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基本信息
- 項目名稱：
- 基于新穎槽線結(jié)構(gòu)的射頻濾波器設(shè)計及應(yīng)用
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目對槽線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的理論研究，提出了數(shù)種新穎的槽線結(jié)構(gòu)，并使用國際上目前比較先進(jìn)的耦合系數(shù)提取技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行計算機軟件模塊的編寫輔助射頻濾波器設(shè)計，并將新穎槽線濾波器應(yīng)用于我們設(shè)計的雙頻段無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、作品設(shè)計、發(fā)明的目的 當(dāng)前，無線通信技術(shù)在軍事通信、衛(wèi)星通信、廣播電視通信、雷達(dá)及導(dǎo)航和商用移動通信等領(lǐng)域里廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造了巨大的社會價值和經(jīng)濟價值。在下一代無線通信技術(shù)中，由于電子通信設(shè)備的頻譜資源是一種非常珍貴的不可再生資源，節(jié)省帶寬提高頻率的利用率已經(jīng)迫在眉睫。一個優(yōu)秀的通信系統(tǒng)必須具有性能優(yōu)異的濾波器，研究和開發(fā)適應(yīng)小型化和寬帶化要求的射頻濾波器是發(fā)展未來無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。應(yīng)用國際上目前比較先進(jìn)的耦合系數(shù)提取技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來編寫射頻開發(fā)軟件模塊，設(shè)計出一批使用新穎槽線結(jié)構(gòu)的射頻濾波器，并將其應(yīng)用于射頻電路子系統(tǒng)中正是本作品設(shè)計發(fā)明的目的。 二、作品設(shè)計、發(fā)明的基本思路 本作品正是在上述的研究背景下，對槽線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的理論研究，提出了數(shù)種新穎的槽線結(jié)構(gòu)，并使用國際上目前比較先進(jìn)的耦合系數(shù)提取技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行計算機軟件模塊的編寫輔助射頻濾波器設(shè)計，并將新穎槽線濾波器應(yīng)用于我們設(shè)計的雙頻段無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。 三、作品設(shè)計、發(fā)明的創(chuàng)新點 1、新穎槽線結(jié)構(gòu)應(yīng)用于射頻濾波器設(shè)計 本作品使用了我們在2010年剛剛在國際上提出的新穎槽線結(jié)構(gòu)這一新型人工合成電磁結(jié)構(gòu)用于設(shè)計射頻濾波器，我們對該種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的理論研究，該種結(jié)構(gòu)的射頻濾波器是我們首創(chuàng)的，其具有成本低、功率容量較高、重量輕等諸多優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于單片集成電路、射頻微機械加工電路、多芯片模塊、低溫共燒陶瓷等系統(tǒng)中，在未來射頻技術(shù)和工程實踐中具有廣闊的應(yīng)用前景。 2、使用計算機編程CAD輔助設(shè)計射頻濾波器 本作品使用計算機標(biāo)準(zhǔn)編程語言，將國際上目前比較先進(jìn)的耦合系數(shù)提取技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用于CAD輔助射頻電路設(shè)計中。在耦合系數(shù)技術(shù)中，我們是基于基爾霍夫電壓定理，通過耦合模型建立、歸一化處理以及耦合矩陣提取這一過程可以準(zhǔn)確的表達(dá)出電磁場密度與濾波器位置的關(guān)系，使得射頻濾波器設(shè)計中各個諧振器之間的耦合關(guān)系清晰可見。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，我們通過訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)采集、訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)提取、權(quán)值和偏置固化以及存儲訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)這一設(shè)計過程可以避開求解麥克斯韋和半導(dǎo)體方程的過程，使得射頻濾波器的訓(xùn)練后設(shè)計模型可重復(fù)使用，大大提高了射頻濾波器的設(shè)計速度和周期。 3、新穎濾波器應(yīng)用于無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中 本作品把一個分路器連接兩個工作頻段在1.2GHz和2.4GHz的新穎槽線帶通濾波器的射頻前端模塊集成在我們設(shè)計的雙頻段無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，該系統(tǒng)使用了太陽能電池和蓄電池雙供電的供電模式，受空間障礙物的干擾很小，且節(jié)能環(huán)保。該系統(tǒng)比傳統(tǒng)的單頻帶接收機有更小的體積、更低的成本，符合了現(xiàn)代通信對接收機綠色環(huán)保、高度集成、低電壓、低功耗、低價格的要求，綜合使用可提高無線監(jiān)控設(shè)備使用性價比。 四、作品設(shè)計、發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo) 1、新穎槽線結(jié)構(gòu)設(shè)計濾波器中，濾波器的插入損耗與回波損耗是一個非常重要的指標(biāo)，它直接影響到濾波器在濾波過程中波能量的耗散程度。另一方面濾波器從通帶過渡到阻帶的快慢，稱之為響應(yīng)的“邊緣陡度”也是描述濾波器優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。此外為了滿足不同通信頻段的需求，有時對濾波器的帶寬要求非常的嚴(yán)格，需要著重考慮。