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[硕士论文] 徐彬
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着电力电子技术的飞速发展,对大功率电源系统的要求越来越高。若仅采用单电源给系统供电,可靠性与冗余度达不到系统的要求。将多个电源模块并联起来就能很好地满足大功率负载的需求。但各电源模块不允许直接并联,需要采用均流技术来均分负荷电流。这样才能提高大功率电源系统的可靠性、安全性和冗余度。
  本文分析比较了几种常见的均流方法,输出阻抗法在两并联模块中均流效果较好,在大电流输出的场合中适用性强,但在多并联电源模块中均流效果较差;主从设置法的可靠性虽高,但并不适用大电流输出的场合,而最大电流法在多并联电源模块以及大电流输出场合中均流性能好。本文采用最大电流法对充电电源进行均流控制,以移相全桥ZVS变换器作为主拓扑结构,对主电路进行设计,由大功率充电电源22KW的输出要求确定参数并进行器件选型。对全桥变换器进行小信号建模并对均流控制系统进行分析,设计了电流内环、均流环和电压外环,验证了三闭环控制方案的可行性,实现较高效率的大功率充电电源系统。
  在MATLAB/Simulink环境下建立不加均流与采用输出阻抗法的两并联模块电路仿真模型,以及分别采用最大电流法、输出阻抗法和主从设置法的三并联模块电路仿真模型,最后在三闭环控制方式下的充电电源仿真模型中分别对轻载与重载情况下进行仿真分析。仿真结果表明:在多并联电源模块中以最大电流法的性能最好,每个并联模块所分担的电流较小;两并联模块电路仿真中采用输出阻抗法的不平衡度均小于5%;在三闭环控制方式下的充电电源仿真模型中采用最大电流法时,各并联模块的输出电流相等,能实现均流控制。
[硕士论文] 张桦
电气工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:频率选择超材料是一种将金属超结构振子在介质基板上进行周期性阵列所形成的人工调制表面结构,这种超材料具有带内透射率高、带外截止能力强、宽入射角范围内频率特性好等优异电磁性能,这些性能使其在改善天线性能上有着巨大的应用潜力和发展空间。但由于这些金属超结构振子的存在,使罩体具有一定的金属属性,导致其雷电附着特性不同于常规天线罩,常规雷电屏蔽方式对其失效,其雷电危害更为突出。
  论文分析了超材料天线罩雷电防护的特殊性,确定了超材料天线罩雷电防护研究思路,设计了用于模拟雷电电压的100kV冲击电压试验系统,试验研究了超材料沿面放电和蒙皮击穿特性,仿真分析了超材料电场分布情况,探讨了蒙皮表面电荷对超材料流注击穿过程的影响。论文的主要内容有:
  (1)介绍了雷电对飞机的影响,从常规雷电防护方法失效、放电路径的变化这两方面,对超材料天线罩与普通天线罩进行了对比,分析了超材料天线罩雷电防护的特殊性,给出了解决超材料天线罩雷电防护问题的研究思路,并根据超材料沿面放电试验和流注击穿试验的需求,研制了100kV雷电冲击电压试验系统。
  (2)开展了超材料沿面放电试验。研究了超材料沿面放电形貌特征,测量双电极在超材料表面不同相对位置下的放电电压,分析了双电极最短距离、双电极偏离角对沿面放电特性的影响。结果表明,超材料表面放电通道呈折线状,由两类放电路径组成,第一类路径与超结构周期方向平行,第二类路径与超结构周期方向夹角45°。进一步分析发现,超材料沿面放电的主通道发生在沿绝缘间隙总长度最短的路径上。随着双电极最短距离的增加,放电电压呈线性增加趋势。随着双电极连线偏离角的增大,沿面放电电压先增后减,当偏离角为0°或45°时,放电电压较低,当偏离角为22.5°时,放电电压较高。
  (3)开展了超材料蒙皮击穿试验。从放电形貌、击穿电压和电荷沉积三个方面,对比研究了两种超材料的放电特性,分析了两种超材料的电场分布情况。结果表明,谐振环型超材料的击穿电压最高,细丝状放电较暗且较少,靠近接地位置的细丝状放电较多:耶路撒冷型超材料的击穿电压最低,细丝状放电较亮且较多。进一步分析发现,细丝状放电导致带电粒子积累到蒙皮表面形成表面电荷,表面电荷密度达上百uC/m2,在蒙皮内部产生与外加电场同向的电场,数值达几十kV/cm,显著提高了蒙皮内部电场强度,蒙皮在外加电场和表面电荷的双重作用下发生击穿。
[博士论文] 庄建兴
电子科学与技术;电磁场与微波技术 东南大学 2017(学位年度)
摘要:随着太赫兹源和探测技术的持续进步,太赫兹频段(0.1THz-10THz)近年来逐渐成为新的研究热点。该频段电磁波在材料检测、生物医疗、安全检查、成像等领域都具有良好的应用前景。然而目前很多太赫兹频段器件所用材料的介质参数,尤其是损耗特性,仍然未知;同时该频段无源器件的设计、加工、测试以及损耗分析均与微波毫米波频段有很大差异。因此,研究太赫兹频段的材料特性和无源器件的加工、设计有着非常重要的理论和现实意义。
  微波频段相比太赫兹频段虽然频率较低但发展更为成熟,其应用范围覆盖通信、雷达、医疗等诸多领域。天线作为微波频段各领域的常用器件,根据其结构的不同,可辐射线极化波、圆极化波或椭圆极化波。相比线极化波,圆极化波可有效减少多径反射和其他干扰,简化收发天线间的对准,并具有更强的雨雾穿透能力;贴片天线则具有低剖面、重量轻、加工简单、且便于安装和集成等优点。基于这些优点,圆极化贴片天线广泛应用于无线通讯、卫星通讯、导航和雷达等领域,但是其固有的窄带特性限制了其应用范围。因此,研究高性能的宽带圆极化天线及阵列具有重要的理论及实用价值。
  本文围绕着太赫兹频段材料特性、无源元件与宽带圆极化微波天线两个方向开展研究,主要工作如下:
  第一章主要研究太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统及其在介质参数测量方面的应用。文中介绍了THz-TDS系统的工作原理,实现了具体的测试光路,测试和分析了环境中水分子的影响和多次测量的可重复性。基于透射测试方案,得出了介质参数的提取公式,并据其提取了Rogers RT/Duroid5880、FR4_epoxy、高低阻硅及砷化镓等不同材料在太赫兹频段的介质参数,并首次以损耗角正切的形式给出了各材料在太赫兹频段的损耗。实验结果表明高阻硅及砷化镓因其极低的损耗适合在太赫兹频段器件加工中作为衬底或基底使用;Rogers RT/Duroid5880板材则只适合应用于太赫兹低频段的简单结构加工;而低阻硅和FR4_epoxy板材则由于较高的损耗限制了其在太赫兹频段器件加工上的应用。本章部分研究成果已在国家中文核心期刊微波学报和全国微波毫米波会议上发表。
