介绍了一种InP衬底上的平面In0.53Ga0.47As耿氏二极管的设计、制作和测试方法。为了提高器件的输出功率, 使用Advanced Design System 2011仿真软件设计了50 Ω共面波导馈电结构作为器件电极, 减少测试功率损耗; 同时在版图设计时加大了金属电极面积, 改善器件的散热效果。测试结果表明, 当所加电压为4.4 V时, 沟道长度和宽度分别为2 μm和120 μm器件的基波振荡频率为168.3 GHz, 输出功率为-5.21 dBm。这种高功率平面结构耿氏二极管在太赫兹频段具有巨大的应用潜力。

针对中物院高功率太赫兹自由电子激光(THz FEL)装置, 结合目前FEL实验的实际情况, 完成了THz波段波导光腔对光腔品质影响的理论分析和模拟计算, 确定了不同频段实验所需合适的波导间隙。理论分析与数值模拟表明, 光腔加入波导管后减少了腔损耗, 使腔内增益提高约30%。完成了不同波导间隙在不同频段的影响计算, 并确定了不同频段合适的波导间隙。进一步考察了波导间隙在14 mm和22 mm时对光腔质量及品质的影响。

阵列设计作为多输入多输出(MIMO)雷达成像系统中的一项关键技术直接影响系统成像性能。为了解决阵元数目、结构与成像质量的关系问题, 研究了近场MIMO收发稀疏阵的点扩展函数, 研究了合成阵列中栅瓣的位置, 探讨了基于等效阵列概念的MIMO阵列设计方法, 优化了基于远场条件设计的稀疏阵, 并讨论了近场效应对成像结果的影响。仿真结果表明: 优化后的阵列在120~150 GHz栅瓣水平可以抑制到-50 dB。

太赫兹频段下非标准体目标的雷达散射截面积(RCS)较难通过电磁散射计算的方式得到结果, 实验测量得到目标RCS成为该频段下的可行方案。然而, 目前尚不具备系统性的估计指标来分析实测结果的误差特性。相比于目前较为简单的测量误差分析方式, 本文提出3种太赫兹目标RCS测量误差估计指标; 随后结合具有RCS解析解的目标, 验证、分析所提估计指标的实用性和有效性。实测数据分析结果表明, 本文提出的测量误差估计指标能够反映测量数据的误差规律与误差水平, 具有实用性, 有助于发现实验系统及实测数据处理中的有待优化之处。

冰云位于上对流层, 在全球表面覆盖率达30%, 在地球大气系统中发挥了重要作用。但由于一些技术因素限制, 目前并没有进行足够的观测。太赫兹波波长接近冰云中典型的冰晶粒子尺寸, 星载太赫兹辐射探测仪观测冰云具有独特的优势, 目前得到了极大关注。基于国内外相关研究, 首先阐述了冰云探测的重要性及已有卫星探测手段的不足之处, 然后介绍了太赫兹冰云探测技术国内外发展情况, 在此基础上分析和讨论了我国太赫兹冰云探测技术发展将面临的问题, 为未来技术发展提供参考。

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术测量了奶粉、山梨酸钾及其混合物在0.2～2.0 THz波段的光谱特性, 得到了样品在室温氮气环境下的吸收谱和折射率谱。结果表明山梨酸钾在0.98 THz处存在明显的特征吸收峰。采用简单一元线性回归模型(SLR)对奶粉中山梨酸钾的含量进行了定量分析, 结果表明吸收系数随着混合物中山梨酸钾含量的增大而增大。该研究对于食品质量安全检测具有重要意义。

当前云遥感手段对于短期天气预报和长期气候研究起到举足轻重的作用, 但是在云遥感方面探测能力存在一定的不足。简单比较了当前云遥感手段的优点和缺点, 重点分析了星载微波云雷达发展现状。通过分析比较认为星载微波云雷达向高灵敏探测度、多功能、多频和高频方向发展。太赫兹波在高空衰减较小且对微小云粒子探测较为敏感, 因而适合于星载平台, 这将使其成为今后星载云雷达重要发展技术。最后, 基于气象探测需求和太赫兹技术特点, 提出了一种星载太赫兹主动云雷达系统方案。

