一种基于NB-IoT的智能井盖监测系统设计

针对城市井盖保有量大、安全事故频发、人工巡检困难、管理组织混乱等问题,提出一种基于窄带物联网(NB-IoT)技术的窨井盖自动监测系统。该系统以STM32作为主控模块,包含倾角、水位等传感器,实现对井盖状态以及井内重点数据的采集,配合云端服务器和客户端完成井盖数据远程可视化显示。结果表明,所提系统可以实现故障井盖自动报警、精确定位,降低人工巡检的难度,让城市井盖管理更加智能化,让故障检修更加便捷化,提高城市管理的智能化水平。

基于诱导磁的惠更斯超表面与毫米波透镜天线应用

超表面因强大的电磁操控能力,在现代无线通信及毫米波雷达等领域展现出巨大的应用潜力。在结构极简的超表面上实现尽可能丰富的电磁功能是工程界孜孜以求的目标。以诱导磁机制为出发点,对结构极简的惠更斯超表面进行了系统性研究,并对其在毫米波透镜天线中的潜在应用进行了全面综述。诱导磁机制能够利用单层印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)基板的双层金属图案激发磁谐振,进而激发惠更斯谐振,在电磁波调控方面突破了传统频率选择表面的移相限制,并为在结构极简的超表面上实现高效的透射波操控铺平了道路。惠更斯超表面的潜在应用包括单极化、双极化、双频带、低剖面和透/反双功能超透镜天线设计。由于可以使用单层PCB基板制备,制备容易、成本低廉,基于诱导磁的惠更斯超表面对于未来天线工程有着重要的应用价值。

X波段GaAs MMIC低噪声放大器设计研究

文章针对雷达和卫星通信等微波系统需求,设计一种X波段GaAs单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)低噪声放大器。该电路为两级放大器级联结构,采用自偏置电路结构,实现单电源3.5 V供电。通过电感峰化和宽带匹配等技术实现X波段的工作频率全覆盖,并实现较低的噪声系数。测试结果表明,在8~12 GHz频率范围内,低噪声放大器功率增益大于23 dB,噪声系数小于1.7 dB,输出1 dB压缩点功率大于13 dBm。

一种双简支―悬臂梁反共振隔振器设计分析与试验

[目的]为探究三元件型反共振隔振器的实现形式,提出一种由一根悬臂端含质量块的双简支-悬臂梁与一根双支撑梁所组成的机械装置(BAVI)。[方法]首先,分析双简支-悬臂梁的动态特性,推导其阻抗方程;然后,根据驱动点阻抗函数综合其低阶模型是单惯容与单弹簧二元件的串联结构,并解析低阶模型的等效参数;最后,通过装置试件设计与试验,验证其反共振特性和理论方法有效性,并在此基础上分析装置刚度特性及不同阻尼形式的效果。[结果]结果表明,当跨度比共振隔振器结构,具有“高静低动”刚度特性;在双简支-悬臂梁上采取阻尼措施后,可实现隔振区传递率以最大速率衰减的同时抑制共振峰的效果。[结论]所提机械装置证明了三元件型反共振隔振器的可实现性,提供了一种简易可行的工程结构。

低插损窄带TCSAW滤波器的设计与研制

为了减小窄带滤波器的插入损耗,在梯形拓扑的基础上引入并联电容,提出了一种并联电容型梯形拓扑。利用并联电容大幅度改变反谐振点频率的特点,以牺牲较小插入损耗的代价来缩小带宽。通过谐振器设计与进化算法寻优,成功研制出一款基于SiO_(2)/Cu/127°YX-LiNbO3结构的低插损窄带温补型声表面波(TCSAW)滤波器。实验结果表明,滤波器的中心频率为1514 MHz,相对带宽为0.46%,带内插入损耗仅1.45 dB,过渡带20 MHz带外抑制滚降到24 dB,远带带外抑制大于30 dB,WiFi频段抑制高达48 dB,频率温度系数TCF为-20×10^(-6)/℃,器件尺寸为1.1 mm×0.9 mm。

