毫米波封裝系統(tǒng)中高效、高精度的濾波器建模方法研究

本項(xiàng)目在LTCC封裝技術(shù)下以毫米波前端系統(tǒng)為具體應(yīng)用背景；研究了高效率、高精度的濾波器新型建模方法及其應(yīng)用，項(xiàng)目研究所產(chǎn)生的研究成果共發(fā)表SCI收錄期刊論文16篇，EI收錄期刊論文1篇，ISTP收錄國際會議論文3篇，申請發(fā)明專利4項(xiàng)，成功授權(quán)1項(xiàng)，具體取得的研究成果包括以下三個方面： 在濾波器新型建模方法研究方面，為了快速高效地獲取滿足特定濾波器響應(yīng)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對應(yīng)耦合矩陣，我們提出了結(jié)合基于GIVENS矩陣旋轉(zhuǎn)的卡梅隆-相似變換法及自適應(yīng)遺傳算法的有效綜合優(yōu)化方法，基于這一新型建模方法，我們分析并設(shè)計出了多種耦合拓?fù)淠Ｐ偷腖TCC毫米波濾波器；另一方面，我們對如何提高遺傳算法在濾波器的設(shè)計中的高效率、高精度也進(jìn)行了較為深入的研究，我們通過對遺傳算法中的遺傳操作算子進(jìn)行改進(jìn)，有效地克服了采用傳統(tǒng)的遺傳操作方法所面臨的收斂速度慢以及容易陷入局部最優(yōu)的缺陷，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一系列新型微波帶通濾波器，我們在該研究方向的成果共發(fā)表SCI收錄期刊論文4篇。 在新型三維諧振器耦合/拓?fù)淠Ｐ脱芯糠矫?；本?xiàng)目提出了多種可用于LTCC技術(shù)的新型耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了一系列高性能濾波器，主要包括LTCC 60GHz單通帶、雙通帶帶通濾波器、LTCC U波段、X波段帶通濾波器以及多種其它形式的高性能、小型化新型微波濾波器結(jié)構(gòu)，我們在該研究方向的成果共發(fā)表SCI收錄期刊論文9篇。 在LTCC濾波器電路中高性能過渡結(jié)構(gòu)的研究方面，本項(xiàng)目提出了三種高性能寬帶微波過渡結(jié)構(gòu)，所提出的微帶線-共面帶狀線寬帶過渡結(jié)構(gòu)成果獲得國家發(fā)明專利1項(xiàng)，所提出的微帶-共面波導(dǎo)帶狀線結(jié)構(gòu)以及微帶-微帶過渡結(jié)構(gòu)研究成果發(fā)表SCI收錄期刊論文2篇。 本項(xiàng)目研究過程中，共培養(yǎng)碩士研究生5名，博士研究生1人，其中一人獲得“2014年度江蘇省優(yōu)秀碩士論文”；此外，本項(xiàng)目的研究為我們與國外知名學(xué)者的交流與合作提供了良好的平臺，項(xiàng)目研究期間，課題組成員參加國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議四次，并與同研究領(lǐng)域的國外課題組進(jìn)行了短期交流互訪，這些交流為我們今后在該研究領(lǐng)域的深入研究提供了良好的外部條件?？傮w看來，本項(xiàng)目研究所產(chǎn)生的成果圓滿地實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的預(yù)期研究目標(biāo)。 2100433B

在基于封裝的毫米波前端系統(tǒng)中，如何克服三維尺度以及毫米波、亞毫米波長對計算效率所帶來的不利影響，快速、準(zhǔn)確地設(shè)計出滿足要求的毫米波元部件及系統(tǒng)是極富挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)性研究課題，也是無線通信發(fā)展急需解決的重要課題。鑒于此，本項(xiàng)目旨在以LTCC封裝技術(shù)下60GHz毫米波前端系統(tǒng)為具體應(yīng)用背景；有效結(jié)合矩陣旋轉(zhuǎn)相似變換法和自適應(yīng)遺傳算法來快速、準(zhǔn)確地提取耦合矩陣，從而研究高效率、高精度的濾波器新型建模方法及其應(yīng)用。內(nèi)容包括：濾波器新型建模方法研究；基于新型建模方法的三維諧振器耦合/拓?fù)淠Ｐ脱芯?；LTCC濾波器電路中高性能過渡結(jié)構(gòu)的研究?？梢灶A(yù)見，本項(xiàng)目的研究及其所產(chǎn)生的一系列成果，能夠?yàn)橛糜诟咝阅芎撩撞ㄒ苿咏K端的濾波器設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)、高效高精度的設(shè)計方法、最佳的結(jié)構(gòu)形式以及經(jīng)過原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的若干初始模型。從而,為我國封裝技術(shù)在60GHz無線通信這一新興領(lǐng)域的應(yīng)用提供高價值的技術(shù)儲備。

