中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 李道铁上海交通大学 2014年博士导师: 毛军发共440页

摘要 : 天线是无线通讯和雷达系统中最重要的部件之一，它的性能优劣直接关乎整个系统的通信质量或探测能力。随着现代无线业务的不断增加，无线系统日益变得紧凑化、多频化、宽带化、轻量化和廉价化，天线技术因此越来越成为制约系统性能的最大挑战之一。小... 展开天线是无线通讯和雷达系统中最重要的部件之一，它的性能优劣直接关乎整个系统的通信质量或探测能力。随着现代无线业务的不断增加，无线系统日益变得紧凑化、多频化、宽带化、轻量化和廉价化，天线技术因此越来越成为制约系统性能的最大挑战之一。小型化、多频段、宽频带、高效率、高增益、可重构和自适应等已成为天线技术当前及今后发展的主要方向。分形天线是现代天线技术的重大突破，它具有小型化、多谐振、多模式、自匹配、单元阵列效应、外形美观、适用于设计各类天线等特点，是分形几何与天线技术相结合的产物。分形天线是指主辐射体、地板或反射板的几何形状或材料属性具有分形特征的一类天线。它是一门独特的天线技术而不是某种具有特定结构的天线种类，如微带天线、螺旋天线、抛物面天线等，可用于各类天线的设计，比如线天线、面天线等，具有广阔的应用领域和发展前景。分形天线的高次谐频往往具有新奇辐射特性，可用于性能独特的新颖天线设计，如1.5·λ轴向模和共面全向模分形偶极子天线和小型化、多频段轴向模分形螺旋天线等，又能用于对各类常规天线性能进行改进，比如微带分形天线能实现小型化、多频段工作，分形环天线具有多频、多模式和高增益特性，0.5·λ法向模分形偶极子天线具有更小尺寸，分形介质谐振天线能实现高增益、多频段或宽频段工作，分形（超）宽带单极子天线具有高增益、高效率和带内方向图一致性，分形共形天线具有小型化、新颖辐射模式和对共形表面曲率不敏感等特点，分形阵列天线具有小型化、高增益和低旁瓣等特点。自1991年美国康奈尔大学（Cornell University）的Nathan Cohen博士正式提出“分形天线”这一概念以来，分形天线在全世界天线研究领域中掀起了一股热潮并实现了小规模商业化应用。近二十多年来，分形天线的种类不断丰富，制作工艺愈发先进，应用领域也日益广泛。然而，分形天线的更多特性尚未被认识，严格理论基础尚未建立，设计方法还有待完善，宽带化的挑战尚需突破；诸多新颖特性，比如多辐射模式、高增益、高效率、单元阵列效应和抗毁损性等尚未引起研究者们的注意；谐振频率、小型化、邻频比、辐射特性等与其几何特征的关系尚无确切的数学关系式；分形体的构造方法、最佳分形结构和馈电方式的选择还没有成为分形天线研究的重要内容；多频段叠合而实现宽带工作的尝试尚需努力；分形用于设计高性能共形天线的主题尚未确立。除此之外，分形天线的研究至今仅限于单一分形体的研究，而由两种或多种单分形体结合而成的多（复）分形天线是否具有单分形天线所没有的新特性还没有进行深入探索；非直线弯折分形，如圆弧弯折分形天线领域尚无人涉足。到目前为止，分形天线种类较少、性能单一，再加上谐振带宽较窄的固有缺点，虽历经多年研究但仍未获得广泛的工程应用。因此，有一些天线研究者说“分形天线的漂亮的外形要比其性能更吸引人”。从某种意义上说，这句话真实地反映出了分形天线发展至今尚不如人意的现实状况。本文作者正是力图改变这一局面，在克服分形天线固有缺陷、构造新型分形几何体和探索分形天线新奇特性等方面进行了广泛深入、系统全面的研究，获得了诸多创新性成果，从而进一步推动了分形天线的工程实际应用。本文对分形天线研究的贡献包括理论突破和应用扩展两方面。理论方面，首次详尽、科学地揭示出分形天线的电性能与其几何特征的密切关系，即小型化、邻频比、谐振阻抗等谐振特性与迭代次数、物理尺度比（几何尺度比）、分形尺度比和分形维数四个重要几何参数间的确切数学表达式。工程应用方面，发明了 Guiseppe Peano小型化轴向模圆柱螺旋天线、Koch-like sided bow-tie多频/宽带偶极子天线、KSSG/SKLB/KLSHC多（复）分形单/偶极子天线、CAKC/Guiseppe Peano分形多频多模单/偶极子天线、CABFL分形多频多模环天线、CABFH分形多频多模螺旋天线、Pyriform shaped超宽带偶极子、Sierpinski curve共面全向/轴向模偶极子等天线。这些分形天线基次谐频实现了尺寸缩减，而高次谐频则出现了类似基频或新的有用辐射模式，比如CAKC五频段、三模式单极子天线，基频和第二谐频是全向辐射模式，第三、第四谐频则是轴向高增益辐射模式，第五谐频是偏轴向全向辐射模式；K2 CABFH五频段、三模式、双旋向圆极化分形螺旋天线，基频、第二、第五谐频是右旋圆极化（RHCP）轴向模，第三谐频是左旋圆极化（LHCP）轴向模，第四谐频是右旋圆极化（RHCP）偏轴向模。其中，第五谐频轴向模具有显著的单元阵列效应，即轴向增益相当于一个四单元圆柱螺旋阵列天线。与其他关于分形天线的文献仅专注于理论研究不同的是，本文的设计实例不仅很好地阐述了分形天线理论，而且具有良好的应用价值，比如Sierpinski curve水平全向高增益共轴阵列天线具有较低的轴向高度，CAKC分形单极子法向模用于低增益全向广播、轴向模用于高增益定向通信，K2 CABFH分形螺旋天线可替代多支常规轴向模圆柱螺旋天线。这些小型化、多频段、多模式、高性能分形天线有效地减少了无线通信系统的天线数目、降低了系统成本、减轻了平台负重、降低了多天线间的电磁耦合，用事实证明了它的良好实用价值，因而大大推动了分形天线的工程和商业应用。收起