  第二章基于硅基微机械加工(MEMS)工艺,研究了太赫兹波导类器件的设计、加工、测试和损耗分析方法。文中对比了多种常用波导加工层次结构,并给出了详细的加工步骤。以MEMS直通波导为例,分析了太赫兹波导类器件的损耗来源并建立了完整的损耗分析模型。设计和实现了零点连续可调的椭圆腔体带通滤波器和具有高选择性的矩形腔体带通滤波器,实验结果与基于损耗模型拟合出的仿真结果一致。此外,还设计了太赫兹频率扫描天线,其方向图扫面范围超过±45。本章部分研究成果已在国际核心期刊IEEE Trans.on Terahertz Science and Technology上发表。
  第三章基于精密机械加工工艺,研究了太赫兹波导类器件的加工、设计及测试。文中利用该工艺设计加工了直通波导和带通滤波器,并通过实验验证了该工艺在太赫兹频段进行精密加工的可行性。基于该工艺,本章设计了金属平面偏馈反射面天线,分析了天线尺寸与口径效率和增益之间的关系。并且,以此平面偏馈反射面天线为基础,提出了两种提高天线增益的结构。第一种采用端接喇叭的方法,可使天线增益从20.8dBi提升至31.1dBi@300GHz;另一种采用金属块侧壁开槽的方法,可使天线增益从21.3dBi提升至28.5dBi@310GHz。两种结构在增益提升上均取得很好的效果,且加工简单,满足在太赫兹频段的应用需求。本章部分研究成果已在国际会议IEEE IWS2015上发表,并投稿至国际核心期刊IEEE Antennas Wireless Propag.Lett。
  第四章研究了具有宽带轴比特性的圆极化贴片天线。针对影响圆极化天线轴比因素中的极化误差,本章设计了可以改善交叉极化,提高轴比特性的圆极化贴片天线。该天线采用宽带移相巴伦作为馈电网络,能量通过馈电网络经金属通孔和双L型探针馈入贴片天线。通过在两个L型探针之间加载矩形金属贴片,可以有效降低该贴片天线的交叉极化,达到改善轴比的作用。测试结果表明,该天线轴比带宽达到61.7%,实现了其他文献四馈电点才能达到的轴比带宽。该天线性能优异且设计优化方法简单。本章研究成果已在国际核心期刊IEEE Antennas Wireless Propag.Lett上发表,并已申请国家发明专利和实用新型专利。
  第五章研究了车载卫星通信阵列天线。提出了一种双层棱台型天线阵列,该阵列天线可在1.98GHz-2.20GHz频段内满足对上半空间超过9dBi的增益覆盖。选用缝隙耦合天线作为圆极化子单元,两耦合缝隙呈90°偏置放置,并引入寄生贴片以改善匹配、提高增益。子单元在所需频段内增益超过8.95dBi。再由2×2子单元组成子阵,以满足阵列天线对覆盖增益的要求,子阵列在所需频段内实测增益13dBi,轴比小于2.4dB,子阵极化方式可在左旋和右旋圆极化中切换。最后由17块子阵固定在两层棱台型天线架表面形成整体阵列,天线架内部空间用于安装射频收发信机。通过子阵独立波束与多子阵合成波束的联合使用即可实现对上半空间的覆盖。本章部分内容已申请实用新型专利。
[博士论文] 成立
电子科学与技术;电磁场与微波技术 东南大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,随着高速无线通信技术的迅猛发展,微波频段的频谱资源已日趋枯竭。因此,研究与开发毫米波乃至亚毫米波频段的频谱资源成为了当务之急。而毫米波亚毫米波天线作为无线通信系统中的重要部件也受到越来越多的关注。本论文分别对毫米波透射式平面轨道角动量天线、毫米波反射式平面轨道角动量天线、高性能的毫米波平面圆极化阵列天线以及太赫兹高高斯耦合度光滑喇叭天线等进行了较为深入的研究。论文的主要工作如下:
  第一章首先对透射式的平面轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)天线的整体设计方案进行了研究,提出了基于平面透射阵列天线的平面螺旋移相面设计思路并给出了设计公式。该平面螺旋移相面通过在周期排列的相位调节单元上打空气通孔实现,利用仿真软件可以得到空气孔孔径与透射相位的关系。然后,分别设计了工作在94GHz的单板单模平面透射式轨道角动量天线和单板多模透射式平面轨道角动量天线。最后对两款天线远场的幅度和相位方向图分别进行了测试,并通过得到的相位方向图提取了两款天线波束的轨道角动量模式系数谱,证明了设计方法的有效性。上述研究结果已发表于Scientific Reports。
  第二章提出了偏馈反射式的轨道角动量天线。首先基于平面反射阵列天线给出了偏馈反射式轨道角动量天线整体设计的思路和设计公式。然后通过设置主从边界条件的仿真方法得到反射相位随调相单元中孔径变化的关系。接着从单元和整体的角度分别分析了偏馈角度对天线性能的影响。最后设计了一款工作在94GHz的反射式轨道角动量天线,并测量了其幅度相位方向图以及轨道角动量模式系数谱。上述研究结果已发表于IET Microwaves,Antennas&Propagation。
  第三章主要研究了平面宽带圆极化阵列天线。首先基于基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line,SICL)和背腔贴片天线设计了一款工作在E波段的圆极化阵列天线。然后提出并分析了一种新型波导到基片集成同轴线转接结构,该转接结构能实现两组宽带等幅反相差分传输。基于此转接结构设计了一款紧凑型的平面圆极化阵列天线。与传统的蜿蜒线结构相比,基于新型馈电结构的天线阵列面积减小了约47%。测试得到该紧凑天线阵列的3dB轴比带宽达到了9.3%,回波损耗带宽达到了19.9%,频带内的最高增益为12.3dBi。本章的部分结果将发表在IET Microwaves,Antennas&Propagation(已录用)。
  第四章主要开展了太赫兹高高斯耦合度光滑喇叭天线的研究。首先采用模式耦合技术(Mode Coupling Technique)对四段式多模喇叭天线进行了分析,得到喇叭口面模式分布。然后利用三次样条曲线(Cubic Spline)对四段式喇叭天线进行光滑化处理,得到光滑曲面初始喇叭天线。接着利用MATLAB和CST WMS对该光滑曲面喇叭天线进行联合仿真,基于回溯搜索算法迭代优化得到在220GHz处高斯耦合度超过99%的喇叭天线。最后对该喇叭天线进行了加工测试,其回波损耗、远场方向图和增益均与仿真结果高度吻合,证明了该设计方法的有效性。本章的部分内容已投稿至IEEE Trans.on Antennas and Propagation。
[博士论文] 徐杰
电子科学与技术;电路与系统 东南大学 2017(学位年度)
