基本信息
- 项目名称：
- 基于新颖槽线结构的射频滤波器设计及应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目对槽线结构进行了深入的理论研究，提出了数种新颖的槽线结构，并使用国际上目前比较先进的耦合系数提取技术与神经网络技术进行计算机软件模块的编写辅助射频滤波器设计，并将新颖槽线滤波器应用于我们设计的双频段无线视频监控系统中。
- 详细介绍：
- 一、作品设计、发明的目的 当前，无线通信技术在军事通信、卫星通信、广播电视通信、雷达及导航和商用移动通信等领域里广泛应用，创造了巨大的社会价值和经济价值。在下一代无线通信技术中，由于电子通信设备的频谱资源是一种非常珍贵的不可再生资源，节省带宽提高频率的利用率已经迫在眉睫。一个优秀的通信系统必须具有性能优异的滤波器，研究和开发适应小型化和宽带化要求的射频滤波器是发展未来无线通信系统的关键技术之一。应用国际上目前比较先进的耦合系数提取技术与神经网络技术来编写射频开发软件模块，设计出一批使用新颖槽线结构的射频滤波器，并将其应用于射频电路子系统中正是本作品设计发明的目的。 二、作品设计、发明的基本思路 本作品正是在上述的研究背景下，对槽线结构进行了深入的理论研究，提出了数种新颖的槽线结构，并使用国际上目前比较先进的耦合系数提取技术与神经网络技术进行计算机软件模块的编写辅助射频滤波器设计，并将新颖槽线滤波器应用于我们设计的双频段无线视频监控系统中。 三、作品设计、发明的创新点 1、新颖槽线结构应用于射频滤波器设计 本作品使用了我们在2010年刚刚在国际上提出的新颖槽线结构这一新型人工合成电磁结构用于设计射频滤波器，我们对该种结构进行了深入的理论研究，该种结构的射频滤波器是我们首创的，其具有成本低、功率容量较高、重量轻等诸多优点，可广泛应用于单片集成电路、射频微机械加工电路、多芯片模块、低温共烧陶瓷等系统中，在未来射频技术和工程实践中具有广阔的应用前景。 2、使用计算机编程CAD辅助设计射频滤波器 本作品使用计算机标准编程语言，将国际上目前比较先进的耦合系数提取技术、神经网络技术用于CAD辅助射频电路设计中。在耦合系数技术中，我们是基于基尔霍夫电压定理，通过耦合模型建立、归一化处理以及耦合矩阵提取这一过程可以准确的表达出电磁场密度与滤波器位置的关系，使得射频滤波器设计中各个谐振器之间的耦合关系清晰可见。在神经网络技术中，我们通过训练样本数据采集、训练样本数据提取、权值和偏置固化以及存储训练后的网络这一设计过程可以避开求解麦克斯韦和半导体方程的过程，使得射频滤波器的训练后设计模型可重复使用，大大提高了射频滤波器的设计速度和周期。 3、新颖滤波器应用于无线视频监控系统中 本作品把一个分路器连接两个工作频段在1.2GHz和2.4GHz的新颖槽线带通滤波器的射频前端模块集成在我们设计的双频段无线视频监控系统中，该系统使用了太阳能电池和蓄电池双供电的供电模式，受空间障碍物的干扰很小，且节能环保。该系统比传统的单频带接收机有更小的体积、更低的成本，符合了现代通信对接收机绿色环保、高度集成、低电压、低功耗、低价格的要求，综合使用可提高无线监控设备使用性价比。 四、作品设计、发明的技术关键和主要技术指标 1、新颖槽线结构设计滤波器中，滤波器的插入损耗与回波损耗是一个非常重要的指标，它直接影响到滤波器在滤波过程中波能量的耗散程度。另一方面滤波器从通带过渡到阻带的快慢，称之为响应的“边缘陡度”也是描述滤波器优劣的重要指标之一。此外为了满足不同通信频段的需求，有时对滤波器的带宽要求非常的严格，需要着重考虑。因此，我们在设计滤波器的过程中要解决的关键技术就是减小传输损耗、提高边带特性以及带宽控制技术。 