作为低频段混频电路中的典型拓扑结构, 基尔伯特单元在毫米波、太赫兹领域的应用较少, 在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体单片微波集成电路 (MMIC)设计中, 超过 100 GHz的基尔伯特混频器很少有文献报导。基于 70 nm GaAs mHEMT工艺, 设计了一款 120 GHz的双平衡式基尔伯特混频器, 同时对该混频器版图结构进行优化改进, 提升了混频器中频差分输出端口间的平衡度。仿真结果显示该混频器在本振输入 0 dBm功率时, 在 100~135 GHz频率范围内有 (-7.6±1.5) dB的变频损耗, 射频输入 1 dB压缩点为 0 dBm@120 GHz, 中频输出带宽大于 10 GHz, 差分输出信号间的功率失配 <1 dB, 相位失配 <4°。该芯片直流功耗为 90 mW, 面积为 1.5 mm×1.5 mm。

为研究太赫兹量子级联激光器 (THz QCLs)中的热传输及有效散热方法, 建立了二维 /三维有限元热分析模型, 模拟计算了 GaAs/AlGaAs THz QCLs低温工作时的温度及热流分布; 并讨论了源区结构参数、热沉材料及散热膜层对器件热传输的影响规律。研究结果表明, 器件源区温度水平方向分布较均匀, 垂直方向温差大, 源区热量主要依靠热沉导出; 减小源区厚度、增加腔长与减小脊宽均有利于促进热传导并降低源区温度; 在器件顶部增加 AlN薄膜具有显著的辅助散热效果, 当薄膜厚度大于 8 μm时, 源区温降趋于缓慢。

利用太赫兹云雷达的外场观测数据, 分析了观测时间段内的雷达回波特征; 基于最优估计理论, 研究太赫兹云雷达的液态云微物理参数反演算法, 反演得到液态云的微物理参数, 包括有效粒子半径、液态水含量、粒子数浓度和分布宽度参数。外场观测数据用例属于低云, 云层结构较稳定, 云类为层云或层积云, 云底和云顶回波较弱。反演结果与相关文献中的云微物理参数统计值基本相符, 在回波强度较大的区域有效粒子半径较大, 液态水含量较高, 云中粒子数浓度呈现随高度增加逐渐减小的趋势。

提出一种硅基金字塔结构光控太赫兹波调制器。通过化学刻蚀方法在高阻硅基底形成微米级的金字塔结构, 研究该结构与高阻硅片对激光的反射率及对太赫兹的调制情况。实验表明, 金字塔结构可有效降低激光反射率, 提升激光利用率, 并且通过增加太赫兹波调制面积, 达到显著增强太赫兹波的调制效果, 其调制深度达到 90%以上。该硅基金字塔结构光控调制器可在极低的激光功率下工作, 具有宽带、大幅度调制的特点, 在太赫兹成像领域具有重要应用价值。

雷达散射截面积 (RCS)是衡量目标对雷达波散射能力的一个重要物理量, 在目标识别和成像中有重要作用。为解决太赫兹频段目标 RCS测量精确度不高的问题, 基于 440 GHz的太赫兹目标 RCS测量系统, 提出一种新的校准方式并采用软件距离门等技术提高目标 RCS的测量精确度。随后, 对不同粗糙度的圆柱体进行测量得到其 RCS测量结果, 与理论值比较分析发现, 采用新的处理技术使测量结果达到了较高的精确水平, 可用于复杂目标 RCS的测量和缩比规律的研究。

导电聚合物材料聚 3,4-乙撑二氧噻吩 (PEDOT): 聚 4-苯乙烯磺酸盐 (PSS)是一种在太赫兹波段很有潜力的多功能材料。为了验证其代替金属应用于太赫兹超材料(MMs)中的可能性, 设计了一个基于二甲基亚砜(DMSO)掺杂 PEDOT:PSS的太赫兹频率选择表面(FSS), 并通过 CST Microwave Studio软件模拟了该 FSS在太赫兹波段的性能。研究结果表明, 该 FSS在谐振频率下可实现强带阻, 调制深度可达 50 dB。