惯性导航具备完全自主、高度隐蔽、数据频率高等优点, 在机载精确制导**中得到广泛应用。由于空中传递对准可能处于恶劣条件下, 初始失准角较大, 传统的线性传递对准模型不能反映系统的真实情况, 线性滤波算法也将导致很大的对准误差, 为实现精确对准, 需要应用非线性模型和非线性滤波算法。而非线性滤波算法如无迹卡尔曼滤波(UKF)、容积卡尔曼滤波(CKF)等, 在高维情况下, 计算量很大, 在弹载计算机计算资源受限的情况下, 如何降低滤波算法的计算量是一个重要问题。本文将降维容积卡尔曼滤波算法应用在非线性传递对准模型中, 将容积卡尔曼滤波的采样点由30个减少为6个, 大幅减少了所需计算量。

提出了一种光滑凸曲面上的一致性几何绕射理论(UTD)爬行波射线寻迹算法, 该算法结合泰勒级数, 并根据测地线的相关性质, 使用计算几何方法对暗区爬行波射线进行寻迹; 在参数曲面片上根据测地线性质求解爬行波轨迹点, 并对爬行波在任意一点处的测地曲率进行计算, 结果准确度高。最后使用该算法结合UTD方法计算二维圆柱的散射场, 得到的结果与级数解吻合, 验证了本文算法的有效性, 扩展了UTD方法在实际工程中的应用。

传统基于全球定位系统(GPS)的定位技术应用, 已在室外环境下为人们提供了许多便利。随着近年来人们生活水平的不断提高, 大众对定位的诉求已不仅限于室外, 在智慧商场、企业人员智能管理、校园智能管理等场景, 要求对室内用户进行定位监测, 而传统的GPS定位精确度有限, 在室内已无法应用。目前室内定位常用的技术有红外线、蓝牙、Wi-Fi以及基于室内移动网路的无线定位等, 无线定位则是其中的热点。本文介绍了一种基于室内分布式基站, 运用Fang算法实现到达时间差(TDOA)定位的技术研究, 并对其定位精确度进行了探索。

高速宽带数字通信系统是无线通信的发展趋势, 需要高质量的通信信道保证。在无线通信领域, 存在着频谱资源日益匮乏、信道不稳定、利用率低造成数据传输质量不高的问题。基于压缩感知技术的宽带调制转换器(MWC)能够用于无线频谱的快速检测, 为频谱资源的合理配置和监管提供了一种新的实现途径。本文通过研究MWC及其实现技术, 在调制宽带转换器采样的基础上提出了一种改进多重信号分类算法的宽带频谱快速感知方法, 基于DSP芯片设计实现了MWC宽带采样信号的重构系统。整个感知过程无须重构原始波形, 无须计算频谱, 大大降低了计算量, 提高了感知效率。仿真结果表明, 在低信噪比的情况下, 该算法仍具有很好的检测性能。测试表明, 该系统可以准确地感知实时频谱占用和频谱空洞位置。

卫星通信、深空通信等应用要求接收机在很低信噪比下工作。近年来研究热点基于码辅助同步算法能够利用编码间依赖关系提高参数估计性能, 以实现正确解调。本文以码辅助同步算法为基础, 综合分析同步各环节参数估计需求, 设计较短帧头的帧格式, 提出了一种完整的迭代接收机结构。同时精心选择预估计算法, 将定时偏差、载波频偏压缩到很窄范围。最后对码辅助算法迭代复杂度高的问题进行了优化。仿真表明, 在极低信噪比下, 该结构同步性能良好, 复杂度低, 传输效率高。

脉冲超宽带(IR-UWB)能够在无线定位中取得较高的精确度, 但是存在ADC瓶颈问题, 利用压缩感知理论(CS)对信号压缩采样可以显著降低信号采样速率。本文将贝叶斯压缩感知应用于UWB单站定位, 接收节点利用L型天线阵列接收信号, 对信号压缩采样, 由贝叶斯压缩感知重构算法(BCS)还原信号并估计时延参数, 最后由定位算法解算位置信息。基于IEEE 802.15.4a信号模型的仿真结果表明, 该方法最低能以20%的奈奎斯特采样速率获得分米级的定位精确度。