因此，我們在設(shè)計濾波器的過程中要解決的關(guān)鍵技術(shù)就是減小傳輸損耗、提高邊帶特性以及帶寬控制技術(shù)。 2、計算機編程CAD輔助設(shè)計射頻濾波器中，耦合系數(shù)提取輔助設(shè)計需要解決的技術(shù)關(guān)鍵是首先建立起濾波器的電路方程，從中間提取出數(shù)學(xué)表達(dá)式，建立起物理與數(shù)學(xué)公式的關(guān)系，應(yīng)用代數(shù)方式來解決射頻電路這種非常規(guī)電路。在知道耦合系數(shù)后，需要根據(jù)諧振器對之間的耦合系數(shù)來確定它們之間的布局，在知道外部品質(zhì)因數(shù)后，需要根據(jù)此值來確定射頻濾波器饋線抽頭的位置。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有學(xué)習(xí)功能，可模擬復(fù)雜的非線性函數(shù)關(guān)系，因此訓(xùn)練樣本的數(shù)據(jù)提取應(yīng)具有一定的代表性，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近電路特性的同時要注意網(wǎng)絡(luò)的推廣性能，同時通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的對應(yīng)參數(shù)得到優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)和所需的特性是一個關(guān)鍵的過程。 3、雙頻段無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，分路器的設(shè)計、高性能新穎槽線雙通帶帶通濾波器的設(shè)計，太陽能電池和蓄電池混合供電的設(shè)計都是設(shè)計過程中的關(guān)鍵，我們需要通過設(shè)計的分路器將天線收到的射頻信號分為兩路，通過設(shè)計的高性能新穎槽線雙通帶帶通濾波器得到我們需要的兩路濾波信號傳輸?shù)轿覀兊谋O(jiān)視器上，且使用選擇開關(guān)根據(jù)天氣狀況決定我們的無線視頻監(jiān)控設(shè)備是使用太陽能供電還是220V電源供電。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 一、作品設(shè)計、發(fā)明的目的：優(yōu)秀的通信系統(tǒng)必須具有性能優(yōu)異的濾波器，開發(fā)優(yōu)秀的濾波器是未來無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。發(fā)明的目的為使用耦合系數(shù)提取與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)編寫射頻輔助設(shè)計軟件，設(shè)計新穎槽線濾波器，并將其應(yīng)用于電路系統(tǒng)中 二、作品設(shè)計、發(fā)明的基本思路：對槽線結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論研究，提出多種槽線結(jié)構(gòu)，并將耦合系數(shù)提取與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)編寫軟件輔助濾波器設(shè)計，將設(shè)計的槽線濾波器應(yīng)用于雙頻段無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。 三、作品設(shè)計、發(fā)明的創(chuàng)新點： 1、本作品使用了我們首創(chuàng)的新穎槽線結(jié)構(gòu)用于設(shè)計濾波器，并對該種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的理論研究； 2、本作品將耦合系數(shù)提取技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)編寫成軟件輔助射頻電路設(shè)計； 3、本作品把一個分路器連接兩個工作頻段不同的槽線帶通濾波器集成成射頻前端模塊并應(yīng)用在雙頻段無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，該系統(tǒng)使用了太陽能和蓄電池雙供電的模式。 四、作品設(shè)計、發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： 1、在設(shè)計濾波器的過程中要解決的關(guān)鍵技術(shù)有減小傳輸損耗、提高邊帶特性和控制帶寬； 2、計算機編程輔助設(shè)計射頻濾波器中，耦合系數(shù)提取輔助設(shè)計的關(guān)鍵是建立起濾波器的電路方程，提取出數(shù)學(xué)表達(dá)式，建立物理與數(shù)學(xué)公式的關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的數(shù)據(jù)提取應(yīng)具有代表性，且通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)得到優(yōu)化的電路結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵； 3、雙頻段無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，分路器、高性能新穎槽線雙通帶帶通濾波器，太陽能電池和蓄電池混合供電的設(shè)計都是設(shè)計過程中的關(guān)鍵。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1、采用了我們首創(chuàng)的新穎槽線結(jié)構(gòu)進(jìn)行濾波器設(shè)計，比傳統(tǒng)濾波器節(jié)約電路空間，滿足射頻濾波器體積小的要求，其理論研究發(fā)表論文于SCI期刊Electronics Letters第46卷13期上； 2、使用了計算機編程輔助設(shè)計槽線濾波器，所編寫的軟件模塊是目前通用商用射頻電路設(shè)計軟件里所沒有的。其中耦合系數(shù)提取技術(shù)與新穎槽線結(jié)構(gòu)的結(jié)合發(fā)表論文于SCI期刊Electronics Letters第47卷6期上；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)輔助設(shè)計濾波器，克服了傳統(tǒng)電磁仿真調(diào)試特有的時耗問題，大大縮短了設(shè)計周期，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以模擬非線性關(guān)系的集合，將具有內(nèi)在聯(lián)系的變量通過網(wǎng)絡(luò)映射關(guān)聯(lián)起來，克服傳統(tǒng)射頻電路設(shè)計中不同的電路模型需要不同經(jīng)驗公式的局限性； 3、將微帶結(jié)構(gòu)的分路器與槽線結(jié)構(gòu)的濾波器融合運用，充分發(fā)揮了平面和非平面?zhèn)鬏斁€的空間拓?fù)鋬?yōu)勢，設(shè)計了一款輕便節(jié)能的雙頻段無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)較常規(guī)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)有三點優(yōu)勢：一是雙頻段；二是無線監(jiān)控；三是太陽能與電源混合供電。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利授權(quán)
