基于石墨烯的多功能超表面设计

为实现机载天线罩吸波/透射波/反射波功能一体化,设计了一种基于石墨烯和光电二极管(PIN)的宽带吸波/反射波/透射波多功能超表面。当PIN正向导通时,超表面对入射电磁波的透过率接近于0,反射率可以通过改变石墨烯的费米能级进行调节;当石墨烯的费米能级为0.3 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的吸收率超过了90%;当石墨烯能级为0 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的反射系数高达45%。当PIN反向截止时,超表面在4.76 GHz处出现了一个透射峰,石墨烯费米能级为0.3 eV和0 eV时的透射系数分别为61%和71%。设计的超表面具有结构简单、宽带吸波/反射波/透射波多功能等优点,在通信和雷达等领域具有广泛的应用前景。

低g值MEMS惯性开关研究进展

微机电系统(MEMS)惯性开关是集传感与执行为一体的无源电子器件,具有体积小、重量轻、易集成、加工一致性好、免装配等优势,在汽车工业、航空航天、武器装备等领域具有广阔的应用前景。低g值MEMS惯性开关的应用场景主要为飞行器加/减速过程特定功能的触发,在设计时应保证弹簧刚度低,质量块体积大,在结构设计与加工工艺中存在一定难度。本文介绍了低g值MEMS惯性开关的基本物理模型和工作原理,对国内外研究现状进行了阐述,总结了现阶段迫切需要解决的关键问题,并提出相应解决思路,为后续研究提供有益参考。

基于球面模型的单运动平台无源定位方法

受地球曲率影响,传统基于平面直角坐标系的定位模型随着侦测距离的增大,定位误差显著增大,严重影响远距离目标定位跟踪精确度。对此,提出一种基于球面模型的单运动平台定位方法,将平面直角函数方程转换为球面三角函数方程,降低地球曲率误差影响;利用无轨迹卡尔曼滤波(UKF)算法实现复杂非线性观测方程迭代求解及远距离目标高精确度位置估计。仿真试验结果表明,基于球面模型的定位方法具有较高的定位精确度,定位精确度提升0.3%R~0.6%R。

一种基于太赫兹成像的复杂地形自适应定高方法

针对现有近感探测器难以适应复杂地形情况下的精确定高问题,提出一种基于成像的图像域自适应对地高度估计方法。该方法将多普勒锐化成像原理应用到前下视场景,利用太赫兹频段分辨力高、孔径合成长度短的优势,采用太赫兹前下视成像实现地形感知,将传统近感探测器的一维距离测量扩展为二维成像测量,实现对运动轨迹前下方地形地貌的精确感知。在获得地面目标图像后,利用地面图像特征,采用图像域特征拟合方法实现对地高度估计。对前下视多普勒锐化成像的参数设计和成像算法进行了理论分析和仿真验证,开发了一套工作于220 GHz频段的太赫兹近感探测系统,并开展了无人机挂载试验。试验表明,该方法能有效感知地表目标环境,排除角反、树木等其他目标对地面高度测量的干扰,测高精确度达0.5 m,证明了该基于太赫兹成像的对地高度估计方法的可行性,为基于图像域特征提升近感探测器对复杂地形适应能力和感知能力奠定了工作基础。

两种双矢量SINS粗对准方法大俯仰角适应性研究

大俯仰角下捷联惯导粗对准双矢量定姿中,不同矢量组合下,姿态角尤其是方位角对准精确度相差很大,必须慎重选择。对此,给出了2种最常用的粗对准矢量组合模式误差方程,对其主要误差影响因素进行分析。综合传感器误差,利用蒙特卡洛随机打靶方法对全姿态角下粗对准精确度进行仿真,并开展了80°俯仰角转台静态粗对准试验。转台试验中,在惯导陀螺误差约1°/h,加速度计误差约0.1mg情况下,第1种、第2种组合模式方位角粗对准最大误差值分别为20°、7.5°,第2种组合模式约为第1种的1/3;仿真测试中,在惯导陀螺误差约0.1°/h,加速度计误差约1mg,80°俯仰角下,第1种、第2种组合模式下方位角粗对准最大误差值分别为11°与2.2°,前者约为后者的5倍。仿真与试验结果表明,大俯仰角下矢量组合模式是影响惯导姿态角与姿态矩阵粗对准精确度的最主要因素。

一种10 kV/10 ns/20 A全固态脉冲源设计

为获得等离子体研究所需的半高宽约10 ns的高压高重复频率脉冲输出,采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关串联构成的2组高压开关模块,利用传统电容储能脉冲产生电路和脉冲切尾电路相结合产生窄脉冲。结合开关实际工作需求,开展了窄脉冲产生电路适应性设计及仿真优化;依据优化结果,搭建窄脉冲产生电路实验装置。经测试,在500Ω负载上获得了峰值电压约10 kV、半高宽约10 ns、前沿约6 ns的脉冲输出。