针对可见光成像定位中目标位置估计所涉及的高维空间搜索收敛慢的问题, 引入降维设计思想, 联合惯导单元(IMU)的瞬时姿态估计, 将搜索空间缩小到带约束特征的样本空间, 据此提出一种联合目标瞬时姿态估计的高维空间搜索方法。该方法以瞬时姿态信息特征构建目标寻优函数作为约束条件, 缩小遗传算法中个体优秀基因的进化范围, 显著提高了进化速度, 同时规避了对初始样本空间的依赖性, 提高了算法的鲁棒性。仿真结果表明, 算法的位置估计均方误差优于40 mm。

激光威胁告警是一种用于截获、测量、识别、定向敌方激光威胁信号并实时告警的光电侦察技术, 是光电对抗技术的重要组成部分。激光威胁告警器能够快速、可靠地识别激光威胁信号, 确定威胁源特性和精确方位, 判明威胁等级, 并迅速产生告警信号, 使光学载荷或卫星有足够的时间采取相应的防御措施, 保护系统免受激光的致命攻击。本文对卫星激光威胁告警技术进行了探讨, 提出了一种基于位置敏感探测器(PSD)的激光威胁方位探测方法。研究结果表明, 这种体制的告警技术对于脉宽50 ns以上的激光脉冲, 可在±1°范围内, 获得优于1 mrad方位分辨力; 而且可以通过光学镜头设计, 扩大接收视场, 满足卫星光学载荷或卫星平台的告警视场需求。

电力无线专网在1.8 GHz频段建设4G TD-LTE网络, 正交频分复用(OFDM)是其关键技术之一, OFDM系统对信道产生的载波频率偏移(CFO)很敏感, 频率偏移会造成系统性能的严重下降。因此, 需要对OFDM系统中的频率载波偏移精确估计并补偿, 以保证系统的性能。本文提出了一种用于OFDM系统中基于局部搜索的多重信号分类(MUSIC)盲CFO估计的算法, 该算法利用频率偏移矩阵列矢量与噪声子空间的正交性和CFO的单峰特性, 构造一个改进空间谱函数, 然后通过局部谱峰搜索得到频偏估计值。该算法的CFO估计性能优于传统CFO估计算法, 且能够克服传统MUSIC算法低信噪比下谱峰缺失的问题。仿真结果证明了该算法的有效性。

提出了一种C波段透射率可调的压控超材料表面。该超材料表面由加载变容二极管的新型可调超材料单元构成, 通过直流偏置电压控制变容二极管的电容值, 调节超材料单元的电磁特性。通过仿真并计算超材料单元的散射系数、等效介电常数和等效磁导率, 该单元的可调谐振频域为5.2~5.6 GHz。将压控超材料表面与微带天线相结合, 超材料表面透射率可改变天线远场辐射方向图, 通过其对远场辐射方向图的调节, 验证了可调超材料表面的性能。对设计的压控超材料表面加0.5~10 V的直流偏置电压, 该超材料表面工作频率为5.4 GHz, 其透射率能有效调节20 dB。

D波段是毫米波频段的一种, 其频率范围在110~170 GHz。作为一种新的频段资源, 它有着更高的载波频率, 因此可以承受更大的带宽和传输速率, 成为毫米波通信中的研究热点。本文首先对系统传输链路进行理论分析, 然后基于光生毫米波系统产生了134.4 GHz的D波段毫米波, 并考虑到实际应用中的多用户情况, 通过直接调制器和IQ调制器产生了5个频带的D波段毫米波信号, 对其传输性能进行了实验探究。验证了其传输性能和传输速率及传输距离之间的关系。

提出了一种新颖的波束可调天线。该天线辐射单元采用加载电容的超材料结构, 相较于传统波导裂缝阵列天线的辐射缝隙, 超材料辐射单元的尺寸缩小了76%; 天线采用蚀刻有超材料结构的Rogers RT5880印刷电路板(PCB)作为天线辐射面, 通过调整加载在超材料单元上的电容来调整波束指向。天线的测试结果与电磁仿真软件仿真结果接近。测试和仿真结果表明, 天线工作在频率15 GHz, 最大增益为11 dBi, 辐射效率为80.8%, 波束可调天线实现了-28°,-20°,-12°,-6°,6°, 13°和24°七种不同波束指向。