关键词 : 分形天线技术无线通讯辐射模式

2. 面向多尺度复杂电磁系统的广义传输矩阵方法研究

[学位论文] 项尚上海交通大学 2016年博士导师: 毛军发共174页

摘要 : 本论文借助区域分解的思想，面向实际电磁散射与辐射中的多尺度复杂系统对基于惠更斯原理的广义传输矩阵方法进行了研究。论文提取了金属和均匀介质的散射体单元、含馈电结构的辐射单元、以及开槽开缝腔体结构单元的广义传输矩阵模块的特性，使用广义... 展开本论文借助区域分解的思想，面向实际电磁散射与辐射中的多尺度复杂系统对基于惠更斯原理的广义传输矩阵方法进行了研究。论文提取了金属和均匀介质的散射体单元、含馈电结构的辐射单元、以及开槽开缝腔体结构单元的广义传输矩阵模块的特性，使用广义面积分方程结合高频物理光学方法分析研究单元模块对应的多模块系统散射与辐射问题。论文主要工作概述如下： 1.根据电磁场的唯一性原理和等效原理，借助人为设置的参考曲面，将散射体等效为一个单端口网络，推导出描述该单端口网络特性的广义传输矩阵，将参考面上的入射和散射电磁场的旋转切向分量联系起来，在此基础上推导了分析多散射体系统的广义面积分方程，详细分析了广义传输矩阵方法的提取独立、高压缩率、高精度及可重复利用等独特优势。 2.在提取广义传输矩阵模块的基础上，利用复合基函数进一步对模块未知量进行压缩。通过选取合适的辅助源并合理设置辅助源的空间位置，生成广义传输矩阵模块的解空间。利用自由度的概念，采用全新的不同类型解空间独立奇异值分解的方法，对广义传输矩阵模块参考曲面上的低阶RWG基函数进行重组并构造高阶复合基函数。在保证精度的前提下，将复合基函数方法应用于广义面积分方程，利用其可重复利用的特性，针对性地分析了周期性模块系统，大幅降低了待求解系统的未知数个数。 3.针对内含有辐射源或者馈电结构的辐射模块单元，提出将内部馈源的信息有效而完整的投射到参考曲面上的映射矩阵，表征模块的结构辐射特性，同时在馈电端口处结合实际的等效路模型，将辐射单元的广义传输矩阵模型构造为包括参考曲面和馈电端口的双端口形式。通过此模型研究并计算了阵列单元的输入阻抗等关键性参数，在天线阵列快速波束扫描等应用中，利用模型计算耦合矩阵不随馈电幅度和相位改变的特性，极大程度降低了工程设计复杂度，提高了效率。 4.针对开口或开缝腔体，利用参考曲面缝合其窗口，将腔体结构分成内部结构和外部结构，借助保证过渡区域腔壁上电流连续性的特殊基函数，构建整个内部区域的广义传输矩阵模型。研究分析了含有内部辐射源的腔体，多窗口腔体，以及介质内部填充的腔体单元的广义传输矩阵模块，并引入广义面积分方程分析多腔体结构和腔体阵列系统，为内部复杂结构的电子腔体设备的分析提供了有效的解决方案。 5.提出了广义传输矩阵和物理光学方法的混合方法。在新的混合算法中，将整个多尺度系统分为利用物理光学方法进行求解的电大尺寸部分和利用广义传输矩阵方法分析的精细结构部分。在耦合求解过程中借助物理光学的局域化特性，设定菲涅尔系数，划定局域化区域范围，缩减了电大平台上计算的未知数个数。与单独使用一种方法相比，混合算法有效地提升了计算效率。本文比较系统完整地研究了广义传输矩阵算法及其在多尺度目标中的应用。通过区域分解思想和等效原理，为求解复杂多尺度电磁辐射与散射问题提供了一种高效的数值求解方法和工具。收起

