基于MOEA/D算法的三陷波超宽带天线设计

为实现超宽带通信中对WIMAX(3.3~3.7 GHz)、WLAN(5.150~5.825 GHz)和ITU(8.01~8.50 GHz)频段干扰的抑制,提出了一种基于MOEA/D算法优化设计的具有三陷波特性的超宽带天线。天线采用T形结构作为辐射贴片,通过改变贴片形状等方法实现在3~12 GHz的超宽带。在辐射贴片上刻蚀两个U形缝隙和在传输线两侧加载C形开口环,对天线进行陷波设计。利用MOEA/D算法对陷波结构的结构参数和加载位置进行优化,实现了在3.31~3.69 GHz、5.25~6.13 GHz和8.01~8.51 GHz频段的陷波效果,成功抑制了频段干扰。与传统扫频优化的设计方法相比,采用MOEA/D算法设计的天线在陷波频带内增益低至-19 dB,各陷波频带准确度误差均在3.6%以下,提高了天线的设计效率,具有一定的工程应用价值。

一种4 GHz瞬时带宽的6~18 GHz超宽带T/R组件设计

针对现代电子对抗设备的大瞬时带宽要求,文中设计了一种瞬时带宽4 GHz的6~18 GHz超宽带T/R组件。采用砖块式多芯片组件(Multi-Chip Module,MCM)和超宽带信号传输等技术实现了T/R组件高集成、小型化和模块化的要求。对T/R组件组成构架、收发通道指标预算、宽带信号传输特性仿真和电磁兼容性设计进行了详细描述。测试结果显示,T/R组件在12 GHz工作带宽内具有良好的性能,发射功率大于35 dBm,接收增益大于20 dB,噪声系数小于5 dB,延时总量达762 ps。

超宽带硅基射频微系统设计

针对超宽带硅基射频模块的微系统化问题,采用硅基板作为转接板设计了一款具备收发功能的超宽带系统级封装(System in Package,SiP)射频微系统。各层硅基转接板之间的射频信号传输、控制和供电等均采用低损耗的硅通孔(Through Silicon Via,TSV)结构来实现。为了减小封装对射频性能的影响,整个超宽带射频微系统采用5层硅基封装结构,与传统二维封装结构相比,其体积减少95%以上。射频微系统封装完成后,对其电气性能指标进行了测试。在整个超宽带频带内,其接收噪声系数小于2.6 dB,增益大于35 dB,发射功率大于等于34 dBm,端口驻波小于2。该封装结构实现了硅基超宽带射频模块的微系统化,可广泛适用于各类超宽带射频系统。

基于超宽带定位的室外定位系统设计

随着体育竞技水平的不断提高,运动员对科学精准的训练分析方法的需求越来越高,对于人体的定位分析是其中一个基本且重要的维度。目前基于GPS的室外定位无法满足一般的小型体育场景的高精度定位,该文基于超宽带定位技术设计了一套应用于小型场景室外定位系统,该系统可以满足高精度、高刷新率要求的体育定位场景,可以应用于一般田径运动的训练分析。

基于超宽带反射超表面产生太赫兹轨道角动量

由于轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)有望成为新的通信复用自由度,在拓展信道容量、提高频谱资源利用率方面有巨大潜力而受到越来越多研究人员的关注。目前的太赫兹涡旋波产生器件存在只能工作在单频点、带宽窄、转换效率低等问题,如何在太赫兹频段高效产生OAM成为关键问题之一。该文设计了一种超宽带反射超表面单元,结合几何相位原理和相位叠加原理设计了单层反射超表面。仿真结果表明:设计的超表面实现了在0.82 THz~2.09 THz(相对带宽87.3%)的宽频范围内,将圆极化太赫兹波转换为携带轨道角动量的太赫兹涡旋波,同极化反射谱的幅度大于0.97,转换效率高于94.7%,反射相位覆盖0°~360°。利用傅里叶变换分解反射场中各个OAM模式,定量分析了OAM模式纯度,在不同频率下涡旋波中均为主模式l=-2能量占比最高,进一步对设计的超表面进行优化,主模式能量占比明显提升。该文设计的超表面具有转换效率高、工作带宽大、主模式强度高等优势,为宽带太赫兹涡旋波的高效产生提供了一种参考。

