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| 編輯推薦： |
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太赫兹是未来雷达和无线通信的重要发展方向，国内外研究机构也正努力实现太赫兹频段的各应用，随着太赫兹器件日益向高频率、宽频带、高集成度等方向发展，受到物理和技术等方面的限制，使用环形器链接滤波器的方法遇到困难，本书致力于太赫兹手法隔离网络特性研究，对解决该问题提供一定参考和帮助。
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| 內容簡介： |
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本书主要致力于340GHz雷达系统的收发隔离网络特性研究，分析收发隔离网络基本原理，讨论整体设计方案，提出主要设计指标；研究金属线栅极化隔离器工作特性，设计调整结构参数，分析工作性能；研究反射型、透射型两种结构极化变换器的基本工作原理和电磁波传播状态，通过仿真优化和参数设计，分析工作性能；后完成单元器件的制作，集成研制收发隔离网络原理样机，设计测试方案，搭建测试系统，完成电性能调试及测试等研究。
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| 關於作者： |
邓俊，1986年生，博士，毕业于北京理工大学，现任陆军工程大学通信士官学校电磁频谱管理教研室讲师。主持或参与国家和军队科研项目十余项，撰写译著两本，发表论文十余篇，其中三大检索收录七篇。
王振华，1979年生，军事装备学硕士，现任陆军工程大学通信士官学校电磁频谱管理教研室主任，副教授，先后主持或参与科研项目数十项，制作国军标两项，发明专利四项，发表核心期刊论文二十篇
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| 目錄：
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目录
章 绪论//001
节 研究背景//003
第二节 国内外研究现状//014
第三节 主要内容和结构安排//019
第二章 340GHz反射型收发隔离网络/023
节 收发隔离网络基本原理//0345
第二节 340GHz反射型收发隔离网络//030
第三节 小结//038
第三章 340GHz金属线栅极化隔离器特性研究与设计//039
节 金属线栅极化隔离器电波传播理论//041
第二节 结构设计和基底材料选择//052
第三节 小结//069
第四章 340GHz反射型极化变换器特性研究与设计//071
节 圆极化波基本理论//073
第二节 反射型极化变换器基本工作原理//080
第三节 反射型极化变换器设计//083
第四节 小结//092
第五章 340GHz透射型极化变换器特性研究与设计//093
节 340GHz透射型收发隔离网络//095
第二节 现有透射型极化变换器技术应用研究//097
第三节 超材料透射型极化变换器//109
第四节 小结//133
第六章 340GHz收发隔离网络原理样机制作及测试验证//135
节 原理样机加工工艺//137
第二节 340GHz收发隔离网络集成组装方案//149
第三节 340GHz收发隔离网络样机测试及结果分析//151
第四节 小结//165
第七章 结论//172
参考文献//172
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| 內容試閱：
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前言
THz波频段处于微波与远红外间，已成为未来雷达和无线通信的重要发展方向，国内外研究机构正努力实现太赫兹频段的各类应用，因此对太赫兹系统所需关键器件进行研究显得极为迫切，解决太赫兹频段收发隔离问题成为重要研究课题。在微波频段实现收发隔离常用方案为一个环行器将两个信道滤波器连接组成，随着太赫兹器件日益向高频率、宽频带、高集成度等方向发展，受到物理和技术等方面的限制，使用环行器连接滤波器的方法目前已遇到较大困难。
故本书主要致力于太赫兹收发隔离网络特性研究，分析收发隔离网络基本原理，讨论整体设计方案，提出主要设计指标；研究金属线栅极化隔离器工作特性，设计调整结构参数，分析工作性能；研究反射型、透射型两种结构极化变换器的基本工作原理和电磁波传播状态，通过仿真优化和参数设计，分析工作性能；后完成单元器件的制作，集成研制收发隔离网络原理样机，设计测试方案，搭建测试系统，完成电性能调试及测试等研究。