关键词 : 广义传输矩阵多尺度复杂电磁系统辐射天线单元腔体结构物理光学局域化原理阵列结构电磁散射

3. CSRR和EBG结构用于高速混合电路系统噪声抑制的理论与技术

[学位论文] 朱浩然上海交通大学 2014年博士导师: 毛军发共169页

摘要 : 随着集成电路技术和系统级封装技术的快速发展，高速混合电路系统的高性能、小型化、低成本和高可靠性等要求不断提高。因为高速数字电路的运行速率不断加快、射频/微波电路的应用频率范围不断增大以及封装结构的尺寸不断减小，由此产生的信号完整性(... 展开随着集成电路技术和系统级封装技术的快速发展，高速混合电路系统的高性能、小型化、低成本和高可靠性等要求不断提高。因为高速数字电路的运行速率不断加快、射频/微波电路的应用频率范围不断增大以及封装结构的尺寸不断减小，由此产生的信号完整性(Signal Integrity，SI)、电源完整性(Power Integrity，PI)和电磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)等问题也变得日益严重。如何在有效抑制高速混合电路系统中噪声传播的同时，还可以保证系统的SI和EMC性能，成为目前需要迫切解决的问题。 CSRR(Complementary Split Ring Resonator， CSRR)谐振器和EBG（Electromagnetic Bandgap，EBG）结构作为人工电磁材料的典型结构，除了自身具有带隙特性之外，而且结构简单、便于加工和系统集成，因此近年来得到广泛的关注，并被用于微波、毫米波电路系统的设计。然而，它们在解决高速混合电路系统噪声抑制问题的应用还不是很多。本文重点研究和分析如何利用CSRR谐振器和EBG结构的电磁特性来解决高速混合电路系统中的噪声抑制问题。主要的研究工作和创新点归纳如下: (1)提出改进型的平面EBG结构。对于传统的平面EBG结构，需要增加谐振单元的数目来增大噪声隔离度;此外由于周期性结构的自身局限性影响，通带内的波纹系数较大。本文通过在平面EBG结构中加载DGS(Defected GroundStructure，DGS)、开路枝节线和spurline谐振器，增大阻带内的噪声抑制特性;将周期结构根据Chebyshev函数来渐变分布，减小通带内的回波损耗。通过上述方法改善EBG结构的传输特性之后，EBG谐振单元仅需要3阶，因此可以减小滤波器结构的尺寸，从而有效解决了平面EBG结构在传输性能和结构尺寸之间的矛盾。 (2)提出基于局部拓扑结构、CSRR谐振器和埋入式薄膜电容进行电源分配网络(Power Distribution Network，PDN)结构设计。由于CSRR谐振器的带隙特性和薄膜电容材料的大容值等因素影响，电源/地平面对之间的同步开关噪声(Simultaneous Switching Noise，SSN)可以得到明显抑制。噪声的隔离度最大能到-130 dB，若以-60 dB为噪声隔离标准，可以在0.41 GHz到15 GHz的频率范围内进行抑制。与传统的全局性拓扑结构相比，采用局部拓扑结构可以明显减少对信号线返回电流路径连续性的影响，从而改善信号线的SI特性。此外，通过提取所设计PDN结构的等效电路模型，并依此推导端口之间的频率传输特性与结构参数之间的关系式，可以有效指导结构设计。 (3)提出基于CSRR谐振器和局部平面EBG结构设计PDN结构。与其他传统的EBG谐振单元相比，将自身具有阻带特性的CSRR谐振器构成EBG结构的基本单元，可以增大SSN噪声隔离性能;与全局EBG结构相比，二者的频率传输特性基本相同，局部EBG结构可以明显减少所需谐振单元的数目，从而减小对信号线SI特性的影响;与参考完整电路相比，所设计结构可以明显减弱EMI辐射能量，从而减小对周围电路的影响;与薄膜电容材料相比，采用FR-4材料作为介质基底，可以降低设计成本。此外，通过提取所设计PDN结构的等效电路模型，可以分析电路性能并指导结构设计。 (4)提出基于改进型的CSRR谐振器设计高速差分信号的共模滤波器。通过在双开口环CSRR谐振器中间引入槽线，可以减小电感、增大电容，从而增大共模噪声的阻带频率范围和噪声隔离深度;对于差分信号的差模分量，由于电流方向相反、能量相互抵消，CSRR谐振器无法受到激励，使得信号可以无损耗地传输。此外，所设计谐振器的导波波长变小，可以减小滤波器的尺寸，使结构变得紧凑。在上述研究中，所有电路均采用单层或多层印刷电路工艺进行设计和加工，样品电路也分别在时域和频域上进行了测试。理论分析、仿真和测试结果都相互吻合，验证了所提出的理论与技术。收起

