面向海洋环境的毫米波通信模块及平面集成关键技术研究

With the rapid development of marine economy, a higher requirement will be requested for marine communication on reliability, information capacity, and transmission rate. Millimeter wave communication as the key technology of next generation mobile communication system, in solving the spectrum resource bottleneck, reducing equipment volume has a unique advantage. To meet complex marine communication requirements of highly reliable and super high-speed broadband transmission, this project will research millimeter-wave communication modules and planar integrated basic theories and design methods. The main contents include: 1) An electromagnetic wave propagation and interference theory and prediction method for the marine environment will be studied, and a corresponding channel model will be established; 2) An electromagnetic two-dimensional tunable device mechanism will be studied to achieve the broadband reconfigurable multi-band capabilities of millimeter-wave communication planar integrated modules; 3) By studying the implementation mechanism of an ultra-wideband transmitter, a multi-channel pre-distorter with frequency-hopping ability to match the channel model will be constructed to realize high modulation transmission of millimeter wave signal; 4) By studying the regulation mechanism of planar integrated antenna characteristics with the low profile ship platform, a two-dimensional planar integrated multi-beam antenna will be established to have multi-beam generation, beam scan control, and polarization reconfigurabilities. Eventually, millimeter-wave planar integrated front-end modules with the abilities of highly reliable and super high-speed transmission will be developed to complete the validation and lay a solid theoretical foundation for high-speed information transmission technologies between marine vessels.

随着海洋经济的快速发展，船舶通信对可靠性、信息容量、传输速率提出了更高的要求。毫米波通信作为下一代移动通信系统的关键技术，在解决频谱资源瓶颈，减小设备体积方面具有独特优势。本项目针对海洋复杂环境通信的高可靠、宽带超高速传输问题，拟开展毫米波通信模块及平面集成技术的基础性理论与设计方法的研究，主要内容包括：1）研究海洋场景的电波传播和干扰机理及预测方法，并建立相应信道模型；2）研究电磁二维可调谐器件机理，实现毫米波通信平面集成模块宽带多频段的可重构；3）研究超宽频带发射机实现机制，构建与海洋信道模型相匹配的捷变多通道预失真器，实现毫米波信号高调制传输；4）研究船舶平台用低剖面平面集成天线特性调控机理，实现天线阵二维多波束生成、波束扫描控制和极化重构等能力。最终研制出高可靠、超高速传输毫米波平面集成前端系统并完成验证，为海洋船舶间高速信息传输技术奠定坚实的理论基础。

利用毫米波技术建立起海洋舰船、平台和海上飞行器之间的高速宽带互连网络有其独特优势。本项目针对海洋环境精确电磁建模和海洋通信中高速、高可靠传输的核心问题，课题一研究了海洋电波传播和干扰机理及相应预测方法，采用实验和全波FDTD算法相结合的方式实现了船舶毫米波通信信道建模。提出了将全波仿真、线缆仿真及终端电路求解相结合的场-线-路协同仿真的方案，完成了船舶这类复杂电大、多尺度平台的天线、线缆、通信系统电磁干扰特性分析并提出相应的防护建议。课题二研究了平面可重构器件电路，提出了基于毫米波基片集成波导的垂直耦合多层小型化滤波器设计方法、多功能平面无源/有源电路-天线一体化集成和可重构设计方法。基于新型铁电、铁磁和复合薄膜材料的电磁特性，设计了高品质可变电容和可重构无源电路，在电调和磁调相融合构建电磁二维调谐电路方面提出了一些开拓性设计思路和方法。课题三针对毫米波发射机面临信号带宽非常宽和谐波失真等非线性问题，分别研究了模拟和数字预失真技术两种方法。提出了一种开路短截线相位补偿的模拟预失真新型结构，使毫米波发射链路的EVM性能改善了5dB以上。在功放建模和数字预失真技术方面，提出了一种记忆项减少算法和一种混合谐波、互调失真行为模型。课题四研究了毫米波平面天线特性宽带控制、二维多波束天线阵和平面集成相控阵天线，突破了基片集成二维波束形成的关键技术。提出了单腔超高次多模谐振控制、互补宽带正交模相移、双极化馈线、三维曲面共形赋形和多频辐射结构融合等一系列创新方法。最后制作了30GHz平面集成前端电路样机并进行了海上环境性能测试。本项目的研究成果有助于支撑海洋通信设备低轮廓化、链路配置智能化和抗干扰等发展需求，提升我国高速海洋通信网络的水平。. 本项目共发表期刊论文82篇，SCI收录文章73篇，国内外学术会议邀请报告32篇; 申请发明专利58项，其中25项获得授权; 项目资助培养了3位博士研究生，20位硕士研究生，5位硕士研究生转读博士学位。