多功能前端中本振工作机理和特性的理论、模拟方法与实验研究

On space-limited platforms such as modern naval ships, aerocrafts and so on, how to develop a multifunctional front-end system with many different operation frequency bands is a very challenging fundamental research topic. It is also an important topic needed urgently to be resovled in developing multifunctional front ends with greatly-improved system volume, weight, power dissipation and performance. Purposes of this project are to study a key circuit of the multifunctional front end, namely, studying the operation mechanisms and its characteristics of the multifunctional local oscillator (LO). The research involes: studying the operation mechanisms by combining a nonlinear mathematical model and spectrum characteristics of the multifunctional LO as well as injection-locked theories. Based on this, inherent relationships among characteristic parameters are further discussed. Harmonic controlling principles are studied by incorporating circuit theories, mathematical analyses and operation characteristics of the multifunctional LO itself. Meanwhile, high efficient and fast simulation method that is not only suitable for numerical simulation of the multifunctional LO but also compatible with existing simulators is studied and validated. X/Ka-band multifunctional LOs that serve as prototype circuits are developed,experitmentally investigated and validated in principle. The study of this project is eventually to determine the general cheracteristics and nonlinear principles of the multifunctional LO. The study can provide necessarily theoretical foundations, quantitatively research methods, high efficient design methodologies, and several circuit topologies examined by prototype experiments to the LO circuits of the multifunctional front-end systems. Meanwhile, the study can provide an analyzing methodology to other circuits of the multifunctional front end.

在现代舰船、飞行器等尺寸有限的平台上，如何构建众多不同工作频段的多功能前端系统，并极大地改善系统的体积、重量、功耗和性能，是极富挑战性的基础研究课题，也是多功能前端发展中急需解决的重要课题。本项目旨在探索多功能前端中的核心电路─多功能本振的工作机理及其特性问题，包括：用多功能本振的非线性数学模型、频谱特性同注入锁定理论相结合的方法来探讨其工作机理并进一步研究其特性参量间的内在关系；用电路理论、数学分析同这类本振自身工作特性相融合的方法来探索其谐波调控原理；探寻适合这类本振数值模拟且与现有模拟软件兼容的高效快速模拟方法并进行验证；通过X/Ka频段多功能本振原型电路进行原理性实验研究和论证，最终确定这类本振的一般特性及其非线性原理，为多功能前端系统中的本振电路提供必要的理论依据、定量化的研究方法、高效的设计方法和经过原理性实验验证的若干电路拓扑，同时也为多功能前端中的其他电路提供一种分析方法。

本项目完成了对多功能前端的核心部件—多功能本振的工作机理和特性的理论、模拟方法与实验研究。基于所构建的非线性数学物理模型，提出了将这类本振的非线性数学模型、频谱特性同注入锁定理论相结合的方法，探明了其工作机理及特性参量(工作带宽、幅度、相位噪声等)间的相互关系。提出了将电路理论、数学分析同多功能本振自身工作特性相融合的方法，阐明了这类本振的谐波调控原理。采用加权拉格尔多项式结合自适应量子进化算法及有源单元因子法，探讨相关的高效快速算法和模拟方法。最后在深入的理论探讨和充分的数值模拟基础上，通过研制原型演示样机，进行原理性实验研究，验证了所提方法及所做分析的正确有效性。.通过对多功能本振的相关理论探索，将这类本振的探讨从感性认识阶段上升为理性分析和定量研究阶段，从而为获得其工作机理和工作带宽的定性、定量化描述奠定基础。所提出的将非线性数学模型、频谱特性同注入锁定理论相结合的方法，为本项目及其相关研究开辟了新思路；而将电路理论、数学分析同多功能本振自身工作特性相融合的方法，为研究其谐波调控原理提供了新举措；加权拉格尔多项式结合量子进化算法则为高效快速的数值模拟找到了突破口。在原理性样机研制及实验验证方面，通过巧妙选取静态工作点的方法来实现所需的谐波特性以及与低偏置相结合，从而在实际中实现谐波调控原理，这种研究为本项目首次实践并有效运用。通过这些探索，以本项目为基础共计发表和录用各类学术研究论文37篇，其中高质量SCI论文20篇，EI论文6篇，其他论文11篇；申请国家发明专利18项，其中授权7项；获教育部自然科学奖二等奖1项。.这些方法和研究成果是对多功能本振的理论、工作机理及其特性的深刻诠释和实践中的重要指导原则，同时也为多功能前端中其他模块的研究和探索提供了一种思路，而对微波工程其他电路模块的分析与研制也有重要的参考价值和指导意义，因而在微波工程相关领域中具有重要的理论意义、学术意义和应用价值。