基于半圆分形的柔性超宽带天线

以柔性材料聚酰亚胺(PI)作为介质基板材料,设计了一种柔性超宽带(UWB)半圆分形天线。天线辐射单元采用四阶半圆迭代嵌套分形结构,通过不同分形半圆调节电长度,增加天线的工作谐振点。通过在接地板开槽提高天线的阻抗匹配特性,实现UWB辐射。利用共面波导馈电方式提高天线的集成性。仿真与测试结果表明:所设计天线的阻抗带宽为2.98-10.61 GHz,带内全向增益达到5.58 dBi,天线最终尺寸为30 mm×24 mm,实现了小型化和可弯曲的特性,在共形于13 mm半径的圆柱后,天线仍能保持UWB辐射性能。

具有四陷波特性的小型化超宽带天线设计

为避免通信过程中所存在的窄带通信频段的干扰,提出一款具有小型化四陷波特性的超宽带(ultrawideband,UWB)天线。该天线的辐射贴片采用半圆与矩形构成的特殊图形,并进行切角,在接地板的改进中采用可以有效扩展该天线在高频带宽的阶梯型结构。为了达到小型化以及四陷波特性,在尺寸仅为19.5 mm×18 mm×1.6mm的天线的辐射贴片上进行陷波处理。仿真表明:此天线在4.1~4.5 GHz、4.9~5.85 GHz、7.15~7.75 GHz、以及7.96~8.55 GHz的频段回波损耗大于-10 dB,能够有效抑制数字微波通信频段波段、WLAN波段、X波段以及国际电信联盟波段对于信号传输的干扰,陷波后天线工作带宽达到3.5~10.6 GHz,可以广泛投入到UWB通信的应用,且陷波特性良好,四陷波特性也扩大了通信应用的领域,可以满足多种超宽带通信系统的应用。

3D打印技术在机载超宽带共形天线中的应用研究

为提高共形相控阵天线的设计制造效率,在平面紧耦合天线的基础上,设计了与飞机襟翼曲面共形的紧耦合超宽带相控阵天线。按照共形天线的安装要求,提出了混合3D打印技术,即采用熔融堆积成型技术及微滴喷射成型技术实现襟翼流线型曲面模型的打印,并完成了紧耦合天线辐射层的打印,验证了3D打印技术在共形天线上的应用。加上馈电结构后对单元电压驻波比(voltage standing wave ratio, VSWR)和方向图进行了测试,结果表明所设计的天线在0.4~2.0 GHz范围内,VSWR、单元方向图和阵列方向图符合设计技术指标,为后续共形天线设计和加工提供了技术基础。

0.2~2.0GHz100W超宽带GaN功率放大器

设计并实现了一款基于0.25μm GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺的100 W超宽带功率放大器。基于SiC无源工艺设计了集成无源器件(IPD)输入预匹配电路芯片;设计了基于陶瓷基片的T型集成输出预匹配电路;基于建立的传输线变压器(TLT)的精确模型,设计了宽带阻抗变换器,在超宽频带内将50Ω的端口阻抗变换至约12.5Ω,再通过多节微带电路与预匹配后的GaN HEMT芯片实现阻抗匹配。最终,以较小的电路尺寸实现了功率放大器的超宽带性能指标。测试结果表明,功率放大器在0.2~2.0 GHz频带内,在漏极电压36 V、输入功率9 W、连续波的工作条件下,输出功率大于103 W,漏极效率大于50%,输入电压驻波比(VSWR)≤2.5。