关键词 : 高速混合电路系统噪声抑制电磁带隙结构电磁干扰局域拓扑结构集成电路信号完整性

4. 新型微带功分器和滤波器设计研究

[学位论文] 夏彬上海交通大学 2013年博士导师: 毛军发共163页

摘要 : 功分器和滤波器在无源器件研究中具有重要的地位，它们不仅影响系统的最终性能，还能决定新的射频电路能否得到推广应用。近些年来，新型通信雷达技术的出现，推动射频前端无源器件的研究不断深入。由于平衡电路具有很好的对共模噪声的免疫作用，以及... 展开功分器和滤波器在无源器件研究中具有重要的地位，它们不仅影响系统的最终性能，还能决定新的射频电路能否得到推广应用。近些年来，新型通信雷达技术的出现，推动射频前端无源器件的研究不断深入。由于平衡电路具有很好的对共模噪声的免疫作用，以及在系统稳定性，线性度等问题上的优势，全平衡射频电路获得关注。当前无源平衡器件的研究还不够深入。例如，全平衡射频电路的思想早有人提出，平衡-平衡功分器还没有人探索；超宽带平衡滤波器的共模抑制特性与差模特性同时实现起来有很多困难等等。为此，本文的主要工作围绕微带平衡-平衡功分器和平衡滤波器展开，同时也关注了其他新型器件的研究。本文从理论推导着手，对新型微带功分器、滤波器等微波无源元件，进行了较为深入的研究，并实现了多款新型功分器和滤波器。本文的主要工作及创新点可归纳如下： (1)提出了平衡-平衡功分器的概念，推导并给出了具有对称结构的等功分平衡-平衡功分器的约束条件，给出了等功分条件下平衡-平衡功分器应该满足的奇偶模模型，并研究了半波长实现的反相器的阻抗变化对带通特性的影响。 (2)研究了将T型传输带线结构实现的双通带阻抗变换器应用于平衡-平衡功分器，实现了平衡-平衡功分器的双通带设计。 (3)提出了任意功分比平衡-平衡功分器的概念，给出了解析方法。与传统功分器相比，平衡-平衡功分器的功分比提升将近4倍。 (4)提出了四带功分器的解析设计方法。利用矩阵变换的方法推导出了具有90°相差的四通带阻抗变换器。 (5)研究了基于哑铃，U和H-形缺陷接地结构的超宽带平衡滤波器，实现了从直流到18GHz的共模抑制。 (6)研究了基于含耦合区的阶梯阻抗谐振器的四通带滤波器设计。SIRCS结构提供更宽的频率比，紧凑的尺寸和每个通带之间的令人满意的带外抑制。与以前的方法相比，提出的结构具有较高的选择性和更多的设计自由度。在以上研究中，均采用微带印刷电路板工艺制作了样品，测试、仿真与理论分析结果均较吻合，从而验证了研究工作的正确性和有效性。收起

关键词 : 微带功分器超宽带平衡滤波器共模抑制矩阵变换奇偶模模型

5. 高速集成电路互连的时域有限差分方法研究与性能优化

[学位论文] 蒋乐乐上海交通大学 2008年博士导师: 毛军发共163页

摘要 : 随着高频高速集成电路(VLSI)的快速发展，电路中的电磁场效应越来越明显，为了能够正确模拟出在电磁场效应的影响下，高频电路系统信号的完整性问题，因而需要对电路里的互连封装结构进行电磁特性分析与设计。同时，由于三维集成电路及微波MCM这些新型... 展开随着高频高速集成电路(VLSI)的快速发展，电路中的电磁场效应越来越明显，为了能够正确模拟出在电磁场效应的影响下，高频电路系统信号的完整性问题，因而需要对电路里的互连封装结构进行电磁特性分析与设计。同时，由于三维集成电路及微波MCM这些新型结构的出现，使得该类结构内的电磁场问题不可忽略，这也对电磁特性仿真技术提出了新的要求。这些实际工程中出现的需要解决的问题均为计算电磁学的发展提供了强大的动力。作为计算电磁学中一类最为重要的方法，时域有限差分方法(FDTD)以其能够直接进行时域计算，适用范围广，实现手段简单，且通过一次时频变换就可以得到宽频带范围的信息等特点几乎被运用到电磁场领域中的各个方面。虽然时域有限差分方法的优点很明显，但该方法很大程度上会受到数值色散性和Courant-Friedrich-Levy(CFL)稳定性条件的约束。针对传统FDTD方法数值色散高的缺点，本文提出了一种可以构造高阶时域差分算法从而减少色散情况的辛时域有限差分方法(SFDTD)。SFDTD方法的原理来自于经典力学里Hamilton系统的辛算法，它是一种可保持Hamilton系统辛结构不变的显示时域差分方法。由于Maxwell方程本质上就是Hamilton系统的正则方程，因此用辛算法构造的高阶SFDTD方法具有高精度且非耗散的特点。本文全面分析了新的SFDTD方法的稳定性和色散性，结果显示出，传统的FDTD格式就等同于低阶的SFDTD方法，而高阶SFDTD方法与其相比则具有更低的各向异性和更小的相位误差。最后的数值实例证明了由于高阶SFDTD方法具有低的色散性，因而可以较显著地节省内存空间。针对传统FDTD方法有条件稳定的缺点，本文研究了一种基于精细积分的三维时域有限差分方法(PITD)。在以往提出的能够克服传统FDTD方法稳定性条件的技术中，交替方向隐式技术(ADI-FDTD)是最主要的一种方法。尽管ADI-FDTD方法能成功地消除稳定限制，但它的数值色散性会随着时间步长的增加而急剧恶化。而本文通过对PITD方法的稳定性条件和数值色散方程的推导，发现PITD方法可以采用远大于传统FDTD方法中受最大稳定限制的时间步长从而拓宽稳定性条件，并具有比ADI-FDTD方法更好的精度。PITD方法的数值色散误差可以被人为地控制而几乎与时间步长无关。但PITD方法的缺点是必须涉及大型矩阵方程的运算，其矩阵的维数是由空间网格数直接决定，因此该方法会占用大量的内存。本文也提出横向二维技术与精细积分方法相结合形成横向2-DPITD方法，使得在求解导波结构问题时可以缓解三维方法对内存的要求及避免对大型矩阵求逆的计算。除去对电磁学中计算新方法的研究外，本文也以电路分析的方式对片上全局互连线进行设计和优化。这是因为高速集成电路的发展使得片上全局互连线成为制约整个片上系统性能的瓶颈。集成电路设计也从以晶体管为中心的设计方案转变为以互连线为中心的设计方案。本文从互连线系统性能的各个方面入手，深入分析设计变量对这些性能的影响，并对性能各方面进行权衡折衷，以达到全局互连线系统的综合性能最优化。本文首先以分布式RC模型近似模拟插有多个缓冲器的一般结构的全局互连线，在分析线宽和线间距对RC时延、功耗、带宽等性能的影响后，提出时延，功耗-倒数带宽乘积最小化的优化目标，用以计算不同ITRS技术下最优的全局线宽和线间距，并评估了这种优化在各性能指标上产生的效果。随后本文以分布式RLC模型近似模拟插有多个缓冲器的双边屏蔽结构的全局互连线，在假定信号线与屏蔽线完全相同的情况下，分别分析了信号线宽度、信号线与地线间的间隔对RLC时延、功耗、带宽等性能的影响，提出了倒数时延.带宽乘积最大化的优化目标，用以计算不同ITRS技术下双边屏蔽结构最优的线宽和线间距，并评估了这种优化在各性能指标上产生的效果。本文最后研究了考虑热效应时的RC全局互连线横向尺寸的优化问题。在给出衬底温度模型、连线自热温度模型以及依靠温度的互连线和器件参数模型后，计算了作为顶层全局线宽度和间距函数的芯片温度并分析了线尺寸对温度的影响，以及线尺寸和温度对性能参数的影响。依然定义时延-功耗-倒数带宽积的折衷策略来优化计算不同ITRS技术下的线宽和线间距，并评估了这种优化在衬底和顶层连线温度及各性能指标上产生的效果。收起

