学科团队

电磁调控与探测技术团队
        
团队介绍

团队拥有专职科研人员3人,其中正高1人,副高1人,中级1人,近五年获批国家自然科学基金青年项目1项,国家装备预研项目4项,广东省自然科学基金粤港澳团队项目1项,广东省基础与应用基础研究面上项目1项,广东省自然科学基金粤莞培育基金1项,广东省基础与应用基础研究基金青年基金项目3项,其他各类科研项目若干项。在可集成微带类真空功率放大器、涡旋电磁波阵列集成天线及其在航空航天复合材料无损检测研究、雷达电磁环境特性分析与表征等领域开展了一些基础与国防应用基础的研究工作,在国内外重要学术期刊与学术会议发表论文百余篇,其中在IEEE Elec. Devi. Lett., IEEE Trans. Elec. Devi., IEEE Trans. Plas. Scie., IEEE Trans. Ante. and Prop.等国际著名学术期刊上发表SCI论文100多篇,论文单篇最高引用102次,授权发明专利10余项,实用新型专利10余项。


团队负责人

沈飞,教授,工学博士。主要从事电磁信号放大与调控研究,主持有国家级科研项目4项(国防类科研项目3项)、省部级项目3项(含中电集团第38所委托国家技改项目子课题1项),其他级别项目若干。在国内外重要学术期刊与学术会议发表论文百余篇,其中在IEEE Elec. Devi. Lett., IEEE Trans. Elec. Devi., IEEE Trans. Plas. Scie., IEEE Trans. Ante. and Prop.等国际著名学术期刊上发表SCI论文近100篇,论文单篇最高引用100余次,授权发明专利近10项。

近年来,在可集成微带类真空功率放大器、涡旋电磁波阵列集成天线及其在航空航天复合材料无损检测研究、雷达电磁环境特性分析与表征等领域开展了一些基础与国防应用基础的研究工作。


团队核心成员




 杨阳,讲师,工学博士。长期从事涡旋电磁波天线、电磁涡旋成像、声散射及无损检测的研究工作。近3年来,主持国家级项目1项,省部级项目1项,市厅级项目2项,参与多项国家级、省部级电磁成像项项目,负责其中天线设计、系统搭建的相关工作;相关成果申请人以第一作者或通信作者在IEEE TAP、SMS、IET MAP等期刊上发表SCI论文8篇(其中中科院一区1篇,中科院二区4篇)。作为主要参与者授权美国发明专利1项、欧盟发明专利1项、中国发明专利2项和实用新型专利23项。排名第四获得广东省科技进步二等奖1项。



   陈豪翔,讲师,工学博士。主要从事集成光子器件与超构光子器件,研究内容主要包括面向数据中心和高速光通信应用的集成光子电路,未来片上实验室的便携式光学传感器,多功能超表面与超透镜,片上全息成像等。参与多项国家级、省部级片上光学通信项目。目前以在国际光学著名期刊发表学术论文十余篇,包括IEEE JLT、OLT等期刊,授权国家专利9项。


科研方向

团队在如下三个方面取得了一些创新性成果:

第一,提出了一种可集成毫米波真空功率放大器,大幅降低了其加工成本和装配难度。

毫米波功率放大器是下一代雷达、电子对抗、无损检测等高端国防装备系统的核心器件,被誉为现代武器装备的心脏。真空功率放大器相较于固态功率放大器在单管功率水平、带宽和互作用效率方面具有显著优势,但是大体积、高成本、难以批量化生产等缺点则严重限制了它的发展与应用,发展微加工可集成的真空功率放大器势在必行。团队在该领域做了如下创新性工作:

1.1 提出了一种可集成的W波段V形微带曲折线真空功率放大器。

V形微带曲折线真空功率放大器采用二维层状结构,使得加工成本和装配难度大幅降低,其具有工作电压低、频带宽、易于集成等优点,在W波段的3-dB带宽可达15GHz以上,输出功率可达25W。申请人首次对微带类真空功率放大器开展注-波非线性互作用的研究,为微带类真空功率放大器的批量研制提供了重要的理论支撑[IEEE Trans. Plas. Scie., 40(2):463-469(2012)](单篇引用102次)。

1.2 提出了一种可集成微带类真空功率放大器的功率合成结构。

为了减小带状电子束的束流密度,降低聚焦磁场的设计难度,团队成员提出了一种微带类真空功率放大器的功率合成结构。在相同的电气参数下,采用功率合成结构的放大器的瞬时3-dB带宽更宽,峰值输出功率可达110瓦,大大提高了微带类真空功率放大器的工作带宽、功率水平与互作用效率[IEEE Trans. Elec. Devi.., 59(5):1551-1557(2012)](单篇引用55次)。

国际真空电子学会主席C. Paoloni教授评价团队的研究工作[UCMMT: 19412688(2019)]:“适合采用微加工技术,加工与装配简单,适合大规模生产。”俄罗斯科学院研究员N. M. Ryskin评价团队的研究工作[IEEE Elec. Devi. Lett., 40(12): 1980-1983(2019)]:“微带类慢波结构可采用微加工技术,工作电压低,能够兼容带状电子束,特别适用于高频可集成真空功率放大器。”