针对我国难以全球建站实现全球连续监测, 以及当前全球卫星导航系统 (GNSS)精密定位收敛速度慢的难题, 提出一种基于低轨全球通信星座的全球导航增强系统。该系统不需独立建设, 可与低轨通信星座融合发展。低轨卫星既可作为“天基监测站”, 又可作为“导航信息源”。结合正在发展的低轨鸿雁全球通信系统进行仿真分析, 作为“天基监测站”时, 通过配置高精确度GNSS接收机, 采用“地面区域监测网+天基全球监测网”的观测体制, 实现中高轨导航卫星与低轨通信卫星的联合精密定轨与钟差确定; 作为“导航信息源”时, 可降低几何精确度因子 (GDOP)值和缩短精密单点定位首次收敛时间, 相比只利用北斗单系统, 在收敛时间方面具有显著优势, 收敛时间从 30 min缩短到 5 min以内。

针对频繁的抵近电子侦察和隐身突防力量的威胁, 开展基于 L波段导航信号的无源雷达探测技术的研究。其优势在于, 无源雷达探测系统具有良好的四抗性能。通过信号特性分析, 验证了基于 L波段导航信号进行无源探测的可行性。利用几何稀释度 (GDOP)对三坐标定位精确度进行分析, 仿真实验和理论分析验证了所提技术的可行性。

针对强非线性和时变噪声统计特性不明的高动态运动环境下全球卫星导航系统/惯导系统(GNSS/INS)深组合导航系统滤波精确度较差甚至发散的问题, 提出一种自适应混合无迹卡尔曼滤波(UKF)算法。该算法以 UKF算法为基础, 采用混合滤波思想对 UKF滤波算法进行简化; 并根据高动态下系统量测噪声时变, 且易快变、突变的特点, 设计了一种基于渐消记忆指数加权的自适应量测噪声估计器, 实时估计和修正噪声统计量并自适应调节估计周期。仿真结果表明, 在量测噪声变化的情况下, 相比于常规 UKF算法, 本文算法各向定位测速精确度均有所提升, 水平方向精确度提升 60%以上, 效果明显; 此外, 算法耗时减少 18.64%, 说明本文算法能够在提升滤波精确度的同时减少部分计算量。

针对卫星地面站接收系统中基于案例推理 (CBR)中案例库不完整和基于故障树分析 (FTA)中计算量复杂等问题, 提出一种基于 CBR和 FTA联合故障诊断法。基于二次检索策略进行改进, 解决案例推理检索效率慢的问题; 对于案例库中检索不到的故障, 再利用故障树诊断, 并将故障树分析处理的成功案例添加到案例库中, 不断完善案例库。最后, 结合卫星地面站本振设备故障诊断的实例应用, 正确诊断出案例库中之前不存在的故障, 并且增加案例库中案例数目, 提升之后检索的效率。

雷达探测低空目标时, 镜像“目标”严重影响雷达检测与仰角测量性能。镜像“目标”对雷达仰角测量的影响一般用两点源角闪烁模型来描述, 国内外已有很多文献对低空镜像角闪烁问题展开了研究, 但未对雷达极化的重要影响给予足够关注。本文着重围绕雷达天线极化和目标极化散射矩阵对低空镜像角闪烁的影响效应, 开展了理论推导与仿真分析, 相关模型可为雷达低空镜像角闪烁抑制技术提供参考和依据。

为提高高速铁路轨道监测系统的实时性和可维护性, 采用基于 Thread的无线传感网络实现轨道状态的实时采集、汇聚和远程传输。采用时间同步休眠控制策略和基于阈值的数据采集策略以提高监测系统的可靠性。通过系统仿真、网络的性能测试, 该系统能对高速铁路轨道状态进行实时有效监测, 对轨道安全和铁路运输有现实意义。

在分析 Quinn算法性能的基础上, 提出一种改进的 Quinn测频算法, 并对该算法的原理和 FPGA实现步骤进行详细说明。仿真结果表明: 在低信噪比条件下新算法的估计性能不随被估计信号的频率分布而产生波动, 在整个频段内估计均方根误差(RMSE)接近克拉美-罗下界 (CRLB)。为了减少测频时间, 新算法在 FPGA平台实现时采用初始频偏的多项式函数构造频率估计值。实测结果表明新方法测频精确度高, 测频时间短, 可以用于快速测频场合。

基于 0.25 μm GaN工艺和以 SiC为衬底的高电子迁移率晶体管 (HEMT)技术, 采用电抗匹配、优化电路的静态直流工作点、三级放大结构栅宽比 1:3.6:16等措施, 保证电路的增益和功率指标, 实现了 C波段高功率、高增益和高效率的宽带单片微波集成电路 (MMIC)放大器。芯片测试结果表明, 在 4~8 GHz频率范围内, 漏极电压 28 V, 连续波条件下, 放大器的小信号增益大于 30 dB, 大信号增益大于 23 dB, 饱和输出功率大于 44 dBm, 功率附加效率为 38%~45%。该单片放大器芯片尺寸为 3.6 mm×4.0 mm。