摘要:Q波段(33~50GHz)作为毫米波近端,具有带宽宽、抗干扰能力强、穿透性强的特点,在高速无线通信、卫星遥感、雷达探测等领域均具有非常好的应用前景。Q波段收发信机(主要包含振荡器、混频器、滤波器、功率放大器等模块)是通信、雷达等系统的关键部件之一,直接决定了系统能否正常工作。发达国家较早对Q波段收发信机和关键部件进行了研究,并且有相关产品面世。不过这些主要是针对军事应用,相关产品严格受控。随着Q-LINKPAN的提出,国内近几年对Q波段器件的研究也逐渐增多,但目前较少可用于商业用途。本文基于国内现有的工艺水平,以实现电路的高性能、低成本、易于平面集成为目的,对Q波段收发信机的关键电路及技术进行了研究,主要包括以下几个部分:
  (1)对Q波段鳍线结构、微带结构及SIW结构小型化带通滤波器的研究。为了实现更加紧凑的结构,本文在宽带鳍线滤波器的基础上,加载周期性电容。实验结果表明,在射频性能类似的情况下,加载周期性电容的结构尺寸缩小了20%左右。本文将平行耦合结构与多模谐振器以及开路短截线结合,用于微带结构滤波器的设计中,降低了对加工工艺的要求,同时提高了滤波器的性能。在电耦合SIW滤波器研究基础上,提出一种新型结构,实现了滤波器的小型化设计。
  (2)提出了一种新型阶跃阻抗耦合微带谐振器。利用该谐振器高低阻抗线之间的耦合引起的两个传输零点,来提高滤波器的频率选择性。同时,为了进一步减小滤波器的尺寸,将双模结构引入谐振器中。测试结果表明,本文设计的低通滤波器具有高“滚降”特性以及宽阻带宽度。
  (3)研究并实现了K波段宽带基波混频器。通过级联的“鼠笼环”增加了带宽。实验结果显示,当本振频率为17GHz时,中频DC~6GHz变频损耗小于11dB;当中频频率固定在1GHz时,在17~25GHz射频频率范围变频损耗小于10dB。此外该混频器还具有良好的端口隔离度。
  (4)设计并实现了两款宽带毫米波二次分谐波混频器。提出了一款新型短路结构滤波器,并将其用于混频器的本振端口。通过回收利用闲散的混频分量来提高混频效率。实验结果显示该分谐波混频器,射频相对带宽超过22%,中频带宽达到10GHz。为了进一步提高射频工作带宽,提出了一款宽带短路结构滤波器,并将其用于混频器的射频端,实验结果显示该谐波混频器,射频相对带宽超过54%,中频带宽可到6GHz。
  (5)针对传统的立体结构毫米波奇次分谐波混频器难以与其它平面电路集成的问题,本文提出了一种基于SIW结构的Q波段三次分谐波混频器。测试结果表明,当中频固定在2GHz时,在38~47GHz频率范围内,变频损耗小于15.6dB;当本振固定在13GHz时,中频带宽大约为6.4GHz,此时变频损耗小于16dB。
  (6)提出了具有高Q值的互补开口谐振环(CSRR)加载SIW圆谐振器,以及CSRR加载1/4模SIW圆谐振器,并将其用于串联反馈式低相位噪声振荡器的设计中。此外,还提出了基于CSRRs加载SIW圆谐振器的双模滤波器,在此基础上设计了X波段低相位噪声振荡器。实测结果显示,振荡频率为10.113GHz,在偏离振荡频率100KHz处的相位噪声为-122dBc/Hz。在串联反馈式振荡器的基础上,研究了进一步降低相位噪声的方法比如通过引入高次模提高谐振器的Q值以及引入双反馈回路,并通过实验进行了验证。
  (7)非2的幂次方单元数的毫米波高效率功率合成技术的研究。首先,研究了链式和径向波导功率合成技术,分别设计Q波段六路功率合成电路进行了验证。针对三路波导定向耦合器端口之间存在相位差,无法直接进行功率合成的问题,设计了波导90°移相器。此外,还提出了具有高端口隔离度的新型波导T型结,并将其与改进的三路波导定向耦合器级联,设计了Q波段六路功率分配/合成电路。本文设计的三款六路功率合成电路均具有插入损耗低、加工安装方便的特点。
  (8)研究了人工表面等离激元(SSPP)传输线在微波、毫米波中的应用。提出了一种宽带过渡,将SSPP波导过渡到微带线,实验结果表明该过渡相对工作带宽超过127%。研究了SSPP传输线的封装特性,从理论和实验角度证明其比微带结构在紧凑封装中具有更好的传输特性。利用SSPP传输线的低通特性,设计了Q波段开关电路;将变容管与SSPP传输线结合,设计了Q波段移相电路。据作者所知,这是首次将SSPP传输线应用于功能电路的设计中。
[硕士论文] 刘银海
电子与通信工程 黑龙江大学 2017(学位年度)
摘要:随着广播技术的提高,数字化,网络化进程的推进,广大用户对广播和电视节目接收效果的要求也越来越高,这给广大工作在一线的无线工作者们增加了更多的工作量与工作任务。DF500A型500KW短波发射机,作为第一批国产短波发射机,由于技术以及经验的欠缺,发射机系统尚存在着诸多不足,有一系列问题尚待解决。例如发射机调谐马达人工开启与倒换频的智能化问题,由于工作环境的复杂性与工作的长时间性,导致人为误操作的问题,发射机的非智能性产生的停劣播事故问题等等。因此,对发射机远程质量监控保障系统的开发与研究迫在眉睫。
  本文设计的监控系统由监测与控制两部分共同组成。由ARM负责自动调谐部分,也就是控制部分。由复杂可编程逻辑器件(CPLD)负责逻辑顺序的控制,也就是监测部分。根据智能化的需求,参考了短波发射机的射频系统工作原理,完成了监测与自动调谐的设计以及工作流程的设计。设计并实现了外围电路以及元器件,板卡,硬件平台等工作。通过系统测试与实验结果分析,验证本方法达到了设计目标,可以实现对发射机的监测与自动调谐过程。
  远程质量监控保障系统的实现,将大大降低值班人员的工作量,从机械性的繁重工作当中解脱出来,提高服务质量,减少了停劣播事故的发生,最终将实现有人留守无人值班的工作模式。
[硕士论文] 李倩
电子与通信工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:用电信息采集系统是智能电网的重要组成部分,主要实现对电力用户的信息采集、用电实时监测,因此选择可靠的通信技术对智能电网的构成有着至关重要的作用。无线通信是智能电网的基石,223~231MHz是国家无线电管理委员会划分给电力信息采集系统的专用频段。223~231MHz的用电采集系统性能对用电信息的实时准确采集具有重要的意义。本文研究应用于223~231MHz电力信息采集的射频收发系统设计,该研究不仅可以对智能电网提供通信解决方案,同时可以促进智能电网的发展。
  本文根据国家电网要求,设计了一种小型化、低功耗,以4FSK为调制方式的射频收发系统架构。本文采用零中频技术简化系统结构,应用高集成度的芯片减小系统体积。该系统由控制电路、调制解调电路、射频变频电路、功率放大器、低噪声放大器以及电源部分组成。本文首先介绍了系统的设计方案,其次对系统指标设计、关键技术的实现以及设计注意事项进行了分析与说明,最后给出了系统的测试结果,结果表明,系统最大输出功率大于等于33dBm,数传频偏为2.5kHz,灵敏度优于-107dBm,载波容差绝对值小于500Hz,杂散射频分量小于5μW,发射邻道抑制大于45dBc。EMC性能良好,满足国家电网对本设计提出的要求。