當(dāng)前的毫米波通信系統(tǒng)主要包括地球上的點(diǎn)對點(diǎn)通信和通過衛(wèi)星的通信或廣播系統(tǒng)。地球上的點(diǎn)對點(diǎn)毫米波通信一般用于對保密要求較高的接力通信中。毫米波本身就具有很強(qiáng)的隱蔽性和抗干擾性，同時由于毫米波在大氣中的衰減和使用小口徑天線就可以獲得極窄的波束和很小的旁瓣，所以對毫米波通信的截獲和干擾變得非常困難。

毫米波通信毫米波地面通信

毫米波地面通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)應(yīng)用是接力（中繼）通信。毫米波傳播的大量試驗(yàn)表明，利用多跳的毫米波接力（中繼）通信是可行的。為了減少風(fēng)險，首先從毫米波頻段的低端和厘米波頻段的高端入手。在開發(fā)高頻段大容量通信系統(tǒng)的同時，更高頻段的中、低容量短程毫米波通信設(shè)備也相繼出臺。

到20世紀(jì)90年代，迎來了全球信息化的浪潮。因特網(wǎng)迅猛發(fā)展，交互多媒體業(yè)務(wù)、寬帶視頻業(yè)務(wù)以及專用網(wǎng)絡(luò)和無線電通信的業(yè)務(wù)量的急劇增長，迫切需要提高傳輸速率、傳輸帶寬和傳輸質(zhì)量。用戶對寬帶接入的需求日益強(qiáng)烈，推動了各種寬帶接入網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的研發(fā)，利用毫米波的無線寬帶接入技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

毫米波通信毫米波衛(wèi)星通信

由于豐富的頻率資源，在衛(wèi)星通信中毫米波通信得到了迅速發(fā)展。例如，在星際通信時一般使用5mm（60GHz）波段，因?yàn)樵诖祟l率處大氣損耗極大，地面無法對星際通信內(nèi)容進(jìn)行偵聽。而在星際由于大氣極為稀薄，不會造成信號的衰落。美國的“戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略和中繼衛(wèi)星系統(tǒng)”就是一個例子。該系統(tǒng)由五顆衛(wèi)星組成，上行頻率為44GHz，下行頻率為20GHz，帶寬為2GHz，星際通信頻率為60GHz。

與其他通信方式相比，衛(wèi)星通信的主要優(yōu)點(diǎn)是：a）通信距離遠(yuǎn)，建站成本與通信距離無關(guān)。b）以廣播方式工作，便于實(shí)現(xiàn)多址連接。c）通信容量大，能傳送的業(yè)務(wù)類型多。d）可以自發(fā)、自收、監(jiān)測等。20世紀(jì)70～80年代，衛(wèi)星通信大多是利用對地靜止軌道（又稱同步軌道）進(jìn)行的。到20世紀(jì)90年代以后，利用中、低軌道的衛(wèi)星通信系統(tǒng)紛至沓來。但是在大容量通信服務(wù)方面，利用對地靜止軌道的衛(wèi)星通信系統(tǒng)仍然是唱主角的。據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)90年代的10年間，發(fā)射送入同步軌道上的通信衛(wèi)星多達(dá)200顆，其中C波段的最多，Ku波段的次之。由此帶來的衛(wèi)星通信頻譜擁擠問題也日益突出，向更高頻段推進(jìn)已成為必然趨勢。

實(shí)際上早在20世紀(jì)70年代初，就已經(jīng)開始了毫米波衛(wèi)星通信的實(shí)驗(yàn)研究。此領(lǐng)域大部分開發(fā)工作在美國、前蘇聯(lián)和日本進(jìn)行。到20世紀(jì)80年代末至90年代，除了推出繼續(xù)用于范圍更廣、內(nèi)容更多的毫米波頻段實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星外，開始出現(xiàn)了實(shí)用化的Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)。需要指出的是，其中許多衛(wèi)星采用了一系列先進(jìn)的技術(shù)，包括多波束天線、星上交換、星上處理和高速傳輸?shù)取?/p>

本項(xiàng)目研究面向并行工程的產(chǎn)品建模方法，包括研究集成的產(chǎn)品多領(lǐng)域模型，能夠同時支持特征設(shè)計和特征識別的庫特征表示，能夠并行建立產(chǎn)品多領(lǐng)域模型的混合特征建模方法，產(chǎn)品多領(lǐng)域模型的有效性和一致性維護(hù)方法等。本項(xiàng)研究對顯著提高現(xiàn)有產(chǎn)品建模技術(shù)的功能使其能夠有效地支持并行工程具有重要意義，對在我國順利實(shí)施并行工程將起到積極作用。 2100433B

本課題以光子信息處理器件——新型光纖光柵為基礎(chǔ)，將微波與光波結(jié)合，研究將光纖光柵用于微波、毫米波的信號處理，研制用于超寬帶無線移動通信的微波橫向?yàn)V波器、有源濾波器，以及用于相控陣天線的波束形成器等關(guān)鍵信號處理器件，對其作深入的理論與實(shí)驗(yàn)研究。本課題對于微波波毫米波光子學(xué)的發(fā)展有重要的學(xué)術(shù)價值，并具有廣闊的應(yīng)用前景。