本书分七章，章为绪论，主要介绍太赫兹频段雷达和通信系统具有的强大技术优势，成为未来空间无线技术的重要发展方向，明确了收发隔离网络的定位作用及研究意义，分析国内外研究现状；第二章主要介绍340GHz反射型收发隔离网络，首先分析收发隔离网络的基本原理，简要阐述收发隔离度、插入损耗、带内驻波等多个主要技术指标，然后提出340GHz 反射型收发隔离网络的整体结构设计，确定设计指标；第三章主要介绍金属线栅极化隔离器电波传播理论，通过仿真验证，确定340GHz金属线栅极化隔离器的结构设计和基底材料选择；第四章主要介绍反射型极化变换器的特性研究与设计，首先研究圆极化波基本原理和反射型极化变换器基本工作原理，然后介绍反射型极化变换器设计，包括介质基底厚度计算、
结构参数设计和性能研究三个部分；第五章主要介绍透射型极化变换器的特性研究与设计。首先提出透射型收发隔离网络的设计用路，介绍现有透射型极化变换器技术应用研究，然后介绍340GHz超材料透射型极化变换器，主要研究各向异性超材料电磁波传播特性，基于电谐振金属结构单元进行设计，并完成仿真计算及误差分析；第六章完成340GHz收发隔离网络原理样机制作及测试验证，主要介绍了原理样机加工工艺、集成组装方案和样机测试及结果分析；第七章为结论。
本书在编写过程中，得到了北京理工大学王学田教授的关心和指导以及陆军工程大学通信士官学校电磁频谱管理专业的领导与同志们的支持和帮助，在此一并表示衷心感谢。
由于编者水平有限，难免存在不足之处，敬请读者批评指正。
编者
2020年11月
一、太赫兹频段雷达和通信系统成为未来空间无线技术的重要发展方向
相对于常规的微波及毫米波频段的波长，THz频段的波长更短，因此更利于实现极大信号带宽和极窄信号波束，适应解决目标的高分辨率成像，而且物体运动导致的多普勒效应更为明显，更适用于检测目标的运动特征。上述特征使得THz雷达探测系统具有极高分辨率的目标成像识别和微小目标探测能力。虽然太赫兹频段大气衰减非常严重，不过太赫兹频段对于太空环境的衰减大大降低，因此，太赫兹探测系统在太空环境的应用更易实现高分辨目标探测。相比于微波雷达，太赫兹雷达探测系统具有技术优势如下：
1.太赫兹雷达具有更强的保密性和更高的分辨率。
太赫兹频段波长很短，更易获取目标高分辨率，实现极大信号带宽，提取更丰富目标信息，相比于微波雷达探测更细微的目标，实现更精确的定位。
2.太赫兹雷达可以实现更好的角分辨率。
太赫兹频段更易实现极窄的天线波束，同一个天线孔径，在220GHz工作的雷达比X波段工作的雷达发射天线的波束宽度窄20倍以上，即雷达频率越高可获得越窄的波束宽度。太赫兹频段可以提供极窄天线波束，得到更优的角跟踪精度、更大的天线增益，且更高的角分辨率能够快速提升目标分辨和识别能力。
3.太赫兹雷达具有获得空间目标高分辨率探测和目标成像识别能力。
太赫兹脉冲典型脉宽为皮秒级，具有极高的时间分辨率，太赫兹单个脉冲频带可覆盖GHz到THz频率范围，其宽带性能相对于普通微波雷达具有巨大优势，获得的空间目标雷达成像更清晰。
4.太赫兹雷达系统具有突出的抗干扰能力。
现有电子战干扰技术主要集中在微波频段和红外频段，对太赫兹频段不易产生有效的干扰，且太赫兹频段极窄天线波束能够降低干扰机注入雷达主瓣波束的概率，减小雷达对干扰的灵敏度，同时，极高的天线增益对旁瓣干扰可实现抑制作用。
5.太赫兹雷达系统具有独特的反隐身功能。
目前隐身技术主要集中在微波频段，在太赫兹频段隐身效果不好。对微波频段吸收材料，太赫兹波穿透性较好，有利于探测隐身目标。常见窄带微波雷达不能有效探测到RCS较小的隐形目标，而太赫兹雷达发射的太赫兹脉冲具有更宽的频率，可以让隐形飞机窄带吸波涂层失去效果。此外，普通雷达对于扁平薄边缘容易生成共振吸收从而减弱反射强度，宽带太赫兹雷达可以产生很小的共振面避免这一问题。
6. 太赫兹雷达系统具有穿透等离子体对目标实现探测的能力。
太赫兹波可以在等离子体中传播，因此对于太赫兹雷达等离子体隐身技术是无效的。根据其对等离子体的穿透特性。能修将大赫兹波应用在宇宙飞船、航天飞机的发射与回收过程中，因为在这一过程中，空气电离会影响飞行器与基地的通讯，应用太赫兹技术能够避免这一影响，确保通讯顺畅，这是其他频段技术不能实现的。
总之，雷达主要是对目标方位和距离的探测，而超宽带太赫兹雷达具有超大信号带宽、超高的距离分辨率、强穿透力、强抗干扰性、低截获率、独特的穿透等离子体和反隐身功能，应用于雷达探测系统具有强大的技术优势。
无线通信技术发展趋势是可移动化与宽带化，因此开辟新的可用频段是未来无线通信的重要发展方向。随着带宽越大，所需载波频率也会越高，太赫兹波频率较高，正好满足高载波频率要求，应用于无线电通信，能够极大地增大无线电通信网络带宽，实现无线移动高速信息网络。
1.高速短距离无线通信。