  本文设计的223~231MHz的电力信息采集的射频收发系统已在重庆开县大量使用,性能稳定,达到了良好的应用效果。对智能电网的建设提供了重要的技术支撑。
[博士论文] 陈思明
核科学与技术 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:稳态强磁场是现代基础科学研究不可或缺的极端条件。目前中国科学院强磁场科学中心已完成40万高斯稳态混合磁体装置的建设,磁场强度位居世界第二。该装置由外超导磁体和嵌套其中的内水冷磁体组成,由两套独立的电源系统供电。其中外超导磁体电源采用双反星形可控硅整流结构,为典型的非线性负载,电源大电流输出时,会向电网注入大量的谐波。超导模型线圈的“零电阻”及大电感特性,使得装置运行时消耗大量无功功率。需要对无功和谐波加以补偿。
  论文全面的介绍了外超导磁体电源的结构,对电源的各个组成部分进行了设计分析。结合实际现场,对相关参数给出了详细推导。针对电源运行可能出现的各种非理想情况,分析电源的特征谐波与可能产生的非特征谐波。依据外超导磁体模型线圈的励磁特性,全面分析了无功功率的动态特性。从电源的反馈控制调节角度,阐述了电源对50Hz输出电压纹波抑制过程中电源所消耗的无功功率的动态变化。以此确定无功补偿及谐波滤除装置的所要满足的性能指标。
  论文对三种补偿方案的进行对比分析,解释了SVG (Static Var Generator)作为选定方案的原因。探究了传统功率理论的不足,对有源补偿装置的原理进行了分析,为柔性补偿装置的研制提供了理论依据。
  以装置工程实现为目标,对三电平SVG的关键技术展开研究,对主回路拓扑、交流滤波结构、电压同步、参考电流计算、数字滤波设计以及电流反馈控制等技术细节进行了分析。选定了合适的技术方案。研制了实验样机,详细阐述控制系统的实现,验证了理论分析的可行性。工程实现了外超导磁体电源的动态无功补偿及谐波抑制,目前装置运行良好。为强磁场28MW大电源的无功补偿及滤波装置的升级改造提供了有力的理论依据。
[硕士论文] 梁员豪
电子科学与技术;电路与系统 东南大学 2017(学位年度)
摘要:目前市面上有大量业务功能单一、界面固化、程序固化的传统POS终端,在过去一段时间发挥了重要的金融服务作用。但是随着金融业务的发展,传统POS已经突破了传统的以消费为主的业务模式,面临着一系列增值性业务、客户定制化等需求,而传统POS的更新过程繁琐,已经不能适应高频的变更需求。
  本论文基于BCM5892处理器平台设计了一套基于脚本化的金融POS支付系统,采用脚本化实现终端主要业务逻辑和具体流程的解绑等,使得系统的可维护性得到了有效提高。论文基于POS支付系统脚本规范,构建了基于脚本化的POS系统软硬件平台,其中硬件平台采用BCM5892安全处理器为主控芯片进行功能和安全设计及硬件性能优化。软件平台采用Linux系统,基于脚本文件进行深入解析、合理配置,达到支付系统脚本化的实现和远程更新等功能,在此基础上,针对操作系统性能进行了驱动程序的优化设计,增强脚本文件的高效性、可移植性。
  测试结果表明所设计的脚本系统软件能够正确地解析了脚本文件指令,准确安全地实现整个支付流程,远程更新正确便捷。该软件系统通过改变脚本配置就能有效控制终端行为,提高了脚本POS终端的灵活性和可维护性。基于本论文设计的脚本POS使应用程序占内存大小减少了7.4%、运行速度提高了16.5%。
[博士论文] 刘登宝
电路与系统 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:随着信息技术的不断发展,高速有线通信变的前所未有的频繁和重要,SATA、IFINIBAND、10GBASE-KR、10GBASE-CX4等高速有线通信标准相继出现并普及,更高数据率和更低功耗的芯片作为产品的技术核心,已经成为其关键竞争力。高速有线通信系统设计的主要难点是如何有效消除高速数据中的码间干扰,其是由于传输信道的低通频率响应造成的。消除码间干扰问题的方法有两种,第一种就是利用前馈均衡器、连续时间线性均衡器和判决反馈均衡器这三种模拟混合均衡电路共同作用;第二种方法就是在接收机前端设计一个中等分辨率、高采样率的模数转换器,将输入端的模拟信号量化为数字信号,利用后端的数字信号处理器从数字域的角度消除码间干扰,其可以对数据进行更加精细的均衡。但是高采样率模数转换器的芯片面积和功耗非常大。本文分别对这两种消除码间干扰的方式及其关键模块的低成本、高工作频率和低功耗等关键技术进行研究,并通过理论分析和测试结果验证。
  前馈均衡器是发射机的核心电路,其对发射端的数据进行预加重。现有的前馈均衡器电路都具有较大的衰减,尤其在传输信道的衰减较大的应用中,这一问题更加突出,本文试图保证整个收发机对高速串行传输数据的均衡能力不变的前提下实现低衰减的前馈均衡器设计。前馈均衡器理论上可以降低传输信道单位脉冲响应中的所有前标和后标值的大小,本文提出一种改进型低衰减前馈均衡器结构,首次提出前馈均衡器并不对单位脉冲响应中的第一个后标进行刻意的处理,第一个后标的值通过接收端的判决反馈均衡器进行消除。与采用传统前馈均衡器电路的收发机进行测试结果对比,采用改进型前馈均衡器的收发机中判决量化器输入信号具有更大的眼图张开度。采用SMIC40nm CMOS工艺设计一个基于改进型低衰减前馈均衡器的10-Gb/s有线通信收发机,其符合IEEE802.3ap10G背板以太网标准(Backplane Ethernet Standard),测试结果证明了所提技术的有效性。
  为了进一步降低收发机的功耗,设计了一个基于SST Driver和CTLE/DFE Summer融合的低功耗10-Gb/s收发机。发射端需要提供较大的输出信号摆幅、对发射端数据进行预加重、具有与传输信道特征阻抗相同的输出阻抗,因此往往需要消耗非常大的功耗。其中消耗能量最大的模块为发射端输出的驱动器Driver,常用的驱动器有电流模式驱动器和电压模式驱动器两种,在相同的输出摆幅下,SST(Source-Series Terminated)Driver所消耗的功耗为传统CML结构的1/4,但是现有的SST Driver都需要非常复杂的输出阻抗校准电路。本文提出一种带有改进型阻抗校准电路的SST Driver,相比其他方案,不需要消耗电压裕度、具有较小的输出寄生电容且校准电路面积较小,实现了低功耗和输出阻抗校准电路低复杂度的设计。对接收端的连续时间线性均衡器和判决反馈均衡器进行分析研究,对比研究了现有的多种降低接收机前端功耗的技术,提出连续时间线性均衡器和判决反馈均衡器中的加法器融合的电路结构,从而进一步降低了接收机前端功耗。整个低功耗10-Gb/s收发机电路在SMIC40nm CMOS工艺实现并完成测试,其同样符合IEEE802.3ap10G背板以太网标准,发射机的功耗为20.6mW,接收机前端总功耗为5.1mW。