基于声子晶体的高速列车地板支撑层隔声研究

随着高速列车运营速度不断提高,轨道交通产生的振动噪声会严重影响列车的车内声环境,进而降低乘坐舒适性,因此针对列车噪声源部位的车体隔声设计至关重要。目前的隔声措施能够有效控制车内中高频噪声,而对于低频噪声的抑制效果还有待进一步提升。声子晶体是一种具有弹性波带隙的周期性结构材料,该结构不需要大尺寸即可在局域共振作用下形成低频带隙,进而抑制弹性波的传播从而起到低频降噪作用。基于声子晶体周期性理论,以车辆转向架部位地板的木骨支撑层为对象,研究声子晶体在木骨支撑层隔声中的应用,系统分析声子晶体结构的带隙特性和隔声特性以及基于声子晶体结构的支撑层隔声性能。研究结果表明:通过改变结构形式及其参数可实现对于声子晶体结构的带隙形成频带及其隔声特性的人为设计和控制;以高速列车地板中的木骨结构为对象,结合声子晶体理论将其设计为木骨和声子晶体组合结构形式,不仅能够保持声子晶体在0~220 Hz低频段和620~710 Hz频段优越的隔声性能,同时可极大提升220~620 Hz频段的隔声性能;既维持该层结构的支撑作用,又能很好提升隔声性能,在高速列车地板设计中具有很强的有效性和适用性。

短接贴片加载的双频圆极化卫星导航天线

为了降低双频圆极化天线设计的复杂性和成本,文中介绍了一种用于双频全球定位系统(GPS)的紧凑型双耦合短接贴片加载的贴片天线。该天线采用短接贴片加载技术,使得其整体尺寸仅为42 mm×42 mm×9 mm,同时利用超低成本的PPO塑料替代高介电常数的基板,从而实现了成本的降低。提出的紧凑型双耦合短接贴片加载技术使得该天线能够在L1/L2 GPS频段共振。在L1/L2 GPS频段上,该天线在具有大地平面的情况下表现出良好的性能。圆极化辐射增益在L2频段达到3.12 dBic,在L1频段达到4.08 dBic,显示出较高的增益性能。同时,在这两个频段上,该天线的3 dB增益带宽分别为31 MHz和43 MHz。因此,所提出的天线不仅具有低成本、双频、紧凑的特点,而且在L1/L2 GPS频段具有良好的性能表现,是一种理想的贴片天线选择。这种天线的设计和制造对于GPS定位系统的应用具有重要意义,可以满足对于低成本、高性能的天线需求。

基于0.1-μm GaAs pHEMT工艺的最小噪声系数3.9 dB的66~112.5 GHz低噪声放大器

本文基于0.1-μm砷化镓赝配高电子迁移率晶体管(GaAs pHEMT)工艺,研制了一款覆盖整个W波段的宽带低噪声放大器。提出了一种由双并联电容组成的旁路电路,能够提供宽带射频接地,减小了级间串扰,利于实现宽带匹配。采用双谐振匹配网络实现了宽带的输入匹配和最佳噪声匹配。实测结果显示,最大增益在108 GHz处达到20.4 dB,在66~112.5 GHz范围内,小信号增益为16.9~20.4 dB。在90 GHz处,实测噪声系数为3.9 dB。实测的输入1-dB压缩点在整个W波段内约为-12 dBm。

业务驱动的低轨卫星物联网终端模态切换方法

针对低轨卫星物联网场景下基于窄带物联网(narrow band Internet of Things,NB-IoT)体制的物联终端大尺度地理范围内多场景应用业务时延和终端功耗需求动态变化问题,提出一种利用马尔可夫链模型评估NB-IoT终端在扩展不连续接收(extended discontinuous reception,eDRX)和节能模式(power saving mode,PSM)下的时延功耗的方法,建立了以下行业务延迟和终端功耗为优化目标的多目标优化问题。在信关站利用终端历史业务数据信息离线训练基于支持向量机(support vector machine,SVM)的时延功耗的回归预测模型,以回归预测模型作为非支配排序遗传算法(non-dominated sorting genetic algorithms-II,NSGA-II)的目标函数,得到多目标优化问题的Pareto前沿解集,进一步从Pareto前沿解集中选择满足当前应用时延功耗需求的工作状态定时器参数值,在线配置终端。仿真结果表明,相比于传统的地面物联网终端固定式定时器参数配置方法,所提出的业务驱动的定时器参数配置方法在终端动态多场景应用下能够更好地满足业务时延和终端功耗需求。

一种低剖面宽带宽角扫描圆极化阵列天线设计

提出一种单馈点旋转偶极子圆极化天线,通过弯曲支撑金属板和优化其位置实现了低剖面单元天线设计(0.09个波长,中心频点)。利用紧凑型结构形式,保证结构强度并兼顾轻量化,比传统的低剖面微带天线重量更轻、口径更小、馈电网络更简单。采用两级子阵旋转组阵方式,实现±53°阵列扫描,轴比优于4 dB。仿真与测试结果对比分析表明,该天线具备良好的设计一致性,可为圆极化宽角扫描的需求领域提供潜在应用。