天线研制、生产过程中, 天线调试是一项重要工作。本文将天线测试和调试进行了一体化研究。详细研究了天线测试系统、测试环境、天线调测方法等, 给出了具体的天线远场调测系统, 并经试验验证了所研究的天线远场调测方法的合理性与可行性。

首次提出采用高二次发射系数铂钡合金作为冷阴极, 实现了X波段正交场放大器(CFA)宽脉冲和大工作比稳定工作。提出了双螺旋耦合翼片慢波结构与波导之间采用缝隙耦合加切比雪夫阻抗变换器输能结构设计方案。通过对慢波结构及高频系统仿真分析与设计, 实现了慢波结构与输能组件间的宽频带良好匹配, 电压驻波比及插损特性仿真结果与冷测结果具有很好的一致性。热测结果表明, 放大器在1 GHz带宽内脉冲功率大于300 kW, 效率大于57%, 增益大于14 dB, 填补了国内X波段宽带大功率正交场放大器的空白, 是当前国际上脉冲宽度最宽、工作比最大的X波段正交场放大器产品。

超宽带雷达不受雨、雪、声、风等自然环境的干扰, 可用于无线传感器网络并全天候工作; 在通信领域, 超宽带雷达可避免多径干扰问题, 解决无线传感器网络在复杂多径环境中的应用局限问题。故超宽带雷达可以与无线传感器网络形成天然的结合。为满足无线传感器网络低功耗、体积小的要求, 设计了一种微小型超宽带雷达天线。该天线为共面波导方式馈电的贴片式微带天线。仿真结果表明, 天线具有体积小、带宽广(1.78~2.38 GHz)、全向性好的优点, 满足无线传感器网络应用需求, 并可避免与已用无线通信频段的干扰, 具有广阔的应用前景。

编织增强型复合材料相比传统颗粒填充型复合材料在电磁防护领域具有更大优势, 然而其等效电磁参数计算与优化设计方法目前尚未明确。以正交编织型复合材料为研究对象, 将复合材料等效成多层单纱定向周期排列的各向异性介质叠加, 进而利用有效介质理论给出了各层介质等效电磁参数计算公式, 并针对磁屏蔽复合材料进行了优化设计。结果表明: 基体材料和纤维丝束的磁导率越高, 复合材料的等效磁导率越高; 纤维丝束直径越大, 孔洞尺寸越小, 复合材料的等效磁导率越大; 纤维含量越高, 复合材料磁导率越高。

开关模式功放(SMPA)适合于恒包络信号的高效功率放大, 但会产生大量高次谐波, 不仅对开关功率器件是一大挑战, 还可能引入额外失真, 对滤波器提出更高要求。针对上述谐波问题, 根据叠加原理, 在射频脉冲宽度调制(RF-PWM)的基础上, 提出了一种针对恒包络信号的主动谐波消除方法。该方法通过选取多个特定的比较门限, 对构成多电平输出脉冲的多个子脉冲的脉冲宽度进行控制, 使其特定次谐波分量相互抵消, 从而实现对特定次谐波的主动消除。该方法一方面可显著降低恒包络信号高效放大对滤波器的设计要求和实现难度, 适合宽频段应用; 另一方面可提高编码效率, 有利于提高SMPA对恒包络信号的功放性能。仿真结果验证了该方法的可行性和有效性。

无线通信由于自身传输信道的开放性, 其安全问题相对于有线通信更为突出。物理层安全技术利用无线通信信道天然的多径时变特性, 可为无线传输提供物理层加密, 因而近年来得到快速发展。针对传统物理层安全中密钥生成速率低、频分双工系统不适用等问题, 提出了一种基于信道特征参数的无线通信密钥生成方法。基于宽带信号对多径的辨识力, 利用各径间相对时延生成初始密钥, 结合码本进行密钥长度扩展, 从而生成最终密钥。通过数值分析证明, 相对于传统物理层密钥生成方式, 所提方法能显著提高密钥生成速率, 同时, 基于时延信道特征的互易性, 该方法可适用于时分双工和频分双工无线通信系统的物理层加密。