基于硅基堆叠SIP技术的超宽带T/R组件

传统的超宽带T/R组件采用的是两维砖块式结构,体积和重量已不适应目前小型化、低剖面、易共形的相控阵天线要求。文中提出的基于硅基堆叠系统级封装(SIP)技术,将四通道的射频芯片高度集成在硅基介质基板上,将多层介质基板厚金压合,实现多层堆叠的三维封装。通过采用芯片多功能集成技术和超宽带射频信号的垂直互连技术,设计出三维堆叠的四通道超宽带T/R组件。T/R组件带宽为6 GHz~18 GHz,单通道的发射功率优于23 dBm,接收增益优于20 dB,可实现6位数控衰减及6位数控移相,尺寸仅有13.0 mm×13.0 mm×3.4 mm。该技术可以实现多通道超宽带T/R组件的SIP封装,有利于工程应用。

抗方阻波动的超宽带轻薄频率选择表面吸波体

满足宽带、极化和入射角度稳定、轻薄和强吸收等高性能要求的电阻膜频率选择表面(FSS)吸波体设计难度大,且易因加工中方阻波动导致吸波性能变化.为此,本文首先分析了方阻波动影响电阻膜FSS吸波体性能的机理,提出抗方阻波动的FSS吸波体设计方法.在此基础上,提出利用不同层FSS阻抗随频率变化互补的扩展带宽方法,结合弯折小型化设计,获得了超宽带、极化和角度稳定的轻薄型抗方阻波动FSS吸波体.该FSS吸波体在TE和TM极化下,90%吸波带宽为1.50—20.50 GHz(相对带宽173%),厚度仅为0.093λ_(L).TE极化波80%吸波的角度稳定性可达45°,而TM极化波90%吸波的角度稳定性可达70°.当每层FSS方阻在12—30Ω/sq范围内波动时,吸波体的90%吸波带宽仍保持在167.0%.实验测试结果与仿真结果基本吻合,证明了所提方法的有效性.

基于复合基板的超宽带频率合成器设计

基于锁相+扩频的原理方案,设计了一种超宽带频率合成器,实现了1.5~40 GHz的频率输出,相位噪声优于-90 dBc/Hz@10 kHz,杂散抑制优于65 dBc。采用复合基板工艺,提升了该设计的集成度,满足工程应用需求,具有良好的应用前景。

基于带宽交织采样架构的80 GSps超宽带实时采集系统

利用8片10 GSps的模数转换器(ADC)芯片,基于带宽交织采样架构设计并且实现了具有80 GSps,20 GHz带宽的超宽带实时数据采集系统。对带宽交织采集系统中的子带分解、多子带间采集同步、交叠带以及全频带拼合等一系列问题展开了研究,并基于分治法的思想提出了相应的校准以及补偿方法,补偿前后的时域以及频域分析对比证明了提出补偿方法的有效性。实验结果表明,系统实现了具有80 GSps采样率、20 GHz带宽指标,其中有效位数(ENOB)以及无杂散动态范围(SFDR)在20 GHz处可以达到6 bit以及40 dB,并给出了系统ENOB随频率变化的曲线,采集系统上升时间为22 ps,实验数据表明系统各项指标处于国内领先水平。

基于电流模结构的超宽带无源混频器设计

采用SMIC 55 nm CMOS工艺,提出基于电流模结构的2~8 GHz超宽带高线性度直接下变频无源混频器结构.本设计主要结构为低噪声跨导放大器(low noise transconductance amplifier,LNTA)驱动I/Q两路电流模无源混频器,负载为低输入阻抗的跨阻放大器(trans-impedance amplifier,TIA),即LNTA-Passive Mixer-TIA结构.LNTA采用电容交叉耦合以及双端正反馈结构,解决阻抗匹配以及噪声等关键参数的折中问题.整个接收机链路获得较好的线性度及噪声性能,对于电源电压以及衬底噪声的鲁棒性也有所提升.后仿结果表明,在电源电压1.2 V情况下,射频输入信号频率为2~8 GHz,1 dB压缩点为−5.5 dBm,带内输入三阶交调点为−1 dBm,整体噪声系数为4 dB,核心版图面积为0.12 mm^(2).