  基于模数转换器的数字均衡方法使得高速串行有线数据传输可以实现更高的数据率和更低的误码率,本文研究设计了一个基于两步式Flash ADC的10-Gb/s低功耗有线通信收发机。数字均衡的主要难点是设计一个中等分辨率(通常为5-6比特)、高采样率的模数转换器,现有的研究成果中尝试了SARADC和Flash ADC,但是单路SAR ADC采样率较低,为了实现10GS/s的采样率,需要非常多路时间交错结构的SAR ADC同时工作,其复杂度和芯片面积都非常大;传统Flash ADC可以实现较高的采样率,但是其中并列的比较器同时工作需要消耗非常大的功耗。本文分析了ADC输入信号概率分布的不均匀以及均衡器对ADC输入信号概率分布的影响,首次提出一种基于输入信号统计分布的时间交错两步式Flash ADC。其充分利用了输入信号概率分布不均匀的特性,将所有的比较器分为两级,参考电压值位于输入信号概率分布较大区域的比较器作为第一级,剩下的比较器作为第二级。与传统的Flash ADC相比,本文提出的两步式Flash ADC降低了66%的平均激活的比较器数量,有效降低了功耗。同时从降低功耗的角度出发,对比较器和跟随保持电路做了相应的改进。整个收发机电路基于SMIC40nm CMOS工艺实现,且符合IEEE802.3ap10G背板以太网标准,结果验证了两步式Flash ADC的有效性。
[博士论文] 李玉福
电子科学与技术;电磁场与微波技术 东南大学 2017(学位年度)
摘要:随着无线通信技术的快速发展,促使着微波电路与系统向着高频段、高集成度,低成本,轻量化,低功耗和多功能的方向发展,对微波传输线的要求也越来越复杂和多样化。相比于其他平面传输线,共面波导和共面带线具有电场极化方向平行、便于加载集总参数元件、适于探针连接等特点,因而广泛应用于现代微波毫米波系统中。但共面波导和共面带线存在着阻抗过大、可用阻抗范围小、难以直接连接50欧姆系统、缝隙过小、工艺容差小、功率容量小和串扰严重等问题。本文提出了基于过孔阵列的共面波导(Post Wall Coplanar Waveguide:PWCPW)和基于过孔阵列的共面带线(Post Wall Coplanar Stripline:PWCPS)。PWCPW和PWCPS在保留传统共面波导和共面带线优点的同时,还具有阻抗适中、可用阻抗范围大、工艺容差大、功率容量大和串扰小的特点。上述特点使得PWCPW和PWCPS可用于多种类型的微波无源器件和天线。
  本文的工作涵盖了PWCPW和PWCPS传输线的基础到其应用,主要内容如下:
  1.提出了基于过孔阵列的共面波导PWCPW和基于过孔阵列的共面带线PWCPS,解决了传统共面波导和共面带线存在的特性阻抗大、可用阻抗范围小、功率容量低和串扰大等问题。提出了计算PWCPW或PWCPS特性阻抗的分解方法,该方法将PWCPW或PWCPS分解为传统空气共面波导或传统空气共面带线,再并联矩形介质填充波导,并由此导出了特性阻抗的解析表达式,解明了特性阻抗与传输线横截面尺寸和介电常数的关系。此方法具有明显的物理意义,对传输线的分析和设计具有指导意义。然后仿真和实验研究了PWCPW和PWCPS,检验了特性阻抗解析表达式的精度,实测了PWCPW和PWCPS在10MHz到20GHz的反射和传输特性,并在频域与传统形式的共面波导和共面带线进行了传输特性的对比。然后运用基于信号空间的归一化欧氏距离及其数量矩阵,将PWCPW和PWCPS与普通的共面波导和共面带线的传输特性在时域进行了比较,频域和时域比较的结果均显示了PWCPW和PWCPS具有优良的传输性能。提出了微带线-PWCPS、PWCPW-PWCPS和同轴-PWCPS的脉冲反极性三种过渡结构,并分别在频域和时域对其性能进行评估,结果显示,提出的过渡结构具有结构简单、易于加工、功率容量大、脉冲传输性能好、可应用同轴接头直接进行馈电等优点。
  2.提出了多种基于PWCPW和PWCPS结构的功率分配器。首先使用基于PWCPW和PWCPS传输线,实现了窄带功分器,初步验证了PWCPW和PWCPS传输线的实用性和特性阻抗解析表达式的准确性;然后运用基于信号空间的归一化欧氏距离数量矩阵设定功分器的设计优化目标,优化设计了基于PWCPW和PWCPS结构同极性宽带脉冲功分器、输入-输出反极性宽带脉冲功分器和输出反极性宽带脉冲功分器,对实物样品的传输特性进行了频域测量,并把测试结果转换到时域中进行分析比较,频域和时域结果均显示,这三种宽带脉冲功分器性能良好,仿真与测试结果吻合很好,不仅检验了基于时域设计方法的有效性,也验证了PWCPW和PWCPS传输线结构具有很强的灵活性,适用于多样化的设计要求。
  3.提出了一种基于PWCPS的低交叉极化脉冲天线。根据脉冲辐射对天线结构的要求,提出了一种高斯曲线渐变PWCPS加载脉冲天线,分析了高斯曲线起始段、中间段、终端段各部分在天线中的作用,据此制作了工作在1.5GHz到20GHz频段的高斯渐变PWCPS加载脉冲天线,并给出了其频域辐射特性和时域收发特性的测试结果,测试结果与仿真结果一致性较好,两者均显示,PWCPS传输线结构特别适用于宽带脉冲天线的应用,研制的高斯渐变PWCPS加载脉冲天线辐射性能强,驻波小,在整个频带内交叉极化电平低于-22dB,是一种性能优良的脉冲天线。
  本文工作包含了PWCPW和PWCPS传输线的特性参数计算公式、基本过渡结构、多种结构的功率分配器和天线。本文工作表明PWCPW和PWCPS传输线具有优良的阻抗特性和传输特性、结构的灵活性和工艺适应性,为基于PWCPW和PWCPS微波应用系统的发展奠定了牢固的基础。
[硕士论文] 宣智杰
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着信息技术的不断发展,频率使用正在逐步往高频端演化。基片集成波导作为一种重要的传输线形式,在高频段具有较低插损、易于集成、重量轻、加工成本低等优势,所以得到了广泛应用。科研人员在基于基片集成结构的互连设计方面已经做了大量的研究工作,但这些工作主要是围绕在二维平面结构方面开展。随着对应用场景的不断开发,需要对不同的基片集成三维互连结构进行相关的研究,以满足不同的设计需求和应用背景。