《太赫兹探测、通信及其一体化》专辑发刊词

太赫兹频段频谱资源丰富,在探测与通信方面具有分辨率高、通信容量大、抗干扰能力强、可全天时工作、易于高度集成等突出优势,而太赫兹探测通信一体化技术通过探索构建全新技术体系与应用模式,把雷达与通信两者科学地融合在一个平台上,实现“精细探测+高速通信”的综合服务和灵活应用能力。因此,发展太赫兹探测、通信及其一体化技术具有重要的科学意义与应用价值。

260 GHz GaN高功率三倍频器设计

基于GaN太赫兹二极管芯片,采用非平衡式电路结构,设计了一款260 GHz三倍频器。采用GaN肖特基二极管芯片提高电路的耐受功率和输出功率;采用“减高+减宽”的输出波导结构抑制二次谐波;采用高低阻抗带线结构设计了倍频器的输入滤波器和输出滤波器。测试结果显示,该三倍频器在261 GHz峰值频率下,实现最大输出功率为69.1 mW,转换效率为3.3%,同时具有较好的谐波抑制特性。

基于子载波提取的OFDM无源雷达频率分集方法

为了解决当前正交频分复用(OFDM)无源雷达波束形成无法对分布于同一角度不同距离处的目标信号进行区别处理的问题,提出了一种基于回波信号子载波提取的频率分集新方法。通过对接收阵列不同通道OFDM数据提取不同频率的子载波信号并独立地进行处理,使得接收端波束图具有距离-角度依赖性,从而可实现对同一角度内不同距离处的目标分别处理,同时分析了不同频率分集处理参数对波束图性能的影响。该频率分集处理方式可以提高距离维信号处理自由度,使得接收波束能量可聚焦于期望目标点处从而提升雷达目标检测、定位和杂波抑制等性能。仿真分析表明OFDM无源雷达回波信号经频率分集处理后可获得点状波束图,并通过实测数据分析验证了该方法的有效性与实用性。

平板介质的微波分裂腔法介电常数测试技术

为实现微波频段平板类介质材料的介电常数的无损测试,研究了分裂式圆柱形谐振腔测试方法。介绍了分裂式圆柱形谐振腔的电磁场分析理论,采用模式匹配技术实现了介质加载条件下腔内电磁场分布的精确求解,得到了腔体谐振频率与材料介电常数之间的准确关系。在理论分析的基础上,制作了空腔谐振频率为10 GHz的分裂式谐振腔,并与前期研制的闭式谐振腔进行对比测试,介电常数实部测量结果相对误差小于1%。与国外同类产品进行对比测试,介电常数实部结果基本一致,损耗角正切测量结果更接近于文献参考值。因此,微波分裂腔法能够实现平板介质板材的无损测量,具有准确度高,使用方便等突出优势,可在微波频段内实现介电常数为1~20,损耗角正切为1×10-3~1×10-5,板材厚度为0.1~2.0 mm的各类平板介质材料介电常数的准确测试。

一种基于硅基MEMS三维异构集成技术的T/R组件

基于硅基微电子机械系统(MEMS)三维异构集成工艺,设计并制作了用于相控阵天线系统的三维堆叠式Ku波段双通道T/R组件。该组件由两层硅基结构通过球栅阵列(BGA)植球堆叠而成,上下两层硅基封装均采用5层硅片通过硅通孔(TSV)、晶圆级键合工艺实现。组件集成了六位数控移相、六位数控衰减、串转并、电源调制、逻辑控制等功能,最终组件尺寸仅为15 mm×8 mm×3.8 mm。测试结果表明,在Ku波段内,该组件发射通道饱和输出功率大于24 dBm,单通道发射增益大于20 dB,接收通道增益大于20 dB,噪声系数小于3.0 dB。该组件性能好,质量轻,体积小,加工精确度高,组装效率高。

基于模糊贝叶斯网络的引水隧洞安全评价模型分析

为准确预测黄河引水隧洞安全隐患,提出基于模糊集理论和主观贝叶斯方法的模糊贝叶斯安全评价模型。结合实际巡检数据,模型使用贝叶斯网络处理模糊信息与不确定信息,将巡检数据中给出的多态性故障事件模糊化;再通过贝叶斯网络的条件概率表找出不同故障事件之间的逻辑关系;最后获得对引水隧洞安全模型的整体评价。通过开展引水隧洞安全评价模型实例分析,验证了该方法的可行性。

太赫兹超材料相控阵天线波束宽度调控方法

太赫兹超材料相控阵由于其强大的波束操纵能力在探测与通信一体化系统中具有重要的应用价值。为了提升系统的通信和探测性能,需要太赫兹超材料相控阵能够实现宽波束和窄波束的灵活切换。提出了一种基于反相位间隔(反相)编码的太赫兹超材料相控阵天线波束宽度调控方法。通过天线3 dB波束宽度表达式和目标波束宽度逆推阵列规模,保持其相位编码不变并对该阵列规模外的其余阵元进行反相编码,旨在实现相位相反相消。仿真结果表明,所提方法可以准确地调控太赫兹超材料相控阵天线的波束宽度,实现宽波束和窄波束的灵活切换。