关键词 : 高速集成电路全局互连线时域有限差分方法性能优化

6. 基于局域和周期结构的高速电路同步开关噪声抑制研究

[学位论文] 李建杰上海交通大学 2013年博士导师: 毛军发共149页

摘要 : 随着集成电路向高速度、高密度、高功耗、低电压和大电流的趋势发展，电源分配网络（PDN）中由数字器件开关和高速信号过孔切换所激发的同步开关噪声（SSN）已成为高速电路设计主要的瓶颈之一。PDN中的噪声会造成电源地平面间的电压波动引发严重的电源... 展开随着集成电路向高速度、高密度、高功耗、低电压和大电流的趋势发展，电源分配网络（PDN）中由数字器件开关和高速信号过孔切换所激发的同步开关噪声（SSN）已成为高速电路设计主要的瓶颈之一。PDN中的噪声会造成电源地平面间的电压波动引发严重的电源完整性（PI）问题、会造成信号衰减引发严重的信号完整性（SI）问题和会影响邻近电路的工作造成严重的电磁干扰（EMI）问题。由PDN噪声所引发的问题，会随着系统时钟频率的提高变得越来越严重。根据2008年国际半导体技术路线图（ITRS）的预测，到2022年片上时钟频率将达到14.3GHz，供电电压将低至0.8V。这使得PDN中所容许的噪声容限更小，目标阻抗更低。未来高速电路中GHz频段的PDN噪声将会更加严重，PDN设计将会面临更大的挑战。然而去耦电容对PDN噪声抑制的带宽有限，前人所提出的很多噪声抑制方法又面临着诸多缺陷而很难应用于工程实际。在此背景下，本文专注于研究高速电路中同步开关噪声的抑制。以实现工程应用为目标，提出了新的可用于工程的结构，发展了新的方法改善电磁带隙结构的缺陷。本论文的主要研究成果如下：（1）提出了一类蘑菇状的局域噪声抑制结构，即蘑菇状地平面结构、双面蘑菇状地平面结构和蘑菇状电源岛结构。并对蘑菇状地平面（MGP）局域结构作了全面深入的研究。给出了预测MGP下截止频率的等效电路和公式。详细分析了MGP随各参数变化的频域特性，便于指导工程设计。从时域分析了MGP的实用性，证明了MGP对器件从电源吸取电流并没有影响，克服了其他平面型的局域结构的应用缺陷。最后从频域探讨了有效降低MGP的输入阻抗的方法。（2）针对平面EBG运用到内层时阻带将会消失的问题，研究了埋置平面EBG结构和短路过孔阵列用于多层电路板中多平面对的噪声抑制。发现了埋置平面EBG和短路过孔阵列混用时由电源、地和EBG层构成的两平面对中具有相同的低频特性这一现象，并做出了定性解释。详细讨论和提出了降低埋置平面EBG下截止频率的方法。与研究埋置平面EBG和短路过孔阵列混用时的高频特性的文献一起，构成了埋置平面EBG的理论基础。同时我们还研究了采用高介电常数薄介质厚度的埋置电容层和短路过孔阵列混用的噪声抑制特性。（3）针对过去一直没有解决的EBG在通带内特性恶化的应用缺陷问题，提出了在EBG边界端接布洛赫阻抗的方法来改善EBG在通带内的特性。以AI-EBG为例，根据我们所提出的模型首次得出了AI-EBG结构的色散关系解析表达式，由解析表达式预测的阻带与全波仿真符合得较好。由色散关系得到了AI-EBG结构的布洛赫阻抗表达式，分析了EBG结构边界端接不同阻抗负载时的噪声抑制特性。通过我们所提出的方法可以明显降低EBG在通带内的谐振，在通带内的信号传输质量得到改善，同时端口的输入阻抗曲线更加光滑，峰值已大大降低，可以更加容易的使端口的输入阻抗满足目标阻抗的要求，缓解EBG结构对IC从电源吸取暂态电流能力的阻碍，为EBG结构的实用奠定了基础。（4）针对去耦电容在低频和EBG结构在高频分别具有良好的噪声抑制特性，分析了去耦电容与EBG混合使用的情况以期望同时在低频和高频都获得良好的噪声抑制。以蘑菇EBG结构为例，运用等效电路详细解释了具有相同周期间隔的去耦电容阵列和蘑菇EBG混用时的谐振和反谐振特性以指导设计；同时也分析了去耦电容阵列和蘑菇EBG的级联以及去耦电容阵列围绕端口放置时的噪声抑制特性。收起

