激励分解成若干分量，使系统对各分量的响应容易求得
8、。再根据叠加原理，对各分量的响应求和，即得系统对实际激励的总响应。根据信号与系统理论，用傅立叶积分变换作为分解的数学工具，把一个瞬态的时间过程分解成各频率分量稳态过程的叠加。实际上，在这个过程中，时域的问题已经变成了频域问题。先在频域求出问题的解，再经过逆变换求得时域解。这就是频域法，是解决瞬态电磁场问题的经典方法。然而，只有极少数问题在实频域有解析解并可以得到解析解的逆变换结果。在本文中，我们将分别就瞬变电磁场的传播以及其发射与接收问题作更为深入的讨论。2. 瞬变电磁场在同轴线中的传播如果传输线是理想的，阶跃信号或脉冲信号在无限长的传输线中传播不会发生畸变。但实际上传输线是有损耗的，信号在传
9、播过程中肯定会发生畸变。对同轴线而言，衰减主要来自趋肤效应损耗。我们知道传输线上电压，电流满足传输线方程：)()(zIjkZdzVcYI8其中(2.a)()()jkRjLGjCj1jYZck、 Zc（或 YC）均为复数。传输线方程的解是：)()( zktjzkrzktjzki riri eVeV)()(1 ztjzrztjzic ririZIk、 Zc是传输线的两个特征参数。k 叫传输线的传播常数，其实部 kr表示波的传播， ， ，虚部 ki表示波的衰减，在 z 方向rpkvr2按 衰减，叫做衰减常数。Z C叫做传输线的特征阻抗，Y C叫做传zkie输线的特征导纳。在同轴线内外导体上的损耗于趋
10、肤效应有关。我们知道，对于电导率不是无穷大的非理想导体，每单位表面积阻抗为 。/j设同轴线外半径 b，内半径 a，当 b 比 a 大得多时，内导体的表面积阻抗是起主要作用的。这样在每单位长度的同轴线上由趋肤效应引入的串联阻抗近似为K 12sjza12j其中 K 12a这样，(2.a)式中 R 用 代替。sz试验表明，对大多数聚乙烯材料的介质同轴线，介质的损耗与趋肤效应引起的导体损耗相比式可以忽略的。于是令(2.a)式中G0，得9()sjkZjLC设在整个有效的频带内，损耗很小，满足 ，上式用二项2KL;式展开来近似2 01 2sZjkjLCjLCjjR其中 。0LRCjk 的实部为传输线的衰减
11、常数 ，由上式可得0()2KffR所以由趋肤效应引起的衰减与频率的平方根成正比，且同轴线内径a 越大，电导率越高，损耗越小。取 z0 为同轴线的输入端，zl 为同轴线的输出端。假设同轴线无限长，没有反射波，则系统的传递函数为 02()() KlsRjksllLCsGsee求逆变换可得系统的冲击响应 3/2/()()BgtAeu其中 200,44lKlABlLCR此式是假设在在 z0 入射 脉冲时，传输 l 距离后的波形。()t于是可以求出输入为单位阶跃函数 u（t）时，在 zl 处的波形10()()Bhtcerfu其中 ，称为补余误差函数。2()1()xcerfxerfd利用规一化时间坐标作出
12、 g（t）和 h（t）的图形：令 ，B得3/21/()()Bgeu()()hcrf对于特定的传输线，常数 B 可以通过试验数据获得。以下是 g()的曲线图 2.1 g()的曲线11由冲激响应的表达式，我们可以看出：随传播距离 l 不同,各点的冲激响应是不同的。因此随着传播距离的变化，接收的波形也不同。并且距离越远，色散越大。我们认为这种通信方式不适合远距离通信，因此在参考文献【7】中提出的，用超宽带宽通信的方法实现视频点播是很难实现的。3. 瞬变电磁场的发射3.1 瞬态电流元的辐射此瞬态电流元由电荷的瞬间运动产生。如图，在 z 轴上原点两边对称放置+q 和-q 两电荷，相距 2l。设从 t=-
13、l/v 时刻开始，+q 以均匀速度 v 匀速向-q 移动，2 lzyr-l cosr+l cosr图 3.1.1 瞬态电流元模型12在 t=l/v 时刻到达-q，速度立刻变为 0。电流密度 ,其中电荷密度Jv()()qxyzvt所以()(),(,)0,zzleqxytvrtltv取上式的傅立叶变换，得频域的电流密度 /(),(,)0,jzvzeqxyelJrl式中 。1/zv则 区间的电流强度为l（3.1.a）/,(,)0,jzvsqelIzJdxyz 轴上的电流元 Idz 在远区 处的 E 按下式计算：(,)r（3.1.b）cos0in()4jkrikzedEjId其 中 ， =/所以（3.
14、1.a）式的电流分布的远区场为 cos0()sin()4zlkriivleEjqed=(cos)(cos)sin,/4rlliiceeq cv其 中求傅立叶逆变换，得（3.1.a）式瞬态电流元的远区场 sincoscos()()()4coqlrlrEtttrvv 波形如图t13从图中我们可以得到瞬态辐射的一些性质（1） 辐射场是一正一负两个脉冲，两个产生辐射场的点，一个是电荷的突然加速点，一个是电荷的突然减速点，所以辐射场是电荷 的加速运动产生的。（2） 各方向辐射的时域波形不同，两个脉冲的间距随 变化。（3） 各方向辐射场的幅度不同。3.2 无限长圆柱天线的瞬态辐射无限长圆柱天线是一个理论模型。如果天线足够长，加在天线输入端的电压脉冲足够窄，则在天线上的电流脉冲从激励点到达终端之前，电流分布及辐射场的瞬态响应都与无限长天线的瞬态响应相同。1cos()lv01(cos)lv rtc()Et图 3.1.2 瞬态电流元的远区场14设天线半径 a 很小，ka0 区域，其解为Ex（z, ）=Ae -jkz11(,)(,)(,)dHyzxzExzj式中，/ k 是媒介中的复数波阻抗。根据(5.a)式，由 z0的边界条件的n
