非定拓扑高性能无源微波器件的设计理论与技术

In modern microwave/RF systems, passive devices are generally desired to have multiple functions, satisfactory structure versatility, and overall optimal performance. Accordingly, novel structures and novel design techniques for passive devices are always required. Multi-objective optimization techniques show great potentials in design of such microwave/RF devices because the design is generally a multi-objective optimization. Multi-objective optimization must provide desired diversity of solution of a multi-objective optimization problem, and high efficiency of optimization searching in decision space. In this project, we focus on the design of passive microwave/RF devices with fragmented structure and arbitrary topology, and performance approaching to the extremes for a circuit with practical losses. We will first investigate the limits of scattering parameters of a lossy network and the extreme of characteristics or specifications of the corresponding circuit. Then by using a proper multi-objective optimization searching technique, we will investigate how to find a circuit structure, within a given design space of specific dimensions and shape, that may provide or approach to the extreme characteristics. With the proposed theory and optimization technique, we hope we can find an efficient and useful technique for design of passive microwave/RF circuits of the highest performance and the best structure.

现代微波/射频系统通常希望微波器件能够多功能工作，展现良好的结构适应性，并具有尽可能好的性能。相应地，就需要无源器件有新的结构和新的设计技术。多目标优化技术在此类器件的设计中有着极大的潜力，因为采用多目标优化可以同时实现多个指标趋优。但是，设计中要求多目标优化算法能够保证解的多样性和优化搜索的高效率。本项目旨在研究如何采用离散化碎片结构，利用多目标优化搜索来寻找最佳拓扑结构、设计逼近指标极限的无源器件。为此，我们首先要研究有耗网络S参数的约束以及实际电路的指标极限，接着研究如何兼顾优化搜索要求，采用离散化碎片结构来描述具有任意拓扑结构的微波无源器件，还要研究相应的多目标优化策略和算法，尽可能高效地找出一个在给定的设计空间中可以逼近指标极限的电路结构。通过这些理论和方法探索，为结构适应性好、各项性能趋优的小型化高性能微波无源器的件设计，提供一种全新的、高效的设计技术。

微波无源器件的性能通常与其结构密切相关。挑战高性能微波无源器件设计需要新的结构设计技术。本项目在考虑实际电路损耗影响的前提下，首先研究了若干典型微波无源器件网络参数的理论约束和典型微波无源电路各设计指标的极限性能，明确了离散化碎片构型非定拓扑结构的传输、耦合与损耗特点，接着给出了一系列有针对性的非定拓扑无源器件结构描述技术，包括基于混合粒度构型单元的结构描述技术、基于离散线型结构的形状描述技术、功能结构预置构型描述技术、连续-离散混合结构的构型描述技术、基于多比特离散构型单元的结构描述技术等，并明确了这些具有统计分布特征的非定拓扑结构描述技术的使用原则。进一步，有针对性地提出、改进多目标优化搜索算法，包括结合加速搜索策略的多目标优化算法、面向混合结构优化的多目标优化算法以及采用自适应替代模型的多目标优化算法。最后，将这些采用非定拓扑构型描述和多目标优化算法的设计技术用于高性能定向耦合器、滤波器、模式转换器、加载环路谐振器、MIMO天线隔离结构、滤波天线结构等器件或结构设计，均取得了远好于常规设计的设计性能。通过本项目研究，给出了一种可以用来设计具有良好结构适应性、各项性能指标趋优的小型化高性能微波无源器件的新技术。