  在实际应用过程中,很多场景需要实现基片集成结构的旋转效果,比如在极化重构或波束扫描天线领域,通过旋转天线相对位置,可获得不同极化模式和波束指向。本文分别基于磁流环和电流元激励原理,设计了两类具有不同拓扑形式的基片集成三维旋转互连结构,实现了输入基片集成波导与输出基片集成波导之间的相互旋转,可用于设计旋转天线、波束扫描天线等。
  多波束天线在现代通信领域内得到了广泛的应用,可改善系统的通信质量,在雷达领域也有着重要的应用价值,可实现多目标跟踪。二维多波束天线的波束扫描能力大于一维多波束天线,所以应用价值更大、范围更广。在高频段的多波束天线设计中,基片集成波导已经获得的了广泛的关注,但二维基片集成多波束天线实现困难,且难以扩大规模。本文提出了一种基片集成波导扭关节,可实现三维互连,基于此实现了具有较强拓展性的基片集成二维波束成形网络,并用于搭建具备二维扫描能力的多波束天线。
[博士论文] 张涛
电子科学与技术;电磁场与微波技术 东南大学 2017(学位年度)
摘要:由于极大带宽及超高工作频率特点,毫米波系统在高速通信、高精度雷达探测等方面具有广泛应用前景,其目前受到越来越多的关注。随着工作频率的不断增高,天线等无源器件尺寸不断缩小,这使得毫米波系统整体封装集成成为可能。目前,很多科研机构都致力于高性能、小尺寸、高集成度、尤其是低成本的毫米波系统研究。本论文在材料高频性能表征、毫米波集成阵列天线设计、相控阵天线封装以及低副瓣集成阵列天线设计等方面展开了研究。主要研究内容如下:
  1.Rogers介质材料在毫米波频段的高频特性研究。为了得到Rogers板材在毫米波频段的特性,本文采用谐振环技术测量得到了Rogers板材的介电常数和损耗因子。测试得到的相对介电常数在2.3左右,其随着频率的升高有逐渐升高的趋势。同时,本文还采用仿真拟合的方法得到了Rogers板材的相对介电常数,该结果与谐振环方法测得的结果具有很好的相关性。此外,本文根据测试得到的介电常数,对比了传输线的仿真与测试结果,得到了较好一致性。
  2.60GHz的差分集成阵列天线研究。本文设计实现了两个未带空气腔和带空气腔的60GHz高增益宽带平面阵列天线。为提高信号的完整性,天线采用差分馈电的形式来实现。互连网络的设计采用无源网络的形式对键合线寄生参数进行补偿,且与天线进行了协同设计。测试时,本文采用基于硅基差分传输线的去嵌入测试方法,模拟实际芯片与天线的互连。测试结果显示,有空气腔和无空气腔两个天线S11-10dB相对带宽分别为13.8%和26.2%,天线增益均为12dBi左右。去除反射系数的影响后,该无源补偿网络插损在61GHz下仅比50Ω差分线大0.07dB。
  3.60GHz的差分封装天线研究。提出了一种应用于60GHz通信的无空气槽的高增益、宽带集成层叠天线。设计的60GHz天线单元和16阵元天线阵采用了低成本的传统印制电路板工艺。为提高天线的增益、带宽和辐射效率等性能,本文采用了覆盖层和悬浮式金属环结构。天线单元的测试最大增益为8.9dBi,S11-10dB带宽大于12GHz,且天线效率仿真值在60GHz频带大于90%。此外,为验证天线阵扫相功能,本文还实现了两个波束指向分别为0°和30°的16元天线阵,其实测最大增益分别为16.3dBi和13.6dBi。
  4.60GHz单端相控封装天线研究。采用传统印制电路板工艺,提出了一种应用于60GHz相控阵系统的低成本相控阵封装方案。叠层结构采用3层介质和2层粘合介质,用于实现天线单元、垂直准同轴过渡结构、天线馈线、电源和低速信号层。天线馈电采用缝隙耦合的形式来实现,并提出了紧凑型的扇形阻抗匹配结构和准同轴式换层过渡结构。天线单元(包含准同轴结构)实际测试S11-10dB相对带宽为20.2%,天线在62GHz增益达到最大为6.9dBi。基于该天线单元,本文设计实现了16阵元的封装相控阵天线,整体尺寸为14mm×14mm×0.925mm。各天线单元测试回波损耗在57.2到64.5GHz内小于10dB,测试增益在四个IEEE802.15.3c通道内增益约为6±2dBi。
  5.100GHz低副瓣集成阵列天线研究。提出了一种应用于100GHz非接触式生命信号探测的新型共面波导串馈集成阵列天线。该结构的阵列天线不仅有效地利用了芯片地端输出的能量,还可以避免微带到CPW的转换,更利于天线与芯片的集成。本文对天线与键合线补偿网络进行了协同设计,使S11-10dB带宽提到了4GHz。仿真结果显示,该集成天线(含互连补偿网络)S11-10dB相对带宽为10.5%,100GHz下增益约为15dBi,副瓣电平SLL低于-20dB。
[硕士论文] 袁野
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:自从无线能量传输的概念被提出并被各种实验证明有效可行以来,无线能量传输一直是电子行业从业者们致力研究的对象。研究者们经过多年的研究并通过各种不同的原理实现了能量的无线传递,我们不再需要又长又复杂的导线来实现能量的传递,这不仅减少了日常生活中的导体触电的危险,还为各种复杂环境下需求的能量传输提供了简便可行的方案,例如水下插拔的供电系统。
  近年来,无线能量传输早已悄悄进入我们的生活,例如各种使用无线充电的电动牙刷,机器人等电子产品,各大手机品牌包括三星,苹果也都先后推出了基于Qi标准的无线充电器,日本等国已经将无线能量传输系统运用于电动汽车的充电中。无线是未来发展的趋势,在不远的未来我们的生活将再也看不到繁杂的导线,有的只会是无线的方便。
  在无线能量传输的大家族中,基于磁耦合谐振的无线能量传输系统由于其具有很高的效率和中等的传输距离,具有很大的应用前景,一直都是国内外研究的热点。本文针对基于磁耦合谐振的无线能量传输系统进行研究和设计,力图在传输效率传输距离和实用性方面进行突破,主要研究内容和创新内容如下:
  一、首先对基于磁耦合谐振式的收发天线进行参数提取和等效模型的理论分析,并通过ANSYS HFSS仿真软件进行建模仿真设计出工作于6.78MHz和13.56MHz(ISM Band)的高效率的单收发线圈,分析各参量和不同馈电方式对其影响,创新性的提出一种基于电容匹配的自适应距离匹配,并设计加工完成实验。
  二、为使收发线圈在实际应用中不受外界金属等物质的影响,提出一种收发线圈的屏蔽设计,并通过ANSYS HFSS仿真软件进行建模仿真设计,最终加工验证试验设计的屏蔽效果。
  三、通过将多个谐振单元进行有序排列设计和控制谐振线圈不同圈数上的电流大小两种方法,均匀发射线圈在空间内的磁场分布,从而实现多接收终端技术。
  四、设计选取加工晶振,功率放大器,桥式整流,稳压等,与设计出的收发线圈配合形成完整的充电系统,最终实现能为手机充电,能为台灯、音响、风扇等小功率家电供电的无线能量传输系统。
[硕士论文] 薛飞