关键词 : 高速电路设计电源分配网络同步开关噪声电磁干扰噪声抑制电磁带隙结构

7. CMOS工艺的低电压低噪声放大器研究

[学位论文] 刘宝宏上海交通大学 2011年博士导师: 毛军发共149页

摘要 : 随着无线通信技术的发展，高集成、小型化和低功耗成为了无线通信的重要特征。高集成和小型化的一个重要发展方向是将所有的集成电路高度集成到单个封装系统中从而减少外围电路和元器件实现小型化;而高度集成的封装系统，其中电能将转化成热能从而成为... 展开随着无线通信技术的发展，高集成、小型化和低功耗成为了无线通信的重要特征。高集成和小型化的一个重要发展方向是将所有的集成电路高度集成到单个封装系统中从而减少外围电路和元器件实现小型化;而高度集成的封装系统，其中电能将转化成热能从而成为影响系统性能潜在风险，能耗问题成为了整个系统集成的关键问题。CMOS工艺的射频芯片由于工艺廉价和高集成度的特点在封装系统中占据有重要地位。对于封装系统中器件而言，其功耗和其供电电压成平方关系，故降低器件的工作电压是降低器件功耗的有效手段之一。同时，对于一些可植入式医疗器件、无线传感器网络、无线遥测网络等通常采用小的电池或环境的能量来供电，在这种情况下需要保证整个器件或无线系统能够在低电压下工作。然而，对于这些系统中核心部分射频前端而言，低工作电压将导致系统的性能变差甚至无法正常工作，因此如何在低工作电压的情况下保证电路的性能成为集成电路设计挑战工作。另一方面，个人无线通信技术的发展使人们对无线传输的速率和带宽提出了更高的要求，而传统的低频段（3 GHz以下）由于日益拥挤无法满足速率发展的要求，传输速率和带宽已经成为制约无线技术发展的关键问题。这种日益拥挤的低频段频率资源和人们对传输速率和带宽要求的矛盾促进了无线通信载波频率正在向更高频率发展。本文的研究工作主要针对封装系统中CMOS工艺射频电路的低电压和高频电路设计这两个方面来进行的。首先，第二章研究了cascode低噪声放大器的低电压低功耗技术。Cascode结构由于具有良好的反向隔离在低噪声放大器中得到了广泛的应用，但是由于cascode结构MOS管的排列特点，该结构难以实现低电压下工作;同时，其工作电流和射频性能密切相关，工作电流的降低将导致其性能变差。为克服cascode结构的这些缺点，文中通过采用直流电流分离和正向体偏置技术来实现工作电压降低和工作电流减少，进而实现总功耗降低。文中详细研究了这种低电压电路结构的电路设计并通过实验验证了其有效性，实验结果表明，本章设计的低电压cascode放大器可以在0.5 V电压下工作，总功耗只有传统cascode低噪声放大器的30％左右，而二者射频性能相当。对于低噪声放大器而言，另外一种广泛应用的结构是多级级联结构。由于多级级联低噪声放大器通常由多个单级放大器构成，在本文的第三章首先分析了单级低噪声放大器的噪声、增益与工作频率的关系，为后续的多级电路设计提供理论指导。对于单级放大器而言，其场效应管的栅漏电容构成了信号的反馈通道，该反馈将对电路的匹配和增益产生影响。文中理论分析了栅漏电容对单级放大器的特性影响，并将分析的结论应用到多级低噪声放大器的分析和设计中。利用分析的结论和正向体偏置技术，文中设计了0.5VX波段低噪声放大器来验证分析的结果，测试结果表明，该低电压低噪声放大器在射频性能相当的条件下，功耗得到了大幅度降低。为进一步降低多级放大器的功耗，文中研究了电流复用和正向体偏置混合使用技术，通过对电路分析，合理设置其工作偏置电压能够实现功耗进一步降低，并通过具体的应用电路验证了分析、设计结果。由于CMOS工艺的衬底相对与其他工艺的低电阻率和低特征频率，当工作频率上升到K波段时，传统几吉赫兹(GHz) CMOS电路设计方法面临着困境，CMOS工艺高频电路的设计是一个难点。文中第四章分析和研究了CMOS工艺K波段(21 GHz)低电压低噪声放大器的优化偏置和提高增益的技术。通过优化偏置电压，避免了传统高线性度偏置电压的增益低和工作电压范围窄的缺点;通过第一级电路采用弱负反馈技术实现在不增加功耗的前提下提高增益。实验结果验证了这些设计方法的有效性。 K波段高集成度的CMOS单芯片收发系统在片上无线互连、汽车雷达等领域具有广泛应用前景，而高集成度的单芯片收发系统要求其中的各个子系统具有低功耗的特性。文章的最后一部分研究了低功耗24 GHz接收机射频前端系统，首先分析了整个系统架构和性能，详细的分析了降低模块电路工作电流策略和模块电路构建，并最终仿真整个射频前端系统，仿真结果表明整个系统相对于已经发表的同类工作，射频性能相当而功耗更低。收起

