南科大程庆沙团队在微波及电力设计优化领域取得多项研究成果
2020年07月10日 科研新闻 浏览量 :801

近期,南科大电子与电气工程系助理教授程庆沙课题组在微波器件、天线、电力电子等多个领域取得重要研究进展,在IEEE Transactions on Microwave Theory and TechniquesMicrowave and Wireless Components LettersIEEE Transactions on Power ElectronicsIEEE Transactions on Antennas and Propagation等相关领域著名期刊发表6篇论文。

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图1. 用于验证基于优化的耦合矩阵综合方法的多工器拓扑图及综合结果图

随着卫星通讯系统的发展,利用单端口天线系统划分或合并不同频率信号的技术得到了极大的发展,通信系统中多工器的作用主要是划分宽带信号为若干窄带信号。在卫星有效载荷系统中,输入输出多工器决定了射频信道的性能,对整个系统有着重大影响。

课题组在微波领域顶级期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques发表了基于优化算法的双工/多双工器通用综合方法,提出一种通用的耦合矩阵综合方法。该方法对很多双工器和多工器的实例验证,均得到高质量的的耦合矩阵综合结果。

2017级南科大-伯明翰大学联培博士生于洋为论文第一作者,程庆沙和格拉斯哥大学教授刘博为通讯作者,伯明翰大学教授王奕和教授Michael J. Lancaster为合作作者,南方科技大学为第一单位。

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图2. 基于空间映射和等效电路替代模型的3D打印成品腔体滤波器调试实例 (a) 可调谐波导带通滤波器 (b) 可调谐波导带通滤波器

 微波滤波器是无线通信基站和卫星通信系统的关键器件,被广泛应用于卫星系统和无线通信系统的射频前端。在实际生产设计中,种种误差导致设计的滤波器很难实现设计指标。成品微波/毫米波器件的后期调试在实际应用中占据着举足轻重的地位。传统的人工成品调试工作由专业的调试技术工人完成,这种方式不仅耗时长,且对技术工人的调试经验有很高的要求,人工成本高。

课题组在微波领域顶级期刊IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques发表了一种基于替代模型空间映射技术的成品带通滤波器调试技术,对相关研究成果进行了总结,并提出了综合之前的调试算法构建稳定且准确的替代模型进行辅助调试的方法。图2为基于空间映射和等效电路替代模型的3D打印成品腔体滤波器调试实例。

加拿大里贾纳大学访问博士生李嵩和范小林为论文共同第一作者,程庆沙为通讯作者,加拿大里贾纳大学教授Paul D. Laforge为合作作者,南方科技大学为第一单位。

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图3. (a)带阻微带滤波器(b)200次采样的建模结果 (c)200次采样的最优设计电磁响应结果

人工神经网络以其对复杂非线性问题的鲁棒性和高效建模能力,在微波元件中得到了广泛的应用。现有的基于人工神经网络的微波器件模型与优化研究主要集中在建模方法上。采样是建模的基础,直接影响到人工神经网络建模和优化的效率和准确性,却很少被研究。

传统的取样方法广泛应用于基于人工神经网络的建模与优化,包括蒙特卡罗抽样和拉丁超立方体抽样。这些采样方法的重点是提高设计空间中分布样本的均匀性。由于微波元件通常是敏感的,所以满足设计规范的“好”样品很可能位于设计空间的小区域。如果采用均匀抽样方法,则好样本(满足设计规范)和坏样本(不满足设计规范)是不平衡的。基于这些不平衡样本的代理模型可能不允许精确的优化。因此,需要一种兼顾样本均匀性和良好样本的高质量抽样方法来进行代理建模和优化。

课题组提出了一种用于微波元件的建模和优化新的采样方法,发表在国际微波领域著名期刊IEEE Microwave and Wireless Components Letters上。该方法利用贪心样抽样方法获得局部样本,以挖掘潜在的最优区域。采用最小距离抑制随机抽样的方法选择全局样本,以保证样本在设计空间的均匀性。实验结果表明,该方法能提高基于人工神经网络模型建模和优化设计效果。