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:天线一般工作在其辐射远场区域。对于某些特定场合,要求天线辐射的能量聚集在其近场区域的某一特定点上,这就需要近场聚焦天线。针对近场聚焦天线的研究已经持续了很长时间。在特定区域具有高能量密度的近场聚焦天线不仅可以用于提高医学与工业检测系统的探测和成像能力,还能用于门禁系统、微波无线输能系统、射频识别系统以及微波无线电系统等方面,具有广泛的应用前景和研究价值。
  不同应用场合对近场聚焦天线的需求也不相同。在微波热疗应用中希望利用最大功率加热癌组织,而不希望其对邻近健康组织产生危害;在非接触式微波感应中并不希望在焦点旁边有较高副瓣影响其准确性。因此,对近场聚焦天线实现低副瓣设计是降低副焦瓣影响的有效方法。当近场聚焦天线用于大面积检测时,可以通过需要焦斑扫描来扩大覆盖或提高位置定位精度。
  本文针对近场聚焦阵列天线相关问题展开研究,具体体现在:
  首先,在分析平面天线近场聚焦原理基础上,结合基片集成波导与金属圆波导实现了电磁波的近场聚焦。通过对基片集成波导近场聚焦天线的子部件进行分析,并对天线焦距与焦斑特性进行了讨论,最终对Ka频段基片集成波导近场聚焦天线进行设计、加工与实测。
  在此基础上,进一步研究近场聚焦天线的副瓣抑制问题。通过阐述近场区域低副焦瓣与圆极化的生成原理,即利用基片集成缝隙天线通过多元法实现圆极化,基于基片集成波导功分网络通过泰勒分布赋形实现所需近场副瓣电平,最终对 K波段低副焦瓣双圆极化近场聚焦天线进行设计、加工与测试。
  最后,结合改进的基片集成波导罗特曼透镜与基片集成缝隙天线缝隙阵列天线,实现了Ka波段多焦斑天线。为了将基片集成罗特曼透镜作为聚焦波束形成网络,对传统罗特曼透镜的相移网络进行修改以满足波束聚焦和扫描的要求。当从不同的输入端口激发时,焦点可实现横向扫描。最终对Ka波段基片集成改进罗特曼透镜多焦斑近场聚焦天线进行设计、加工与测试。
[硕士论文] 蒋洪福
电磁场与微波技术 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着微波毫米波相关技术的飞速发展,近年来微波电路小型化、高集成度、多功能、低成本、高可靠性等特性倍受瞩目,成为研究热点。三维立体结构能够轻易地将不同封装的有源器件与无源电路集成在单个封装内,以提高系统集成度,达到小型化的目的。作为雷达系统的一个重要组成部分,接收前端的高集成度、小型化设计对系统的相关性能具有至关重要的意义。本文采用三维立体结构对宽带接收前端的小型化、高集成度进行了研究。
  本文首先对国内外收发组件小型化研究进行了简单阐述,介绍了接收前端和锁相环电路基本理论以及LTCC工艺流程;对LTCC基板内的传输线及过渡进行了仿真优化,完成了LTCC基板内层间互连和模块间BGA(焊球阵列封装)垂直互连的设计;设计了接收前端二次变频方案并对链路指标进行了仿真优化,在一个LTCC基板内采用小数分频锁相环实现接收前端中的本振信号源,在另一LTCC基板内实现射频接收模块,最终采用BGA互连结构将两个模块垂直互联,以实现系统集成,达到小型化的目的。
  最后,本文完成了接收前端电路和锁相环单元电路的加工、装配、调试与测试,并对测试结果进行了详细的分析。测试结果表明接收前端在射频频率30MHz-3000MHz范围内接收增益大于34dB,噪声系数低于15.3dB,杂散抑制度优于28dBc,整个LTCC电路面积仅仅20mm×20mm。
[博士论文] 温亚庆
无线电物理 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:相控阵天线由于具有快速扫描的特点,使其在雷达探测以及卫星通信等领域具有不可替代的作用。针对平面相控阵天线,为了使其波束扫描范围更大,应用范围更广,近年来研究学者们把重点放在了对相控阵天线扫描角度的扩展和波束质量的优化上。本学位论文是以平面微带相控阵天线为研究载体,对相控阵天线的大角度扫描及低旁瓣优化问题进行研究和探讨,主要内容如下:
  第一部分主要对不同形式的宽波束相控阵单元天线的工作特点和原理进行研究和分析。首先,在平面微带天线结构中,运用缝隙等结构产生等效磁流。分析磁流和电流在无限大金属地板环境下的不同辐射状态。根据金属表面的边界条件和镜像原理分析得出平面磁流对于微带天线宽波束和低仰角辐射的产生具有重要作用,并据此设计具有宽波束或低仰角辐射特性的微带平面天线。其次,分析了基片集成波导结构的缝隙天线。通过理论及仿真介绍基片集成波导上缝隙的排布方式以及工作原理,分析缝隙对天线辐射的影响,最终获得宽波束辐射特性。最后,在微带天线上将磁流和电流相结合,得到一种产生宽波束圆极化辐射方向图的电磁偶极子天线。分析了电流和磁流同时产生的方法,以及二者之间幅度和相位的调节,水平极化电场和垂直极化电场在保持幅度相同的情况下实现90°相位差地结合,形成圆极化辐射波束。将这三种基本的原理引入到微带天线中,设计了四种不同形式的宽波束或低仰角高增益波束覆盖的单元天线,为后面的相控阵天线大角度扫描研究打下了基础。
  第二部分主要对平面微带相控阵天线的大角度扫描问题进行了研究,对不同天线单元以及不同相控阵结构的特点进行了分析和总结。首先,介绍了以微带磁偶极子单元天线和微带磁偶极子八木子阵所构建的两种相控阵天线的阵列排布方式及工作原理。阵列中重点研究了耦合贴片结构在阵列有源单元间耦合能量传递方面所起到的作用。在耦合作用的帮助下阵列的有源单元方向图相比自由环境中得到了扩展,使得阵列的扫描角度大幅度提高。其次,以基片集成波导缝隙天线为单元构建相控阵天线。阵列中金属通孔所构成的等效电壁保证了单元天线电场模式稳定,有源单元保持17%以上的相对带宽。相控阵在工作频带内保持大角度的扫描范围。然后,以电磁偶极子天线为单元构建相控阵天线,分析阵列结构对有源单元辐射方向图的极化和波束宽度等参数的影响,实现了大角度的圆极化扫描。最后,在平面微带正方形贴片天线上同时激励TM010模式和零阶谐振(ZOR)模式,利用二者在方向图上互补的特点形成宽波束覆盖的辐射方向图,由其构建的6×6的平面相控阵天线实现了二维空间上的双极化大角度扫描。
  第三部分主要以微带磁偶极子相控阵为载体,研究大角度范围内的扫描波束低旁瓣优化问题。首先,采用遗传算法对阵因子进行优化,利用CST计算得出的有源单元方向图作为阵因子中的单元,从而计及耦合所带来的影响。实验表明该方法可以有效降低大角度扫描范围内扫描波束的旁瓣大小。然后,运用神经网络预测的方法代替阵因子对相控阵的扫描波束进行模拟计算。通过反馈式神经网络对阵列进行模拟,其计算结果避免了耦合匹配等不确定因素的干扰,更加准确。对预测结果运用遗传算法进行优化。最后,对优化结果进行试验验证,仿真和测试都证实了该方法在大角度范围内实现了对旁瓣的优化。