关键词 : 射频集成电路低噪声放大器多级级联结构互补金属氧化物半导体工艺

8. 高性能公度线滤波器的研究

[学位论文] 任思伟上海交通大学 2016年博士导师: 毛军发共145页

摘要 : 无线通信的蓬勃发展对无线通信系统中的关键部件—微波滤波器—不断地提出了新的要求和挑战：一方面，无线通信系统及业务的持续增长需要高选择性的滤波器，以便从日益拥挤的频段中高效地选出所需信号；另一方面，人们对大数据的大量需求也使得滤波器... 展开无线通信的蓬勃发展对无线通信系统中的关键部件—微波滤波器—不断地提出了新的要求和挑战：一方面，无线通信系统及业务的持续增长需要高选择性的滤波器，以便从日益拥挤的频段中高效地选出所需信号；另一方面，人们对大数据的大量需求也使得滤波器不断地向宽带及超宽带方向发展；同时人们对滤波器小型化、轻量化的需求则继续推动着各种平面滤波器的研究与设计。如何以尽可能少的元件实现高性能的设计成为解决这些问题的一个关键点。公度线滤波器以其简单的结构、成熟的设计理论很容易导致被人们忽略的局面，长期以来却始终无法被极其成功的耦合谐振器滤波器理论及设计所取代，关键一点在于公度线滤波器具有其它类型的滤波器所不具有的特性，即其频变特性可在全频带内被Richards变换准确描述。本文充分利用了这一特性，针对交叉耦合的公度线滤波器进行了系统的分析和研究，在提出了一系列结构各异的高性能设计的同时，又将它们统一于一个完整的理论框架下，初步建立了基于集总低通原型的准确设计方案，填补了长期以来交叉耦合的公度线滤波器在理论设计上空白。本文的主要工作和创新点归纳如下： 1.研究了具有电耦合和磁耦合的三阶带阻单元，从集总等效电路的角度明确了其工作原理以及互为对偶的电路结构，使这两种三阶带阻单元和由它们构成的高阶滤波器可以直接由集总低通原型出发进行准确设计。 2.提出了一组互为等价、对偶的桥T型集总低通单元，分析了其电路结构及工作机制，论证了它们与五阶梯形集总低通滤波器的等价关系。然后根据这些桥T型低通单元的电路特性设计出了一系列相互等价、交叉耦合或混合电磁耦合的公度线带阻滤波器，推导出了基于集总低通原型的解析的设计公式，使这些交叉耦合或混合电磁交叉耦合的滤波器可以直接通过查表的方法进行准确设计，在宽带至超宽带的范围内实现全极点、准椭圆或椭圆函数等各种类型的响应。 3.在桥T型集总低通单元的基础上提出了一组互为等价或对偶的桥T型集总高通单元，利用它们指导设计了一系列相互等价或对偶、混合电磁交叉耦合的公度线带通滤波器，推导出了基于集总低通原型的解析的设计公式，使这些混合电磁交叉耦合的滤波器同样可以直接通过查表的方法进行准确设计，在窄带至宽带的范围内实现准椭圆或椭圆函数型响应。收起

关键词 : 公度线滤波器交叉耦合等效电路集总低通原型

9. 基于碳纳米材料的谐振器与天线研究

[学位论文] 黄一上海交通大学 2013年博士导师: 毛军发共140页

摘要 : 随着电子信息系统朝高传输速率、多功能化和高集成化的方向迅猛发展,电子器件的工作频率不断升高、尺寸不断变小已成为必然的技术趋势。但是电子器件的性能极大地依赖于其电磁材料的特性,而随着工作频率的提高,传统金属材料趋肤效应日益明显,欧姆损耗... 展开随着电子信息系统朝高传输速率、多功能化和高集成化的方向迅猛发展,电子器件的工作频率不断升高、尺寸不断变小已成为必然的技术趋势。但是电子器件的性能极大地依赖于其电磁材料的特性,而随着工作频率的提高,传统金属材料趋肤效应日益明显,欧姆损耗急剧增大;器件缩小到纳米尺度后,材料显现纳米效应甚至量子效应,功耗增加,自热效应严重,热稳定性和可靠性降低。这些问题已成为限制电子系统高频工作和小型化集成的关键技术瓶颈。如何在有限空间内实现可靠的高性能滤波器和天线,已成为了一个亟待解决的问题。碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料是解决这一问题的潜在选择。碳纳米材料具有极其优异的电磁、热和力学特性。其中,金属性碳纳米材料的电阻率低,高频时受趋肤效应影响小,电流承载能力强;当其用于构成小型化无源器件时,比传统电磁材料能提供更高的品质因数和工作效率、较低的损耗,并且碳纳米材料中存在多种可调谐的工作机理,非常适合于构造可调谐器件。本文将对基于碳纳米材料的高性能谐振器与可切换高阻表面开展了系统性的创新研究。本文首先简要介绍了关于碳纳米材料的基本理论,叙述了与本文相关的量子电子学以及纳米电子学的相关概念与知识,完成对碳纳米材料基本电特性的建模。在碳纳米管基本电特性的基础上,针对现有模型不够完善的地方进行了精确建模,并基于此设计了单壁碳纳米管集束和多壁碳纳米管的太赫兹高性能谐振器,研究了结构参数对谐振器性能的影响,其无载品质因数可以达到200以上,比类似尺寸类似工作频段的传统金属谐振器高出了一个数量级。谐振器的温漂特性也做了相应的研究。之后,对碳纳米管的非线性特性做出了系统研究,并在此基础上提出了对碳纳米管谐振器进行调谐的思路。然后,在平面掺杂石墨烯物理特性的基础上,研究了其压控电导率,并设计了基于此特性的可切换高阻表面,然后将此表面应用于一个太赫兹天线基中,实现了天线的方向图可重构。收起