作品可展示的形式
- 實物、圖片、現(xiàn)場演示、軟件安裝包
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1、本作品使用了我們首創(chuàng)的新穎槽線結(jié)構(gòu)設(shè)計濾波器，已申請多個發(fā)明專利并應(yīng)用于無線射頻系統(tǒng)中。目前世界電子元件的市場規(guī)模已突破2000億美元，據(jù)統(tǒng)計全球手機射頻濾波器一年的用量已經(jīng)超過25億只。本作品的濾波器樣品與設(shè)計技術(shù)將以發(fā)明專利的形式授權(quán)使用者，可以廣闊地應(yīng)用于射頻系統(tǒng)中。 2、本作品的計算機軟件模塊可與目前全球通用的商用射頻電路設(shè)計軟件兼容，這些商用軟件基本功能版本的售價都在百萬美元以上。射頻電路設(shè)計軟件應(yīng)用極其廣泛，如江西省洪都集團(tuán)650、660研究所，景德鎮(zhèn)602研究所，中國電子科技集團(tuán)14所，上海微電子所以及諸多高等院校等都購買了大量的軟件。本作品將通過知識產(chǎn)權(quán)方式以專利形式授權(quán)使用者，使用者包括射頻電路的科研人員和設(shè)計人員。 3、本作品的系統(tǒng)應(yīng)用為雙頻段無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的單頻帶接收機系統(tǒng)有更小的體積、更低的成本，從用戶角度考慮，多種頻段接收機在不同環(huán)境下性能各有特點，綜合使用可提高無線監(jiān)控設(shè)備使用性價比，同時又節(jié)電環(huán)保。
同類課題研究水平概述
- 一、新型人工合成電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計濾波器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：目前，新型人工合成電磁材料的研究已經(jīng)成為國際物理學(xué)界、材料學(xué)界、電磁學(xué)界等的一個十分引人注目的科研領(lǐng)域。對于新興人工合成電磁材料這一交叉科研領(lǐng)域的研究，對于人類認(rèn)識世界和改造世界起著日益重要的作用，同時，也給各國的技術(shù)創(chuàng)新，國防安全和國民經(jīng)濟發(fā)展提供了良好的的機遇，是國際學(xué)術(shù)界，產(chǎn)業(yè)界和各國政府十分重視和關(guān)注的科技領(lǐng)域。2000年，美國加州大學(xué)的D.R. Smith 教授等人第一次在實驗室中制備出在微波頻段的左手介質(zhì)，也就是一種介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)的材料。同年韓國學(xué)者Lim等人率先提出了一種新的刻蝕結(jié)構(gòu)—缺陷接地平面結(jié)構(gòu) (Defected Ground structure，DGS)。作為人工電磁材料中最具有代表性的材料之一，DGS從一提出就受到了研究領(lǐng)域的學(xué)者和工程人員最廣泛的關(guān)注。2008年西安電子科技大學(xué)梁昌洪教授提出了一種新的在地面刻蝕的方法可以實現(xiàn)濾波器的帶通性能。 二、耦合矩陣輔助濾波器設(shè)計的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2005年，Cameron針對幾種微波射頻濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出了新的耦合矩陣綜合法。同年，S.Tamiazzo提出了用矩陣旋轉(zhuǎn)綜合CTCQ拓?fù)涞慕馕龇椒āｋS著計算機性能的提高和參數(shù)提取方法的不斷進(jìn)步和成熟，利用高頻EM仿真軟件提取濾波器設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)成為可能，華人學(xué)者J.S. Hong比較系統(tǒng)地分析了微波濾波器的外部品質(zhì)因數(shù)和諧振器對耦合系數(shù)的提取方法等，具有很高的參考價值。加拿大教授Amari提出了基于梯度優(yōu)化技術(shù)的耦合矩陣求解法，這種方法通過將耦合矩陣元素定義為獨立變量，優(yōu)化與之相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)得到所需耦合矩陣，非常方便直觀。Amari提出的用優(yōu)化算法來尋找合適的耦合矩陣思想，意義重大，對濾波器設(shè)計的貢獻(xiàn)功不可沒。 三、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助濾波器設(shè)計的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 近年來，在微波電路的設(shè)計過程中，很多學(xué)者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，提高了設(shè)計效率。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到傳輸線, 螺旋電感中. 加拿大卡爾頓大學(xué)的Q.J. Zhang教授將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于微波電路的設(shè)計中做了很多工作，詳細(xì)地介紹了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，以及如何將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)用于射頻微波電路的優(yōu)化設(shè)計中。
