新功能微波无源器件设计理论及其测试算法研究

新兴的微波信息系统，如5G无线通信、新体制雷达、导航定位等，已成为国家优先发展的支柱产业和国家安全的重要保障。新功能、高性能无源微波器件是系统性能提升和功能扩展的关键。

当前通信和雷达系统呈现多频多模、宽带化、低共模干扰等趋势，而在现代电子战中装备的低剖面电磁隐身性能至关重要。对新功能、高性能无源器件，包括高共模干扰抑制的平衡滤波器/双工器、多频、超宽带的滤波器和匹配网络、多功能电磁波调控超表面器件等，提出了迫切的需求。上述新功能微波器件在设计理论上仍存在大量空白。

新功能器件的出现，对微波测试技术提出了新的挑战，比如在多端口和平衡器件的精确测量方面，国内存在技术瓶颈，特别是缺乏核心校准算法。

该成果在多项国家自然科学基金、科技部重大专项等的长期资助下，针对上述问题展开研究，取得如下科技创新：

1. 提出了复杂微波导波结构的全波分析方法，解决了实现微波无源器件的物理基础的导波结构的精确分析中计算效率低的问题。相对于传统方法，待求场分量数目减少为三分之二、计算时间降低为三分之一。并结合模式匹配法解决了复杂截面波导不连续性的分析问题，扩展了模式匹配法的适用范围。

2. 提出了新功能微波导波器件的新型拓扑结构和综合方法，解决了多频段、超宽带、抗共模干扰等器件的设计难题。实现了任意复数负载的多频匹配网络，小型化多频、宽带/超宽带、平衡滤波器，并率先提出了全平衡双工器。为多频多模通信系统及其它超宽带系统射频前端的发展提供了重要基础。

3. 提出了新功能空间电磁波无源调控器件的创新结构和设计方法，解决了超宽带范围内难以对空间反射或透射电磁波的幅度和相位同时独立调控的难题。实现了具有波束偏转、极化转换、RCS缩减、多波束生成等新功能的低剖面电磁波调控超表面，对高性能电磁隐身和新型天线设计具有重要的推动作用。

4. 提出了多端口矢量网络分析仪的校准和误差修正算法，解决了新功能微波无源器件特别是多端口、平衡器件的测试难题。填补了国内核心算法空白，对多端口矢量网络分析仪国产化做出了突出的贡献，实现了多端口和平衡微波器件的高效和高精度测量。

该成果共发表相关国际期刊论文31篇，被SCI他引612次。在国内期刊《电子学报》等发表论文12篇，三篇代表性论文SCI他引178次，单篇最高SCI他引70次。获发明专利授权7项。

该成果被三十余位IEEE Fellow，包括加拿大两院院士K. Wu教授、中科院院士毛军发教授、中科院院士崔铁军教授、微波毫米波领域国际著名学者洪伟教授、加拿大工程院院士C. Caloz教授等团队引用和正面评价。

该成果发展了新功能微波器件设计理论、高效分析方法和测试校准算法，满足了微波系统对宽带/超宽带、多频、平衡、空间电磁波调控等新功能微波无源器件的迫切需求，推动了新一代无线通信、新型雷达等微波信息系统的发展。

该成果应用于中电科仪器仪表有限公司的多端口矢量网络分析仪产品中，打破了欧美厂商的垄断，实现了国产化的突破；应用于合肥科尚电子科技有限公司的滤波器产品开发和生产中，取得了良好的经济效益。

新兴的微波信息系统（如5G无线通信,新体制雷达、导航定位等）已成为国家优先发展的支柱产业和国家安全的重要保障。新功能、高性能无源微波器件是系统性能提升和功能扩展的关键。当前通信和雷达系统呈现多频多模、宽带化、低共模干扰等趋势,而在现代电子战中装备的低剖面电磁隐身性能至关重要,对新功能、高性能无源器件,包括高共模干扰抑制的平衡滤波器/双工器,多频、超宽带的滤波器和匹配网络,多功能电磁波调控超表面器件等,提出了迫切的需求,上述新功能微波器件在设计理论上仍存在大量空白。新功能器件的出现,对微波测试技术提出了新的挑战,比如在多端口和平衡器件的精确测量方面,国内存在技术瓶颈,特别是缺乏核心校准算法。该成果在多项国家自然科学基金、科技部重大专项等的长期资助下,针对上述问题展开研究,取得如下科技创新：1．提出了复杂微波导波结构的全波分析方法,解决了实现微波无源器件的物理基础的导波结构的精确分析中计算效率低的问题,相对于传统方法待求场分量数目减少为三分之二、计算时间降低为三分之一。并结合模式匹配法解决了复杂截面波导不连续性的分析问题,扩展了模式匹配法的适用范围。2．提出了新功能微波导波器件的新型拓扑结构和综合方法,解决了多频段、超宽带、抗共模干扰等器件的设计难题,实现了任意复数负载的多频匹配网络,小型化多频、宽带/超宽带、平衡滤波器,并率先提出了全平衡双工器。为多频多模通信系统及其它超宽带系统射频前端的发展提供了重要基础。3．提出了新功能空间电磁波无源调控器件的创新结构和设计方法,解决了超宽带范围内难以对空间反射或透射电磁波的幅度和相位同时独立调控的难题,实现了具有波束偏转、极化转换、RCS缩减、多波束生成等新功能的低剖面电磁波调控超表面,对高性能电磁隐身和新型天线设计具有重要的推动作用。4．提出了多端口矢量网络分析仪的校准和误差修正算法,解决了新功能微波无源器件特别是多端口、平衡器件的测试难题,填补了国内核心算法空白,对多端口矢量网络分析仪国产化做出了突出的贡献,实现了多端口和平衡微波器件的高效和高精度测量。该成果共发表相关国际期刊论文31篇,被SCI他引612次,在国内期刊《电子学报》等发表论文12篇,三篇代表性论文SCI他引178次,单篇最高SCI他引70次。获发明专利授权7项。该成果被三十余位IEEE Fellow,包括加拿大两院院士K. Wu教授,中科院院士毛军发教授,中科院院士崔铁军教授,微波毫米波领域国际著名学者洪伟教授,加拿大工程院院士C. Caloz教授等团队引用和正面评价。该成果发展了新功能微波器件设计理论、高效分析方法和测试校准算法,满足了微波系统对宽带/超宽带、多频、平衡、空间电磁波调控等新功能微波无源器件的迫切需求,推动了新一代无线通信、新型雷达等微波信息系统的发展。该成果应用于中电科仪器仪表有限公司的多端口矢量网络分析仪产品中,打破了欧美厂商的垄断,实现了国产化的突破;应用于合肥科尚电子科技有限公司的滤波器产品开发和生产中,取得了良好的经济效益。