关键词 : 碳纳米材料石墨烯谐振器品质因数可切换高阻表面太赫兹天线

10. 片上天线与射频/无线互连研究

[学位论文] 江亮上海交通大学 2010年博士导师: 毛军发共134页

摘要 : 随着摩尔定律不断地推动着集成电路工艺向前进步，芯片的特征尺寸越来越小，工作频率越来越高，金属互连线所占的面积越来越大，传统的金属互连线遭遇到了性能的极限问题，如互连线的延时、压降、串扰、功耗等问题将制约集成电路的进一步发展。因此，... 展开随着摩尔定律不断地推动着集成电路工艺向前进步，芯片的特征尺寸越来越小，工作频率越来越高，金属互连线所占的面积越来越大，传统的金属互连线遭遇到了性能的极限问题，如互连线的延时、压降、串扰、功耗等问题将制约集成电路的进一步发展。因此，研究并设计一系列缓解或解决互连线极限问题的互连新技术势在必行。天线是无线通信系统中一个不可缺少的重要组成部分。近几年来，人们开始研究将天线技术应用于芯片互连线的领域，采用无线通信系统的分析与设计方法，用天线及无线通信方式取代传统的金属互连线，实现芯片内部或者芯片之间某些功能模块的互连，从而在一定程度上缓解金属互连线的极限问题，此即无线互连技术。同时，也有研究采用少量传统微波传输线(微带线或共面波导)作为传输介质，用无线通信中的各种调制解调方式，通过耦合电容上传与下传多路信号，从而减小传统金属线所占的面积，部分缓解传统金属线发展的一些极限问题，此即射频互连技术。本学位论文在总结前人研究的基础上，构建了射频互连系统的信道模型及噪声模型，分析了该模型的信号传输特性及噪声特性，以及综合使用各种调制方式实现带宽-信噪比的一个较好的均衡。同时，主要针对片上天线的小型化，高增益，低损耗，定向性等问题展开了研究，设计了各种适用于无线互连系统的天线。将电磁带隙(EBG)，高阻表面(HIS)等技术应用于片上天线的设计，并实现了一款单频片间无线互连收发系统，从而验证了该天线的性能优越性及无线互连系统实现的可行性。具体内容阐述如下： 1、构建并分析了射频互连系统的信道及噪声模型，包括信道的信号传输特性，噪声特性，包括端口反射噪声、开关耦合噪声和接收机热噪声等。根据所得到的信道信噪比特性，为了在带宽及误码率之间实现一个较好的均衡，在不同信噪比条件下综合使用CDMA及MPSK等分段调制方式，提高了整个射频互连系统的整体性能。 2、为了提高无线互连系统的互连性能，设计了一系列小型化，高增益，低损耗，高方向性的片上天线。采用标准0.18um CMOS工艺设计实现片上缝隙天线，证明了在严格的工艺规则限制下，设计实现这些片上天线完全可行。采用低电阻率(10Ω·cm)的硅衬底设计实现片上缝隙天线，结果表明该缝隙天线比传统的偶极子天线具有更高的片间传输增益。同时采用该工艺设计实现的片上折合振子天线，在减小天线所占面积的同时一定程度上提高了天线的增益。本文还设计仿真了一对片上锯齿形定向天线，通过前后传输增益的比较，证明该天线具有较好的定向性，从而降低了其后向辐射，减小了对天线后向电路的影响。 3、为了进一步提高片上天线的传输增益，降低标准CMOS工艺中低电阻率硅衬底对天线增益性能的影响，本文将HIS结构应用到片上天线的设计中，利用HIS结构中的人工磁导体特性，增大了片上偶极子天线的同向电流，从而提高了片上偶极子天线的辐射增益，降低了低损耗硅衬底的损耗。同时，通过HIS加载片上MIM电容，进一步减小了HIS模块的面积，从而节省了天线所占芯片面积。本文还采用EBG结构调谐天线的输入阻抗，在大大减小片上偶极子天线尺寸的同时还抑制了高次谐波。 4、采用TSMC0.18um工艺，设计了简单的单频无线互连收发系统，该系统工作在20GHz。本设计发射机包括压控振荡器(VCO)，E类功率放大器(class E PA)，加载MIM电容的HIS结构实现的片上天线。接收机包括加载MIM电容的HIS结构实现的片上天线，带输出缓冲级的低噪声放大器(LNA)。通过测试结果的验证，证明该系统完全可行，同时验证了采用加载MIM电容的HIS结构实现的片上天线性能的优越性。收起

关键词 : 射频互连系统信道模型噪声模型片上天线