基于3D视频的人体动作识别近年来受到越来越广泛的关注。基于动态时间规整的算法考虑了动作的时序信息, 并能较好地解决人体运动在时间上的不确定性, 但是随着训练样本增加, 效率会变得较低。本文提出了一种基于动作标准序列的动作识别方法。通过特征提取将3D动作视频样本构建为动作序列, 在动态时间规整度量下将动作标准序列学习建模成一个序列平均的优化问题, 并使用动态时间规整重心平均算法(DBA)求解。对于动作类别类中存在显著差异的场景, 研究了多重动作标准序列学习, 并针对无监督学习的情况, 提出了DBA-K-means聚类算法。实验结果表明, 该方法可进一步提高动作识别的效率和准确率。

提出一种有效的幅度相位键控(APSK)调制信号载波频偏估计算法。该算法针对定时同步后的信号数据, 根据APSK调制信号星座图数据点幅度半径不同的特点, 将星座图上幅度半径最小的数据点保留, 其余幅度半径较大的数据点的值均置零。对置零处理后的数据进行4次方谱线提取, 从而估计信号的载波频偏。仿真试验表明该算法计算复杂度低, 具有很强的实用性。当数据量为500, 信噪比大于15 dB时, 频偏估计均方误差低于-80 dB。

利用Silvaco软件对Al0.2Ga0.8N/GaN共振隧穿二极管(RTD)进行仿真, 重点研究了InGaN子量子阱结构及相应非对称势垒结构设计对其电流特性的影响。对比分析了子量子阱结构中InGaN的In组分和子阱厚度对RTD微分负阻(NDR)特性的影响, 得出了提升器件性能的最佳参数范围。为了克服Al0.2Ga0.8N/GaN RTD势垒低对器件电流峰谷比(PVCR)的影响, 在子量子阱结构的基础上引入了非对称势垒结构设计, 通过改变收集区侧势垒的高度和厚度, 将AlGaN/GaN的Ip和PVCR由基本结构的0.42 A和1.25, 提高到了0.583 A和5.01, 实现了器件性能的优化, 并为今后的器件研制提供了设计思路。

集成门极换流晶闸管(IGCT)开关具有耐压高、通流能力强、工作重频高的特点, 然而在纳秒级脉冲功率系统中应用较少。本文以株洲南车生产的非对称性IGCT做开关, 通过搭建脉冲形成网络(PFN)纳秒级放电回路, 初步研究了IGCT在快放电过程中的开关导通情况。通过理论分析、数值模拟和实验验证发现, 目前工业领域的IGCT器件由于触发电流难以有效扩展导通, 导致IGCT导通速度存在饱和值, 很难在纳秒级别的脉冲下直接实现开关作用, 但可以作为脉冲压缩的前级开关使用。

提出了一种支持可变位宽高效加法的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)嵌入式数字信号处理(DSP)单元知识产权(IP)硬核结构, 相比于Altera公司的Stratix-III DSP结构, 基于本文提出的优化结构可以更高效地实现加法、乘加以及累加等多种应用。利用软件对不同数据类型和位宽的输入实现数据预处理, 减小了硬件资源的开销, 并进一步提升了电路性能。同时在DSP结构中加入了乘法旁路器和二级符号位扩展的加法电路, 在减小DSP实现面积的同时, 支持超高位宽、高速的流水线型加法运算, 扩展了DSP的应用范围。采用TSMC 55 nm标准CMOS工艺设计并完成了所提出的DSP IP核的电路实现, 可实现包括72位可变位宽加法及36位可变位宽乘法等在内的9种运算模式。

选用35 MeV Si离子, 针对NPN及PNP型双极晶体管(BJT)进行辐照实验, 探究重离子辐照条件下双极晶体管辐射损伤及缺陷在不同发射结偏置条件下的影响规律。通过原位测试不同偏置条件的双极晶体管电流增益等参数随辐照注量的变化关系, 研究了发射结偏置条件对双极晶体管辐射损伤的影响。此外, 采用深能级瞬态谱(DLTS)针对辐照后的双极晶体管进行了测试, 得到了双极晶体管内的辐射缺陷信息。基于电性能测试和DLTS分析结果可以看出, 双极晶体管辐照时所施加的偏置条件能够明显地影响器件的电性能参数和器件内的深能级缺陷浓度, 不同类型的缺陷对于电性能的影响也存在明显差异。