2、计算机编程CAD辅助设计射频滤波器中，耦合系数提取辅助设计需要解决的技术关键是首先建立起滤波器的电路方程，从中间提取出数学表达式，建立起物理与数学公式的关系，应用代数方式来解决射频电路这种非常规电路。在知道耦合系数后，需要根据谐振器对之间的耦合系数来确定它们之间的布局，在知道外部品质因数后，需要根据此值来确定射频滤波器馈线抽头的位置。神经网络具有学习功能，可模拟复杂的非线性函数关系，因此训练样本的数据提取应具有一定的代表性，训练神经网络来逼近电路特性的同时要注意网络的推广性能，同时通过神经网络中的对应参数得到优化的电路结构和所需的特性是一个关键的过程。 3、双频段无线视频监控系统中，分路器的设计、高性能新颖槽线双通带带通滤波器的设计，太阳能电池和蓄电池混合供电的设计都是设计过程中的关键，我们需要通过设计的分路器将天线收到的射频信号分为两路，通过设计的高性能新颖槽线双通带带通滤波器得到我们需要的两路滤波信号传输到我们的监视器上，且使用选择开关根据天气状况决定我们的无线视频监控设备是使用太阳能供电还是220V电源供电。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品设计、发明的目的：优秀的通信系统必须具有性能优异的滤波器，开发优秀的滤波器是未来无线通信系统的关键技术之一。发明的目的为使用耦合系数提取与神经网络技术编写射频辅助设计软件，设计新颖槽线滤波器，并将其应用于电路系统中 二、作品设计、发明的基本思路：对槽线结构进行理论研究，提出多种槽线结构，并将耦合系数提取与神经网络技术编写软件辅助滤波器设计，将设计的槽线滤波器应用于双频段无线视频监控系统中。 三、作品设计、发明的创新点： 1、本作品使用了我们首创的新颖槽线结构用于设计滤波器，并对该种结构进行了深入的理论研究； 2、本作品将耦合系数提取技术、神经网络技术编写成软件辅助射频电路设计； 3、本作品把一个分路器连接两个工作频段不同的槽线带通滤波器集成成射频前端模块并应用在双频段无线视频监控系统中，该系统使用了太阳能和蓄电池双供电的模式。 四、作品设计、发明的技术关键和主要技术指标： 1、在设计滤波器的过程中要解决的关键技术有减小传输损耗、提高边带特性和控制带宽； 2、计算机编程辅助设计射频滤波器中，耦合系数提取辅助设计的关键是建立起滤波器的电路方程，提取出数学表达式，建立物理与数学公式的关系。神经网络训练样本的数据提取应具有代表性，且通过神经网络中的参数得到优化的电路结构非常关键； 3、双频段无线视频监控系统中，分路器、高性能新颖槽线双通带带通滤波器，太阳能电池和蓄电池混合供电的设计都是设计过程中的关键。
科学性、先进性
- 1、采用了我们首创的新颖槽线结构进行滤波器设计，比传统滤波器节约电路空间，满足射频滤波器体积小的要求，其理论研究发表论文于SCI期刊Electronics Letters第46卷13期上； 2、使用了计算机编程辅助设计槽线滤波器，所编写的软件模块是目前通用商用射频电路设计软件里所没有的。其中耦合系数提取技术与新颖槽线结构的结合发表论文于SCI期刊Electronics Letters第47卷6期上；神经网络技术辅助设计滤波器，克服了传统电磁仿真调试特有的时耗问题，大大缩短了设计周期，神经网络可以模拟非线性关系的集合，将具有内在联系的变量通过网络映射关联起来，克服传统射频电路设计中不同的电路模型需要不同经验公式的局限性； 3、将微带结构的分路器与槽线结构的滤波器融合运用，充分发挥了平面和非平面传输线的空间拓扑优势，设计了一款轻便节能的双频段无线视频监控系统，该系统较常规的视频监控系统有三点优势：一是双频段；二是无线监控；三是太阳能与电源混合供电。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利授权