2018级南科大-哈工大联培博士生张珍为论文第一作者,程庆沙为通讯作者。

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图4. 采用特征模像素天线优化方法设计的三波段5×7像素天线(a)仿真模型及其(b)加工原型

像素天线设计被用于包括无线通信和能量收集在内的各种应用。因为它们具有很高的天线可重构性,还提供了一种简单易用的方法来执行天线设计,所以引起研究者们的关注。对于开关状态的所有组合,只需执行一次全波电磁仿真即可找到像素天线的所有特性。

常规的像素天线优化的目标函数由回波损耗,天线方向图或两者的组合构成。计算机通过优化来寻找到最佳的开关组合。尽管这种方法的数值解非常成功,但它未包括天线的谐振等重要的物理特性,优化过程需要事先确定馈电位置,而馈电点位置信息作为优化变量加大了搜索空间。

课题组在天线领域顶级期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表了基于特征模分析的像素天线优化。提出了一种基于N端口特征模分析的像素天线优化方法。与传统的优化方法相比,该方法使计算速度提高了100倍,是传统的特征模的应用和天线的自动化设计方面的重要延伸。

该论文第一作者为2017级南科大-港科大联培博士生江帆,程庆沙为论文通讯作者,香港科技大学教授Ross Murch等为合作作者,南方科技大学为第一单位。

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图5. 基于SIW的紧凑型高隔离度全平面馈电自三工贴片天线 (a) 加工原型及 (b) 测量结果

随着5G技术的发展,无线通信系统越来越需要同一平台中的高集成度和多频工作能力。小型化也是现代天线发展的重要趋势。为了满足这些要求,多天线辐射器需要安排在一个平台上,但由于尺寸太大,严重限制了其应用。为了缓和这个问题,多个馈电口共享一个辐射器的设计被提出,极大地减小了天线的物理尺寸并且可以在多个频段同时工作。

课题组在天线领域著名期刊IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters发表了一种基于SIW的紧凑型高隔离度全平面馈电自三工贴片天线的优化设计。该天线由一个基片集成波导、三个平面端口和一个改进的I形缝隙组成,实现了在4.14GHz,6.1GHz和8.32GHz下同时工作,其增益分别达到了4.26dBi,4.41dBi和6.27dBi,并且在三个端口处的隔离度都大于30.8dB。该天线支持仅利用单一变量对每个频率进行调试,天线结构紧凑,可适用于手持式微波器件。

论文第一作者为程庆沙课题组博士后Sounik Kiran Kumar Dash,程庆沙为论文通讯作者,南方科技大学为第一单位。

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图6. Litz Wire示意图

课题组针对利兹线(Litz Wire)提出了基于PEEC模型的高效多层建模计算方法,相关成果在电子领域顶级期刊IEEE Transactions on Power Electronics发表。

Litz Wire通常用于无线电能传输,电力电子转化器等场合来减少其高频涡流损耗。Litz Wire的复杂结构导致许多商用电磁仿真软件在计算时效率不高。目前比较流行的Litz Wire计算工具包是MIT研发的Fastlitz,相对电磁仿真软件可以大幅提高计算效率,但是对于结构复杂的Litz Wire效果仍然不好。课题组提出的一种全新的网格划分方法可以根据高频电流分布来减小计算的复杂度,并且根据耦合强弱提出的远近场简化计算可以大幅缩短计算时间。

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图7. 计算流程图

该论文第一作者为2019级南科大-港理工联培博士生吕家华,程庆沙与课题组研究助理教授陈泓材为本文共同通讯作者,香港理工大学教授杜亚平与博士生张洋为合作作者,南方科技大学为第一单位。

以上几项工作获得国家自然科学基金和深圳市科创委的资助。

 

供稿单位:电子与电气工程系

通讯员:李佰英

编辑:吴一敏




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