[硕士论文] 王铮
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着科技水平的不断进步,在反射面天线领域涌现出许多新技术。伴随着卫星通信技术的发展,对称性双反射面天线成为目前通信、测控、雷达和射电天文中广泛应用的一种天线,尤其在测控领域,应用更为广泛。为了能够更好的对航天器进行轨道跟踪测控,测量获得航天器的角度、距离以及速度,了解掌握其在轨运行情况,需要对目标进行精确跟踪。而具有高增益和定向波束的反射面天线可以很好的实现该功能,并可以对目标进行精确跟踪并给出其位置信息。
  本论文根据反射面测控天线的发展趋势,在传统抛物面天线的应用背景下,采用Ka/S频段馈源以及环焦修正型反射面天线的设计方案。针对馈源进行小型化、轻量化设计,减小了馈源的重量和体积,并减少热容量以及馈源的插入损耗,有效提高了天线系统的G/T值,完成了提升天线效率的目标,本论文的主要工作可以分为以下几个方面:
  第一,总结了目前国内外反射面测控天线的现状和频率发展趋势,介绍了测控天线应用背景下Ka/S双频段馈源的电性能指标和馈源系统组成,提出了“小型化紧凑型双频段馈源”方案。
  第二,对馈源的各个微波器件进行单独设计,并对其进行了计算、仿真优化和详细的测试,使用S频段同轴式多模喇叭与Ka频段变张角多模喇叭的组合辐射器,不仅保证了两个频段的良好的馈源方向图,也极大减小了馈源辐射器的体积;改进了Ka频段波纹槽圆极化器,提升了极化器的相对带宽、轴比等电气性能;对S频段反射式TE21模耦合器进行优化设计,将原TE21模耦合器的长度缩短了一半;在S频段和支路合成网络中使用带状线魔T和带状线90°电桥的组合方式实现圆极化,不仅使合成网络更加紧凑,也解决了S发射频段的功率容量问题。
  第三,对馈源系统在微波暗室进行了馈源测试以及符合远场条件的天线性能测试,对测试数据进行了计算分析和对比,结果表明理论设计与实际测试结果十分吻合。
  本论文的结论表明Ka/S频段小型化紧凑型双频段馈源方案具有必要性和可行性,配合赋形修正面环焦天线使得天线不仅具备高增、低旁瓣的性能,并且在Ka、S双频段都具有接收、发射、跟踪多通道的圆极化功能,符合实际工程的需要。
[硕士论文] 赵迎超
软件工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:波导天线具有功率容量大、相对带宽宽、传输损耗小、结构紧凑等特点。波导阵列天线不仅可以实现天线的高增益,而且可以通过调节各个单元的幅度、相位对天线进行波束赋形。本文通过一些软件程序的开发,设计了一种波导阵列天线,它在水平面具有针状波束、俯仰面具有类似余割平方赋形波束,有利于雷达发现超低空目标。
  经过对电磁计算理论、优化算法理论的研究,通过理论分析、推导建立近似数值计算模型。在工程实现过程中考虑到波导缝隙天线的不连续性,建立了行波串馈线阵的等效电路模型,理论推导了波导缝隙电气参数的计算公式;通过给定的功分器各单元电流分布,结合遗传算法得出了每个单元赋形时需要的相位信息,并对所得到的相位信息进行了容差分析。根据需要设计天线的技术要求,通过编写程序对天线线阵的各个缝隙单元对应的电导进行求解,并介绍了缝隙的电导值在仿真软件中的提取计算方法;利用提取的不同倾斜角对应的电导值,通过拟合操作计算天线线阵各个单元所对应的缝隙参数;根据天线线阵的缝隙参数建立线阵模型,利用Ansoft软件进行仿真计算;并对天线线阵模型仿真结果进行分析。然后介绍了不同类型波导功分器的数学表达方式,通过采用缝隙耦合馈电、分支波导馈电两种馈电方式,解决了功分器宽频带的幅度色散问题;同时介绍了设计过程中引入的功率调配方法,结合已知的功分器各端口幅度分布,进行了波导功率分配器的设计与仿真。接着根据波导宽边尺寸与波导内部波长的关系,通过变换波导宽边尺寸对固定长度的移相器的参数进行提取;通过拟合程序计算出各单元需要的波导宽边尺寸。通过建立整体模型对天线线阵、功分器、移相器进行系统的协同仿真,并得出天线系统的仿真结果。实物样品的测试结果达到了工程指标要求,并与仿真结果进行了对比分析,总结了实际工程中影响天线性能指标的因素,为以后工作积累了工程经验。
  从天线测试的数据来看天线的设计达到了预期目的,各项技术指标满足系统指标要求,验证了工作过程的正确性。
[硕士论文] 史玉霞
电子与通信工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着半导体工艺的不断升级和射频技术的日渐成熟,小范围、短距离无线电通讯事业正以其蓬勃的生机快速发展。特别是基于IEEE802.11a/b/g标准下的无线局域网(WLAN)通信系统,更是成为了人们日常生活中不可分割的一部分。与此同时,天线作为系统内收发电信号的核心部件,对整个设备工作性能的好坏起着举足轻重的作用。本文从天线的基本概念及理论出发,归纳概括了印制宽带天线的国内外研究状况,针对用于短距离WLAN频段的宽带印制天线设计,采用理论分析与数值仿真相结合的技术路线,对天线的工作带宽及极化方式进行了研究设计。
  本研究主要内容包括:⑴采用印制缝隙结构设计了一款基于微带线馈电结构的宽频带天线,天线工作频率覆盖常用的2G、3G、LTE及WLAN频段。其辐射体主要是两个环形的缝隙结构,再加上对角分布的一对 Z形细缝调谐结构,使天线回波损耗小于-10 dB的频带为1.275~2.703GHz,带宽达到71.8%。并且,天线具有稳定的双向辐射方向图,工作频带内增益大于2 dBi。⑵针对WLAN的低频2.4GHz频段,设计了一款平面印制定向圆极化天线。主辐射结构为一条环形宽缝,并通过引入了细缝微扰结构和切角处理等方式,使天线在需要的频带内形成了圆极化辐射。实测结果表明,天线回波损耗小于-10dB的带宽为1.795~2.515GHz,百分比带宽为36.6%,3 dB轴比带宽为5.92%(2.358~2.502 GHz),增益大于2 dBi。⑶设计了一款定向双频宽带印制天线,其双频工作的中心频率是基于IEEE802.11g标准下的2.4GHz和5.8GHz频段应用。天线采用了共面波导(CPW)的馈线形式,通过增加两个C形的带线结构,使得天线在2.4GHz和5.8GHz处获得了宽频工作特性。进一步采用蘑菇型的周期性EBG结构作为天线反射器,使其在两个宽频范围内实现了定向辐射。结果表明,天线回波损耗小于-10dB的带宽分别为34%(1.83~2.58GHz)和12.2%(5.62~6.35GHz),低频增益大于5dBi,高频增益大于9dBi。
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