作品可展示的形式
- 实物、图片、现场演示、软件安装包
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、本作品使用了我们首创的新颖槽线结构设计滤波器，已申请多个发明专利并应用于无线射频系统中。目前世界电子元件的市场规模已突破2000亿美元，据统计全球手机射频滤波器一年的用量已经超过25亿只。本作品的滤波器样品与设计技术将以发明专利的形式授权使用者，可以广阔地应用于射频系统中。 2、本作品的计算机软件模块可与目前全球通用的商用射频电路设计软件兼容，这些商用软件基本功能版本的售价都在百万美元以上。射频电路设计软件应用极其广泛，如江西省洪都集团650、660研究所，景德镇602研究所，中国电子科技集团14所，上海微电子所以及诸多高等院校等都购买了大量的软件。本作品将通过知识产权方式以专利形式授权使用者，使用者包括射频电路的科研人员和设计人员。 3、本作品的系统应用为双频段无线视频监控系统，比传统的单频带接收机系统有更小的体积、更低的成本，从用户角度考虑，多种频段接收机在不同环境下性能各有特点，综合使用可提高无线监控设备使用性价比，同时又节电环保。
同类课题研究水平概述
- 一、新型人工合成电磁结构设计滤波器的国内外研究现状：目前，新型人工合成电磁材料的研究已经成为国际物理学界、材料学界、电磁学界等的一个十分引人注目的科研领域。对于新兴人工合成电磁材料这一交叉科研领域的研究，对于人类认识世界和改造世界起着日益重要的作用，同时，也给各国的技术创新，国防安全和国民经济发展提供了良好的的机遇，是国际学术界，产业界和各国政府十分重视和关注的科技领域。2000年，美国加州大学的D.R. Smith 教授等人第一次在实验室中制备出在微波频段的左手介质，也就是一种介电常数和磁导率同时为负的材料。同年韩国学者Lim等人率先提出了一种新的刻蚀结构—缺陷接地平面结构 (Defected Ground structure，DGS)。作为人工电磁材料中最具有代表性的材料之一，DGS从一提出就受到了研究领域的学者和工程人员最广泛的关注。2008年西安电子科技大学梁昌洪教授提出了一种新的在地面刻蚀的方法可以实现滤波器的带通性能。 二、耦合矩阵辅助滤波器设计的国内外研究现状 2005年，Cameron针对几种微波射频滤波器拓扑结构提出了新的耦合矩阵综合法。同年，S.Tamiazzo提出了用矩阵旋转综合CTCQ拓扑的解析方法。随着计算机性能的提高和参数提取方法的不断进步和成熟，利用高频EM仿真软件提取滤波器设计的关键指标成为可能，华人学者J.S. Hong比较系统地分析了微波滤波器的外部品质因数和谐振器对耦合系数的提取方法等，具有很高的参考价值。加拿大教授Amari提出了基于梯度优化技术的耦合矩阵求解法，这种方法通过将耦合矩阵元素定义为独立变量，优化与之相关的目标函数得到所需耦合矩阵，非常方便直观。Amari提出的用优化算法来寻找合适的耦合矩阵思想，意义重大，对滤波器设计的贡献功不可没。 三、神经网络辅助滤波器设计的国内外研究现状 近年来，在微波电路的设计过程中，很多学者利用神经网络进行优化，提高了设计效率。神经网络已经被广泛地应用到传输线, 螺旋电感中. 加拿大卡尔顿大学的Q.J. Zhang教授将人工神经网络用于微波电路的设计中做了很多工作，详细地介绍了人工神经网络的结构，以及如何将神经网络具体应用于射频微波电路的优化设计中。