超宽带薄型频率选择表面吸波体设计

设计了一种新型集总电阻加载超宽带薄型频率选择表面(FSS)吸波体。该吸波体使用单层单谐振FSS损耗层结构,具有厚度薄、宽带吸波且极化稳定的特点。FSS损耗层单元结构采用非单元中心对称轴集总电阻加载方法,并结合非均匀金属导带宽度和圆顶枝节加载设计有效拓宽了吸波带宽。该吸波体的等效电路分析及全波仿真结果均表明该结构在6.0~26.77 GHz频段内对电磁波吸波率能够达到90%,相对带宽达到126.8%。该吸波体总厚度为0.086λ_(L)(λ_(L)为吸波频段最低频率对应波长),仅为Rozanov理论极限厚度的1.09倍。对该吸波体进行加工与测试,实测结果与仿真结果一致,验证了设计的有效性。

超宽带多通道接收前端设计与研制

在电子侦察领域,超宽带多通道接收前端对信道接收机起着至关重要的作用。提出了一种超宽带、多通道、低噪声、低灵敏度、大动态范围接收前端的设计方案。通过设计仿真和实物样机的研制测试,验证了该方案的可行性。与传统方案相比,该接收前端样机噪声系数和开关隔离度各提升20%以上,实物尺寸为53 mm×115 mm×9 mm,指标性能达到设计要求。

4~18 GHz超宽带行波管输能系统设计

为满足新一代电子对抗装备对跨频带超宽带行波管的需求,本文针对4~18 GHz超宽带大功率行波管输能系统开展了匹配优化设计和功率容量分析研究。从同轴窗、同轴输能结构及输能结构与高频结构匹配等几方面综合优化,设计出输入驻波比优于1.53、输出驻波比优于1.55的输能系统,与测试结果对比表明设计方法合理,输能系统和器件匹配成功;针对输出系统的功率容限问题,从峰值功率和平均功率两方面分析了输能窗的电可靠性和热可靠性,制管实测结果表明,该输能系统能够满足行波管应用要求。

复合柱局域共振声子晶体的超宽带隙与可调性研究

局域共振声子晶体因具有良好的低频带隙特性,在低频减振降噪方面具有广泛的应用前景。以设计一种具有超宽带隙的三组元二维复合柱声子晶体结构为目标,该结构由散射体、双包覆层和六棱柱基体板组成,相对应的局域共振单元附加质量比为65.13,利用有限元方法计算该声子晶体板的能带结构、传输损失谱和位移矢量场。结果表明:在0~3000 Hz的频率范围内相对带宽高达162.10%。与方形柱基体板声子晶体相比,所设计的六棱柱基体板声子晶体的第一完全带隙频率更低且第二带隙频率范围更宽。通过优化几何结构、改变材料参数以及引入压电效应等方式,实现对多条完全带隙的调控,并进一步拓宽完全带隙形成超宽带隙。研究结果可为研发可调低频减振降噪产品提供一定的理论参考。

基于特征模理论分析的超宽带小型化准八木天线设计

文中设计了一款超宽带准八木天线。根据特征模理论对传统的准八木天线进行分析,并结合天线理论,在不改变天线原有尺寸的情况下,通过采用弯折、切槽等技术,增大了电流路径,拓宽了低频的工作带宽。天线尺寸为0.256λ_(0)×0.256λ_(0)×0.002λ_(0)(λ_(0)为最小工作频率所对应的波长),工作带宽为0.78 GHz~1.58 GHz。与初始天线相比,相对带宽从32.0%提高至67.8%。通过前后比可以看出,天线具有良好的定向性能,可以满足人脑探测活动的需求。

一种低驻波宽角波束超宽带双锥线阵列天线研制

设计和制作了一种实现宽角波束扫描的1×3超宽带双锥线极化阵列天线,可以应用于无人机上实现空地宽带通信。由于无人机平台安装尺寸受限,通过用椭球形阵子代替传统锥形阵子,并切割椭球振子外部轮廓使其安装在250 mm×130 mm×90 mm的空间内,实现了低剖面、小型化等特点。仿真结果表明,该阵列天线在0.8~2.4 GHz的频带范围内电压驻波比均小于2.5,在±45°波束扫描范围内的4个波束的最低增益均超过了2 dBi,满足实际的应用需求。