介绍了一种 Ka频段八波束接收组件的设计方法和关键技术。为实现八波束及 1.6 GHz瞬时带宽的要求, 在接收组件中集成了实时延时芯片, 并提出了射频组件三维垂直互联与射频信号交叉传输的方法, 同时采用多芯片组装技术、多功能芯片技术等高密度集成方法实现组件装配。研制的接收组件具有高集成度, 噪声系数等关键指标在 10 dB的数控衰减下小于 3.5 dB, 较传统组件在尺寸、质量及波束数量上具有较大优势。

提出一种利用全波数值计算和等效电路理论反演介质中频率选择表面 (FSS)等效电路的方法。该方法物理过程直观, 适用于任意形状 FSS等效电路的精确求解。采用经典方环型 FSS, 验证该等效电路提取方法的可行性。最后采用该方法研究圆形缝隙型 FSS结构尺寸、介质材料以及电磁波入射角对其等效电路参数的影响规律, 为后续 FSS等效电路研究及快速设计奠定理论基础。

针对当前无线通信系统对高效射频功放技术的实际需求, 梳理了射频开关功放 (SMPA)技术的研究进展, 同时对比了不同结构射频 SMPA的应用特性。在此基础上, 首次采用多比特带通 Delta–Sigma调制器 (BPDSM)和多电平 SMPA, 提出一种新的基于电压型 D-类(VMCD)功放的全数字发信机架构, 并基于现场可编程逻辑门阵列 (FPGA)器件和分立元件实现了全数字发信机。硬件测试结果表明, 30~88 MHz超短波频率下, 系统平均输出功率为 15.2 W, 效率达到 60%以上。

以被动式毫米波成像为应用背景, 介绍了辐射计的工作原理, 成功研制了一种带宽 35 GHz集成直接检波式辐射计原理样机, 以满足成像系统对辐射计的需求。信号由两级低噪声放大器进行放大, 再由检波器直接检波, 最后进行视频放大, 以提供足够高的信号供后端进行数据采集。放大器由两级低噪声放大器组成, 放大增益 40 dB。单独对检波器进行设计、测试, 在 75~100 GHz范围内, 该检波器电压灵敏度大于 1 000 mV/mW, 在 100~110 GHz范围内, 电压灵敏度大于 500 mV/mW。最后集成了一个整体辐射计模块, 该辐射计在 35 GHz带宽内积分时间为 0.6 ms, 温度灵敏度为 0.45 K。

针对研制的大功率微波 (HPM)大气等离子体实验装置中一定封闭空间内微波准光学聚焦系统的空间辐射场强分布进行测试研究。由于需测量封闭有限空间内强电磁场的非均匀分布, 直接采用 HPM辐射场测试方法已不适用。利用研制的非金属传动装置, 精确控制相对步进, 采用各向同性场测试探头作为电场测试接收系统, 通过量传完成小信号辐射场的非均匀分布测试。

针对大型平板微波天线俯仰系统进行工程研究, 设计了一种强度高、质量轻的桁架结构作为天线背架。根据指标要求建立数学模型, 将整个运动过程通过准确的力学计算进行力矩分配, 从而选定电机、减速机等结构要件; 通过对关键结构件的有限元仿真及高功率微波环境下的电磁兼容性设计, 进一步保证整个俯仰系统可靠工作。通过实验验证, 承载负载总重达到 2 t左右, 角速度最高可达 10°/s, 可以完成 0°~70°俯仰运动, 定位精确度优于 0.1°。实测平板微波天线各项参数均能达到设计要求, 微波测试方向图形态良好, 波束指向满足要求。

为实现基于相对论返波管振荡器的高功率微波相干合成, 开展了针对锁相的低磁场返波管优化设计。通过优化中间调制腔的位置, 降低工作模式的 Q值, 达到降低种子微波功率的目的。以外注入微波锁相方式为例, 优化后的器件锁定增益大于 20 dB, 20 MW的注入微波功率即可实现对 GW级的微波输出的相位控制。研究结果对调制电子束锁相也具有参考价值。