伴随无线通信网络对高速的需求日益迫切，研究人员努力将工作频率延伸至更高频段，如太赫兹频段。由干太赫兹波在空气中传播时易被水分吸收，故更适合于短距离通信。
2.宽带无线安全接入。
近来室内宽带无线通信需求随着HDTV等宽带多媒体广播日益发展，显得载来越紧迫，在没有压缩的情况下，高清电视电影等多媒体传输需要的带宽已达到GHz。目前采用的无线通信方法（包括技术UWB等）无法胜任，若采用太赫兹能够满足这一需求。如今计算机通信网络、电话和电视网络在日常生活中的影响越来越大，在军事活动等方面，计算机和网络的影响也无处不在，由于太赫兹波具有极大的带宽特性，可以在各领域发挥技术优势，实现宽带无线安全接入。
3. 宽带通信和高速信息网。
太赫兹波应用于通信时无线传输速度能够达到10Gb/s，与目前超宽带技术相比，提升几百甚至上千倍，而目相比于可见光和红外，具有更强的云雾穿透能力和更高的方向性，这一特性可以确保太赫兹通信能够以超高的带宽满足卫星通信的高保密要求。太赫兹频段位于红外线和微波之间，频率相比于手机通信频率高达1000倍以上，可以成为很好的宽带信息载体，尤其适合实现局域网、星地间和卫星间的宽带移动通信。因此将太赫兹波应用在无线电通信中，能够大大增加无线电通信网络的带宽，对无线移动高速信息网络提供帮助。
4.太赫兹波空间通信。
太赫兹波在外层空间传输能够做到无损传输，只需使用较小的功率就可以满足远距离通信需要，与光谱通信相比，太赫兹波束更宽，对准更容易，量子噪声更小，且天线系统满足平面化和小型化发展趋势。此外，在空间技术上太赫兹波还有另一个重要应用，使用太赫兹波可以实现和重返大气层的人造卫星、导弹、宇宙飞船等进行遥测与通信。飞行器进入大气层后，会与空气剧烈摩擦形成高温，四周的空气会被电离形成等离子体，由此导致通信遥测信号剧
烈衰减，甚至引起信号中断等问题。这个阶段通过太赫兹波的穿透特性能继续保证有效通信。因此太赫兹波能够广泛应用在天基雷达与太空通信。
5.太赫兹通信在军事上的应用。
相比于红外线等波段，太赫兹波具有更易穿透浓雾、云层和伪装物等优点。这一特性在国防和军事的应用很有前途。使用太赫兹制作导航系统可实现全天候、高分辨率等，即使浓雾天气也能用于导航或指挥飞机着陆。通过太赫兹大气传输窗口的应用还能满足太赫兹波近距离战术通信需要。在特定情况下，由于战区作战地带通常充斥着全频段各类信号，通信声道混乱，拥塞现象严重，此时较短的传输距离反而形成了战场优势，故太赫兹通信通过大气衰减可用于隐蔽的短距离通信。
太赫兹通信技术应用前景非常远大，目前太赫兹波还有巨大的频带范用围尚未开发与分配。而且太赫兹波许多特性都利于通信技术应用，如方向性好、速率高、散射小、穿诱性好、安全性高等。大赫兹通信将给通信系统的发展带来巨大的契机，特别对于空间通信和宽带移动通信具有独特优势，目前国际电联已对0.12THz和0.22THz做出频率规划，分别应用于移动业务（地面无线通信）和卫星通信业务。
综上所述，太赫兹作为一个新的频段，已成为未来雷达和无线通信的重要方向。与传统微波雷达相比，太赫兹雷达技术能够探测的目标更小，定位精度更高，且具有保密性更好、分辨率更高等优点，因此太赫兹技术成为未来高精度雷达重要发展方向。而使用太赫兹波应用于无线通信技术，能够大大增加通信带宽。从而实现无线移动高速信息网络，而目太赫兹波的特点非常适用干空间通信和宽带移动通信。国内外研究机构正努力实现太赫兹频段的上述应用，对此开展探索性研究，在各领域已出现相关原理性系统。因此对太赫兹雷达和通信系统所需关键元部件进行研究显得极为迫切，太赫兹频段器件的研究同时会引导太赫兹系统的研究，推动太赫兹技术的发展。
二、收发隔离网络概述及研究意义
目前，越来越多的无线系统应用场景需要发射端和接收端同时工作以提高效率，如：飞机上有限空间内装有雷达装置、通信装置和电子干扰装置等各种电子设备，在战时状态，需要对敌人连续发射电子干扰信号，同时使用雷达接收对方位置信息等，此时需要实现发射和接收的同时工作状态。如果给接收机和发射机各配给—个天线，不但增加了成本、体积，而且天线传递信号还会相互干扰，解决这一问题可采用接收/发射共用天馈系统，即同一个天线既发射又接收。这样可以避免采用两套天馈系统，在简化结构的同时降低成本，保证发射天线和接收天线的一致性。为了保证接收和发射共用，天线必须同时连接发射机和接收机，而通常发射机的输出功率要远大于接收机的烧毁功率，所以接收和发射共用天馈系统主要解决的问题就是对接收机提供保护，在发射状态下确保其正常工作而不被烧毁，即能提供足够大的收发隔离。故该收发隔离网络在无线射频前端发挥着举足轻重的作用，这种收发隔离网络在微波频段统称双工器，如图1.2所示。
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