基于双层VO_(2)的可调谐宽带太赫兹超材料吸收器

基于VO_(2)的相变特性,提出一种具有宽带特性的太赫兹超材料吸收器,包括2层VO_(2)图案、2层聚酰亚胺介电层和1层金属反射层,共5层结构。对吸收器的吸收特性、电场分布和可调谐特性进行仿真分析,结果表明,所设计的吸收器吸收率大于90%的带宽为2.56 THz。该吸收器将2层结构相同但尺寸不同的周期单元堆叠,有效扩展了带宽;且通过控制VO_(2)从绝缘态到金属态的相变,可以实现吸收率的连续调谐。通过研究不同偏振角及入射角条件下所设计超材料吸收器的吸收性能发现,该吸收器具有偏振无关、在较大入射角入射时吸收不敏感特性。所设计的吸收器有望在太赫兹通信、成像和探测器等领域得到广泛应用。

一种集成图像处理功能的数字像元焦平面读出电路

设计了一种像元级数字化焦平面读出电路,克服了传统模拟读出电路技术的电荷容量局限,实现了更大的动态范围和更低噪声的数字化图像读出;同时在像元内部进行数字化图像处理,可实现非均匀校正(NUC)、盲元补偿、数字时间延迟积分(TDI)、空间滤波等图像预处理功能。该电路采用40 nm CMOS工艺流片,面阵规格为640×512,像元步进为30μm,全芯片尺寸约22 mm×19 mm。测试结果显示,该电路通过TDI、空间滤波功能可大幅降低(分别约90%和63%)输出图像空间噪声,提升成像质量。

高分辨太赫兹衰减全反射频域光谱系统

由于水对太赫兹(THz)波具有强烈的吸收,含水样本的太赫兹光谱检测面临重大挑战。为解决太赫兹光谱对含水样本的高灵敏检测问题,本文提出并实验验证了一种太赫兹衰减全反射(ATR)的高分辨频域光谱系统。该系统采用创新式光混频相干检测技术,获得了出色的动态范围和分辨力性能,在0.3~1.2 THz范围内,峰值动态范围超过100 dB,频率分辨力高达100 MHz。创新式的ATR架构有效提升了灵敏度,在对不同浓度α-乳糖水溶液的实验测量中,实现了对水溶液样本的直接、精确定量检测。

基于自编码器的动态协作中继系统

鉴于大多数现有端到端自编码器(AE)仅适用于点对点的通信场景,提出一种基于AE的动态协作通信系统,将基于深度学习的AE扩展到多点通信系统。构建了3个神经网络子系统,分别用于学习发送端、中继节点和接收端的最佳编码、传输和解码,通过三者的联合训练达到多点通信系统的最佳传输性能。其中,发送端和接收端使用一维卷积层进行信号特征的提取及学习,中继节点通过引入密集层和一维卷积层,支持放大转发(AF)和解码转发(DF)两种经典的中继协作方式。仿真实验表明,在加性高斯白噪声以及瑞利衰落信道条件下,提出的模型采用两种不同的协作方式,其误码性能均优于单一点到点通信系统,验证了系统方案的可行性和有效性。此外,该系统支持动态的节点拓扑结构,在无需额外训练的条件下,本系统支持中继节点数量实时变化。

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第9期专栏征稿主题:长波光子探测、感知与应用

电磁波信息的探测感知与有效掌控是世界各国全方位竞争的制高点。毫米波至中远红外(30 GHz~100 THz)的长波光子范围涵盖了传统电子学至光子学之间的过渡区域,探测感知其强度、波长、相位、偏振、时间分辨等多维度信息是实现其在安全检查、通信雷达、医学诊断、无损检测等领域应用的基础性、关键性和共性问题。为了进一步推动长波光子探测、感知与应用新理论、新技术、新方法的创新研究,促进长波光子学领域的相互交流、学习借鉴,《太赫兹科学与电子信息学报》计划推出“长波光子探测、感知与应用”专题栏目,现特向广大专家学者征集符合该专题方向的原创性研究论文及综述,旨在集中反映该领域最新的研究成果及研究进展。

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第11期专栏征稿主题:宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成

近年来,以SiC、GaN、金刚石、Ga2O3为代表的宽禁带半导体在功率、射频器件方面展示出重要的研究价值,并在5G通信、汽车电子、快速充电等方面展现出了广阔的应用前景。抓住研发宽禁带功率半导体的战略机遇期,解决宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成中的关键技术瓶颈,具有极为重要的科学意义与实际价值。

《卫星互联网接入与传输技术》专栏发刊词

《卫星互联网接入与传输技术》专栏正式和大家见面了!以“星链”为代表的低轨卫星互联网近几年快速发展,引起了全球的广泛关注。在此背景下,我国也提出了卫星互联网计划,正在建设和发展中。卫星互联网是卫星通信网络与互联网应用信息服务系统的有机结合,具有广阔的应用场景及潜在的巨大市场。另一方面,卫星互联网的建设面临许多挑战。低轨卫星相对地面的高速运动,会导致接收端出现较大的多普勒频偏,在这样的高动态条件下如何保证大量用户的高效接入及可靠传输,是亟待解决的关键问题。