基于SIR的低损耗双频宽带滤波器

提出一种采用折叠阶跃阻抗谐振器结构的双频微带带通滤波器。利用新型平行电耦合方式实现了滤波器的小型化,引入零度馈电结构产生传输零点以改善带外抑制性能。实验结果表明,该滤波器结构紧凑,损耗低,带外抑制性能好,且通带的中心频率分别为2.4 GHz和5.2 GHz,带内性能良好,最小插损分别为0.72 dB和0.69 dB。

基于外部气相沉积的S+C+L波段低色散斜率大有效面积非零色散位移光纤的设计与制备

针对现有光纤无法满足宽带光密集波分复用系统传输和S+C+L波段粗波分复用的要求,设计了一种具有中心凹陷的三角形芯+环形的折射率剖面,利用外部气相沉积工艺制备了一种非零色散位移光纤,并通过调整第一芯层的相对折射率和第二芯层与第一芯层的半径比,探究了其对光纤衰减、色散斜率和有效面积等参数的影响。研究发现,当第一芯层的相对折射率逐渐增大且第二芯层与第一芯层半径比逐渐减小时,零色散波长和有效面积逐渐减小。当第一芯层的相对折射率在0.52%~0.53%,芯层半径比在2.6~2.7时,光纤的有效面积接近70μm^(2),零色散波长在1420 nm附近,在1550 nm波段的色散系数大于8 ps·nm^(-1)·km^(-1),色散斜率为0.059 ps·nm^(-2)·km^(-1),可以较好地抑制传输过程中光非线性效应,满足长途干线网与城域网的使用要求。

电源网络低频段S参数拓展方法

电源网络S参数与芯片电源模型(Chip Power Module,CPM)级联可实现电源时域噪声仿真,完成电源完整性设计签核。当下部分仿真工具在AC阻抗优化过程中导出的S参数存在低频段无法覆盖的问题,影响时域纹波仿真精度,如果重新对S参数进行提取,又会增加仿真时间降低仿真效率。针对AC阻抗优化过程中导出的S参数无法覆盖低频段的问题,提出了一种电源网络S参数低频段拓展方法,结合电压调节模块(Voltage Regulator Module,VRM)的R-L模型,推导出低频段的S参数可以借用抽取的S参数中最低频点处的S参数实现低频段S参数的拓展。仿真和实验结果表明,通过对低频段S参数进行拓展,电源时域纹波噪声仿真的精度提升31%。同时,低频段的S参数直接借用已抽取的S参数中低频点的数值无须重复提取,在8 GB内存的配置下,仿真时间节约14%左右,提高了仿真效率。

单晶铌低温剪切带形成与演化的透射电镜研究

作为高度局域化变形的重要塑性载体,低温剪切带通常会导致材料塑性失稳。研究其形成与演化机制对材料低温服役可靠性具有重要意义。本文对不同取向单晶铌的低温剪切带行为展开系统探究。研究表明,位错在不同滑移面的局域化活动导致了{110}或{112}剪切带的形成,并使材料宏观上表现出低温塑性失稳特征,其力学曲线表现出应力骤降的塑性流变行为。随着剪切带持续增厚,其界面处集聚的位错密度也随之升高,使剪切带-基体取向差逐渐增大;当增厚到微米尺寸后,剪切带界面位错所能协调的两侧晶体取向差趋于饱和。这些结果为发展低温剪切带演化动力学模型提供了实验参照。

一种L-Ku波段的超宽带端射天线设计与研究

本文设计了一种可工作在L-Ku波段的超宽带端射天线。该天线由辐射缝隙印制板、反射腔体、腔体支撑材料等组成。通过在天线的辐射印制板下方增加腔体和负载匹配方法可抑制后向辐射;增加槽间的缝隙单元可调节相邻天线单元的幅度和相位匹配从而提升端射性能;在天线顶端采用共面波导转换同轴连接器的方式可实现阻抗匹配馈电。对所提出的超宽带端射天线进行了辐射性能的仿真分析,其结果表明,该天线可实现18倍频程带宽,并具有性能优良的端口匹配和端射特性,S11小于-10 dB,E面最大辐射方向与水平面夹角小于30°。测试结果表明,其与仿真数据有较好的一致性。