毫米波加热是无线能量传输的一种重要方式, 通过将能源与动力分离, 可以大大降低飞行器等动力系统自重, 降低系统复杂性, 并有效提高载荷率。对无机非金属材料在高能量毫米波加热下的微观特性进行研究, 从带电粒子在电磁场中的运动出发获取材料介电性能的微观反映, 分析材料各项特性对介电损耗因子的影响, 并利用双层介质平板模型探讨毫米波加热的能量吸收效率。研究发现, 高能量毫米波加热与常规微波加热本质上相同, 优势在于目标结构紧凑、能量密度高; 温度对材料介电性质的影响较大, 在低温段和高温段能量吸收系数较低。

具有星上数字处理能力的卫星通信系统因受空间辐射环境影响, 容易发生单粒子翻转从而严重影响系统可靠性。传统基于余数校验的快速傅里叶变换 (FFT)方案因存在大量蝶形运算, 需将旋转因子扩大一定倍数以保证计算精确, 导致复杂度大大增加。为解决这个问题, 在 FFT的中间一级将数据进行截断, 并在截断前增加单采样判决模块, 确保正确的数据输出。同时针对上述过程中增加的取模操作提出一种新的简化方案。通过功能仿真和综合证明, 实现了硬件资源占用开销的有效降低。

伴随大数据量的应用任务在中央处理器 (CPU)与图形处理器(GPU)组成的异构处理平台上的部署日益广泛, 如何高效利用 GPU硬件中的并行资源, 成为亟待解决的问题。通过对单 GPU任务映射策略进行研究, 提出多 Stream有向无环图 (MS-DAG)任务映射策略。通过分析 DAG图中的节点依赖关系, 根据节点依赖关系的不同, 划分合理的并行分支, 利用多 Stream流水线并行的方式, 实现适合GPU硬件特点的任务映射策略。通过与HEFT在不同条件下的性能对比, 可以看出: 当HEFT算法中的各处理器性能不一致时, MS-DAG任务映射策略的任务映射效率相比 HEFT算法有约 10%的提升; 当 HEFT算法中的各处理器性能一致时, MS-DAG任务映射策略的任务映射效率相比 HEFT算法有30%的提升。

提出一种基于轮廓曲率去噪和仿射不变矩的目标识别方法, 适用于激光主动成像这样的高噪声复杂应用场合。通过计算每个像素及其邻域的轮廓曲率, 判断像素携带的信息量大小, 据此对像素点进行分类。对分属不同类别的像素点, 使用不同滤波参数的 Lee滤波器进行滤波。对滤波后的图像再次提取出轮廓, 计算轮廓的仿射不变矩, 训练分类器进行目标识别。实验结果表明, 本文算法在噪声环境下对目标的仿射变换具有较高的识别率, 并且满足激光主动成像识别系统对于实时性的要求。

针对现有图像去雾算法时间复杂度高, 难于实时处理的问题, 提出一款基于片上可编程系统(SoPC)的视频图像快速去雾系统。介绍了平台的软件流程和硬件结构, 对暗原色先验和导向滤波理论进行深入研究, 并将暗原色先验和导向滤波算法移植到所设计的 SoPC平台上进行测试。测试结果表明, 该系统能满足视频图像实时去雾的要求, 并且恢复的图像清晰, 对比度好, 颜色自然。

为满足数据中心网络在高并发量、低尾延时等性能上的需求, 提出一种面向数据中心网络的分布式负载均衡网关架构。该新型网关架构主要包括资源池化汇聚算法、优先调度算法和动态负载均衡算法等 3个核心算法模型。基于该架构, 借助现场可编程门阵列 (FPGA)实现智能网关的整体设计。通过第三方测试, 基于分布式负载均衡网关架构的智能网关可针对数据包的关键信息实现灵活、可扩展的负载均衡, 线速可达 9.4 Gbps(不丢包), 线速为10 Gbps的丢包率约 5%, 端口时延为 2 μs。与通用的负载均衡方案 (软件负载均衡与硬件负载均衡 )相比, 分布式负载均衡网关架构采用基于数据包优先调度的负载均衡策略和硬件存储资源智能 “池化”的流量管理, 保障了数据中心网络系统中百万级数据流的高效分发, 提升高并发量、低时延应用的性能。在面向百万条并发情况下, 网络链路响应尾延时小于 60 ms。

