毫米波封装系统中高效、高精度的滤波器建模方法研究

本项目在LTCC封装技术下以毫米波前端系统为具体应用背景；研究了高效率、高精度的滤波器新型建模方法及其应用，项目研究所产生的研究成果共发表SCI收录期刊论文16篇，EI收录期刊论文1篇，ISTP收录国际会议论文3篇，申请发明专利4项，成功授权1项，具体取得的研究成果包括以下三个方面： 在滤波器新型建模方法研究方面，为了快速高效地获取满足特定滤波器响应及拓扑结构的对应耦合矩阵，我们提出了结合基于GIVENS矩阵旋转的卡梅隆-相似变换法及自适应遗传算法的有效综合优化方法，基于这一新型建模方法，我们分析并设计出了多种耦合拓扑模型的LTCC毫米波滤波器；另一方面，我们对如何提高遗传算法在滤波器的设计中的高效率、高精度也进行了较为深入的研究，我们通过对遗传算法中的遗传操作算子进行改进，有效地克服了采用传统的遗传操作方法所面临的收敛速度慢以及容易陷入局部最优的缺陷，并在此基础上设计了一系列新型微波带通滤波器，我们在该研究方向的成果共发表SCI收录期刊论文4篇。 在新型三维谐振器耦合/拓扑模型研究方面；本项目提出了多种可用于LTCC技术的新型耦合拓扑结构，并在此基础上设计出了一系列高性能滤波器，主要包括LTCC 60GHz单通带、双通带带通滤波器、LTCC U波段、X波段带通滤波器以及多种其它形式的高性能、小型化新型微波滤波器结构，我们在该研究方向的成果共发表SCI收录期刊论文9篇。 在LTCC滤波器电路中高性能过渡结构的研究方面，本项目提出了三种高性能宽带微波过渡结构，所提出的微带线-共面带状线宽带过渡结构成果获得国家发明专利1项，所提出的微带-共面波导带状线结构以及微带-微带过渡结构研究成果发表SCI收录期刊论文2篇。 本项目研究过程中，共培养硕士研究生5名，博士研究生1人，其中一人获得“2014年度江苏省优秀硕士论文”；此外，本项目的研究为我们与国外知名学者的交流与合作提供了良好的平台，项目研究期间，课题组成员参加国内外学术会议四次，并与同研究领域的国外课题组进行了短期交流互访，这些交流为我们今后在该研究领域的深入研究提供了良好的外部条件。总体看来，本项目研究所产生的成果圆满地实现了项目的预期研究目标。 2100433B

在基于封装的毫米波前端系统中，如何克服三维尺度以及毫米波、亚毫米波长对计算效率所带来的不利影响，快速、准确地设计出满足要求的毫米波元部件及系统是极富挑战性的基础性研究课题，也是无线通信发展急需解决的重要课题。鉴于此，本项目旨在以LTCC封装技术下60GHz毫米波前端系统为具体应用背景；有效结合矩阵旋转相似变换法和自适应遗传算法来快速、准确地提取耦合矩阵，从而研究高效率、高精度的滤波器新型建模方法及其应用。内容包括：滤波器新型建模方法研究；基于新型建模方法的三维谐振器耦合/拓扑模型研究；LTCC滤波器电路中高性能过渡结构的研究。可以预见，本项目的研究及其所产生的一系列成果，能够为用于高性能毫米波移动终端的滤波器设计提供可靠的理论依据、高效高精度的设计方法、最佳的结构形式以及经过原理性实验验证的若干初始模型。从而,为我国封装技术在60GHz无线通信这一新兴领域的应用提供高价值的技术储备。

当前的毫米波通信系统主要包括地球上的点对点通信和通过卫星的通信或广播系统。地球上的点对点毫米波通信一般用于对保密要求较高的接力通信中。毫米波本身就具有很强的隐蔽性和抗干扰性，同时由于毫米波在大气中的衰减和使用小口径天线就可以获得极窄的波束和很小的旁瓣，所以对毫米波通信的截获和干扰变得非常困难。

毫米波通信毫米波地面通信

毫米波地面通信系统的传统应用是接力（中继）通信。毫米波传播的大量试验表明，利用多跳的毫米波接力（中继）通信是可行的。为了减少风险，首先从毫米波频段的低端和厘米波频段的高端入手。在开发高频段大容量通信系统的同时，更高频段的中、低容量短程毫米波通信设备也相继出台。

到20世纪90年代，迎来了全球信息化的浪潮。因特网迅猛发展，交互多媒体业务、宽带视频业务以及专用网络和无线电通信的业务量的急剧增长，迫切需要提高传输速率、传输带宽和传输质量。用户对宽带接入的需求日益强烈，推动了各种宽带接入网络和设备的研发，利用毫米波的无线宽带接入技术应运而生。

毫米波通信毫米波卫星通信

由于丰富的频率资源，在卫星通信中毫米波通信得到了迅速发展。例如，在星际通信时一般使用5mm（60GHz）波段，因为在此频率处大气损耗极大，地面无法对星际通信内容进行侦听。而在星际由于大气极为稀薄，不会造成信号的衰落。美国的“战术、战略和中继卫星系统”就是一个例子。该系统由五颗卫星组成，上行频率为44GHz，下行频率为20GHz，带宽为2GHz，星际通信频率为60GHz。

与其他通信方式相比，卫星通信的主要优点是：a）通信距离远，建站成本与通信距离无关。b）以广播方式工作，便于实现多址连接。c）通信容量大，能传送的业务类型多。d）可以自发、自收、监测等。20世纪70～80年代，卫星通信大多是利用对地静止轨道（又称同步轨道）进行的。到20世纪90年代以后，利用中、低轨道的卫星通信系统纷至沓来。但是在大容量通信服务方面，利用对地静止轨道的卫星通信系统仍然是唱主角的。据统计，20世纪90年代的10年间，发射送入同步轨道上的通信卫星多达200颗，其中C波段的最多，Ku波段的次之。由此带来的卫星通信频谱拥挤问题也日益突出，向更高频段推进已成为必然趋势。

实际上早在20世纪70年代初，就已经开始了毫米波卫星通信的实验研究。此领域大部分开发工作在美国、前苏联和日本进行。到20世纪80年代末至90年代，除了推出继续用于范围更广、内容更多的毫米波频段实验卫星外，开始出现了实用化的Ka波段卫星通信系统。需要指出的是，其中许多卫星采用了一系列先进的技术，包括多波束天线、星上交换、星上处理和高速传输等。

本项目研究面向并行工程的产品建模方法，包括研究集成的产品多领域模型，能够同时支持特征设计和特征识别的库特征表示，能够并行建立产品多领域模型的混合特征建模方法，产品多领域模型的有效性和一致性维护方法等。本项研究对显著提高现有产品建模技术的功能使其能够有效地支持并行工程具有重要意义，对在我国顺利实施并行工程将起到积极作用。 2100433B

本课题以光子信息处理器件——新型光纤光栅为基础，将微波与光波结合，研究将光纤光栅用于微波、毫米波的信号处理，研制用于超宽带无线移动通信的微波横向滤波器、有源滤波器，以及用于相控阵天线的波束形成器等关键信号处理器件，对其作深入的理论与实验研究。本课题对于微波波毫米波光子学的发展有重要的学术价值，并具有广阔的应用前景。