缝隙加载的低剖面双频北斗天线设计

本文设计了一款应用于北斗系统(BeiDou System,BDS)的新型低剖面双频段贴片天线.该天线基于单层贴片天线结构,通过“桥形”缝隙加载的方式,引入新的谐振频率,使天线工作在双频段(分别以1176 MHz和1575 MHz为中心频点),实现共面双频辐射.同时加载4个环形缝隙,仅用一组馈电针进行耦合馈电,方便调节阻抗匹配,同时减少馈电针数量,简化馈电网络复杂性.另外在天线侧面加载“π型”金属枝节,进一步优化高频阻抗匹配.实测结果表明,该天线在B1C频段和B2a频段的增益大于3.5 dBic,轴比均小于3 dB.频谱显示,该天线能工作于北斗系统的B1C、B2a频段,有望应用于北斗定位系统终端设备.

Ku频段低剖面宽角扫描阵列天线设计

基于当前无线通信技术对于低剖面天线的强烈需求,提出并设计了一种应用于Ku频段的低剖面宽角扫描阵列天线。该天线阵列单元的整体尺寸很小,仅有8 mm×8 mm×10 mm,剖面高度10 mm,具有低剖面特性。该天线通过采用交指型紧耦合偶极子结构缩小了单元间距并且拓展了带宽,采用开口型电阻方环以及顶部介质覆盖层提高了宽角扫描能力。仿真结果表明,该天线在11~17 GHz工作频段内VSWR<2,E面70°角扫描VSWR<2.8,H面40°角扫描VSWR<2.6,20×20阵列最大增益超过20 dB。因此,该天线可以较好地应用于Ku频段的卫星通信以及机载雷达测量,并且剖面较低便于共形。

W波段全带宽TE_(10)-TE_(20)模式转换器的研制

新一代W波段慢波结构行波管对波导TE_(10)-TE_(n0)模式转换器的低损耗、宽带、转换效率等高性能方面提出了要求。文中重点研究一款全W波段波导模式转换器的设计,实现E面TE_(10)输入到H面TE_(20)输出的模式转换,并结合高效率转换结构,给出实际性能验证。首先,分析了波导TE_(n0)模分布特点,提出E面功分结构、集成扭波导结构及H面反相合成等单元结构;其次,给出TE_(10)-TE_(20)模式转换整体方案设计与电路优化;最后,结合H面异相功分结构集成,基于计算机数控技术,实现该W波段模式转换模块的制备,并完成三端口性能测试。实测结果表明,W波段全带宽内(75 GHz~110 GHz),该TE_(10)-TE_(20)模式转换模块输出端口功率分配比为-3.2 dB±0.2 dB,相位差为180°±2°,输入端口回波损耗优于-20 dB,且实测性能均与仿真结果高度一致,验证了W波段宽带TE_(10)-TE_(20)模式转换器的高效率、低损耗、可行性及鲁棒性。

基于TM03模式的V波段同轴渡越时间振荡器设计

随着高功率微波源频率的提升,腔体尺寸会随着电磁波波长的缩短而减小,从而导致器件功率容量不足,增大了射频击穿、脉冲缩短的风险。为了提升高频器件的功率容量,提出了一种基于TM03模式的低表面场强V波段同轴渡越时间振荡器,通过引入TM03模式的方式在极高频下拓宽腔体的横向尺寸,从而降低表面场强,提升功率容量。为了激励TM03模式并使之成为器件主要工作模式,计算了束波互作用结构的色散曲线及耦合阻抗,通过腔体设计使TM03模式的相速度与电子速度同步并发生换能,从而获得较低的群速度以及较高的耦合阻抗,最终成功在慢波结构中建立起了TM03模式电磁场。随后的粒子模拟仿真表明,在二极管电压400 kV、电流5 kA的条件下,输出微波功率达440 MW,频率为62.25 GHz,转换效率为22%,最大表面场强为1.6 MV/cm。

含螺旋孔的超材料夹层板的带隙特性研究

本文提出一种新型低频宽带的穿孔超材料夹层板,旨在有效抑制板间横向振动。该结构的单胞由上下层面板、螺旋板、圆柱振子和支撑部件等构成。其中,螺旋板上设计4个螺纹孔,圆柱振子通过螺栓固定于板中心,螺旋板通过两侧横板与支撑部分连接。采用COMSOL仿真软件对胞元进行有限元分析,获得了无限周期结构的能带和共振模态,并计算了有限周期结构的传输透射率。结果表明,该结构能够产生两个宽幅的低频振动带隙,带隙范围内的振动衰减明显。本文进一步揭示了带隙机理,优化了结构参数,实现了两带隙的低频耦合,给出了符合工程实际需求的带隙。