薄膜体声波谐振器( FBAR)是一种薄膜体声波谐振微机电系统( MEMS)器件, 其与振荡电路相结合, 可以将大气环境中的湿度、气压等信息转化为高频振荡信号, 作为环境参数的度量。振荡电路是 FBAR检测系统的关键, 针对实际应用中 FBAR品质因数较低, 导致频率检测电路功耗大、相位噪声特性差的特点, 比较了 3种频率检测方案, 包括现有的 Pierce振荡器、环形振荡器, 以及提出的改进交叉耦合振荡器。 3种振荡器分别采用不同的方法来优化其关键技术指标, 通过比对, 为进一步的检测系统设计提供帮助。本文所采用的 FBAR谐振器品质因数为 205.5, 采用 SMIC0.18 μm CMOS工艺设计振荡电路, 所设计的 3种振荡器功耗分别是26.3 mW,0.382 mW,4.32 mW, 在1 MHz频偏时的相位噪声分别是 -111 dBc/Hz,-152 dBc/Hz,-126 dBc/Hz, 交叉耦合振荡器能满足高精确度的环境变量测量、交叉耦合结构要求。

使用六氟化硫 (SF6)及其混合气体做绝缘介质, 并提高工作气压, 增加绝缘强度, 利于实现Marx发生器的小型化、轻量化。为保障 Marx发生器的顺利建立, 一般需要使用触发电源。某些场合下, 去掉触发源, Marx依靠开关自击穿建立, 可提升 Marx发生器的使用便利性, 降低维护难度。搭建了 14级气绝缘 Marx发生器, 当工作气压逐渐升高时, Marx发生器依靠开关自击穿建立变得困难。对 Marx发生器建立过程进行理论分析及开关电极的优化验证实验, 改进了 Marx发生器开关的电极形状及组合形式。实验表明, 改进后的 Marx发生器在高气压下的自击穿建立概率提高了。研制的 Marx发生器工作在 0.25 MPa的六氟化硫下, 结构紧凑, 体积较小, 在 45 .的水负载上获得约7 GW, 脉宽70 ns的电压输出。ZHANG Beizhen, WANG Ganping, SONG Falun, LUO Guangyao, YANG Xiaoliang

针对表面微孔阵列的构筑方法与微孔阵列参数对绝缘子真空沿面闪络性能的影响, 设计了 2种阵列结构, 利用激光旋转微加工的方法在圆柱形有机玻璃绝缘子侧面进行了 2种阵列的构筑, 同时控制激光作用参数分别获得直径为 300 μm与 200 μm的 2种表面微孔, 最终得到 4种微孔阵列结构。扫描电镜 (SEM)与三维轮廓仪分析表明, 通过激光旋转微加工的方法, 实现了直径分别为 300 μm与 200 μm, 深度为 50 μm左右的微孔点阵构筑。沿面闪络测试表明, 表面微孔构筑能够有效地提升沿面闪络电压 (实验中闪络电压提升 50%以上), 微孔直径越小提升效果越好; 在同种微孔直径下, 点阵结构对闪络电压无明显影响。

在“剑光一号”上搭建了二极管平台, 理论估计了二极管阻值, 进行了平板二极管阻抗和束流分布测量实验。结合法拉第筒阵列测得的束流密度分布、粒子模拟 (PIC)仿真结果对二极管阻抗特性进行了全面的对比分析。结果表明, 二极管工作于弱箍缩状态, 阻抗阻值略低于估计值, 阻抗曲线、法拉第筒波形以及束流箍缩程度三者间存在高度的相关性。当阻抗曲线处在前端(导通前)和末期(崩溃段)时, 束流均处在未箍缩期间, 法拉第筒信号无有效数据; 阻抗曲线处在平区时, 二极管工作平稳, 束流箍缩情况和法拉第筒信号稳定, 阳极边缘处的法拉第筒波形呈现双峰, 与束流箍缩运动情况相符。

设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管( MOSFET)的高压开关组件。通过串联20只1 kV的RF MOSFET单元电路, 获得耐压 10 kV以上的高速、高重复频率的开关组件。开展了高压开关组件的结构设计和 1 kV的RF MOSFET单元电路设计及散热设计。利用开关组件进行了10 kV脉冲源实验装置设计, 测试结果发现脉冲前沿较仿真结果变缓。

采用 GaAs工艺设计了一个 12~18 GHz毫米波单片集成电路(MMIC)低噪声放大器 (LNA)。采用三级单电源供电放大结构, 运用最小噪声匹配设计、共轭匹配技术和负反馈结构, 同时满足了噪声系数、增益平坦度和输出功率等要求。仿真表明: 在 12~18 GHz的工作频带内, 噪声系数为 1.15~1.41 dB, 增益为 27.9~29.1 dB, 输出 1 dB压缩点达到 15 dBm, 输入、输出电压驻波比(VSWR)系数小于 1.72。