新加坡南洋理工大学教授Sheel Aditya课题组多次引用团队的研究成果[IEEE Trans. Elec. Devi.., 60(1):1251-1256(2013) & 65(6):2142-2148(2018) & et al.],并给出评价[IEEE Tran. Elec. Devi., 47(10): 4650-4657(2019)]:“单V形微带曲折线可在高频段提供更宽的带宽和更高的耦合阻抗,对称双V形结构则可以达到更大的耦合阻抗和输出功率。”国防科技大学刘金亮研究员亦多次引用团队的研究成果,并作出评价[IEEE Trans. Plas. Scie., 44(5):821-828(2016) & AIP Advances, 10, 095318(2020)]:“微带类慢波结构加工制造方便,将其用于固态脉冲成形模块是更加现实可行的方案。”

团队在真空功率放大器及其应用研究方面共发表学术论文近50篇,授权国家发明专利4项,获批国家自然科学基金青年项目1项,参与了国家杰出青年科学基金项目和国家科技重大专项(国防核高基)项目各1项,并作为实际完成人参与国家自然科学基金面上项目1项。上述研究成果为可集成真空功率放大器的研制奠定了一定的理论与实验基础。

第二,提出了多种涡旋电磁波阵列集成天线,开展了基于涡旋波的航空航天复合材料无损检测应用研究。

涡旋电磁波具有多OAM模式和螺旋形相位波前特性,其对目标的照射效果相当于平面电磁波从多个连续角度的叠加,将其应用于雷达探测与成像,可以带来探测和成像精度的显著提升。围绕涡旋电磁波辐射天线及其在航空航天复合材料无损检测的应用研究等方面,团队做了如下工作:

2.1多模涡旋电磁波天线及成像应用(包含虚拟合成技术)

(1)提出了一种三环嵌套的平面等角螺旋线,如图1所示,通过调控三个嵌套环的半径,天线可以在单频点3GHz处同时产生OAM模式1、3和5的涡旋电磁波。同时,在螺旋结构与馈电网络之间设置金属反射器,提高天线的方向性和增益,该嵌套多臂螺旋天线在OAM多路复用中具有较大的应用潜力,此项成果已发表在期刊IEEE Access, 2019, 7, 138541-138547(Yang Yang, Kai Guo, Fei Shen, Yubin Gong, Zhongyi Guo)。

图1三环嵌套平面等角螺旋天线及其结果

(2)提出了一种N臂阿基米德螺旋天线方法,用于产生携带多个OAM模式的宽带涡旋波。基于改进的电流带理论,给出了整个OAM模式的理论公式和每个相邻OAM模式的最大公共带宽。通过三臂ASA的仿真结果以及四臂ASA的仿真结果和测量结果验证了所提方法的性能,相关成果已发表在SCI期刊IET MAP, 2023, 17(2): 140-150(Yang Yang, Fei Shen, Zhen Zhang, et al.),授权中国发明专利1项(沈飞,杨阳,郭忠义,程凯扬,宫玉彬. N臂阿基米德螺旋天线宽带多OAM涡旋电磁波生成方法. CN202110290234)。基于反射电流带理论,申请人提出了一种八臂阿基米德平面螺旋天线,通过对天线八个端口附加相同强度不同相位分布的激励信号,该天线可以在1.9-3GHz的宽带范围内,实现多个OAM模式的产生,天线的结构模型以及远场强度相位分布测试结果如图2所示。与传统的微带涡旋电磁波天线相比,该天线具有更宽的带宽、更多的OAM模式和更高的增益。相关成果发表在SCI期刊IEEE Access, 2020, 8, 53232-53239(Yang Yang, Yubin Gong, Kai Guo, et al)。上述相关研究成果也为“二极管加载可重构多臂阿基米德平面螺旋天线研究”(广东省基金,主持,2022A1515111000奠定了基础。

图2八臂阿基米德螺旋天线及其结果

(3)提出了一种基于多环嵌套圆环贴片结构的同频多模、多频同模涡旋电磁波天线,推导出OAM模式与工作频率、馈电位置角度和贴片尺寸等参数之间理论关系式,以及多模的共同工作频率与单模工作频率的理论关系式。设计了三环嵌套圆环贴片天线,如图3所示,可以同时在2.5GHz产生OAM模态为0、-2和4,以及在1.5GHz、2.5GHz和6.72GHz产生模态为-2的涡旋电磁波。本文开展双环和三环嵌套圆环贴片天线加工、测试工作,实验结果与理论分析、仿真结果相吻合,进一步验证了多环嵌套圆环贴片天线的有效性,上述研究成果已发表在SCI期刊IEEE AWPL, 23, 11, 3451-3455, 2024.(Yang Yang, Fei Shen, Lelan Tian, Baiyang Liu)。

图3三环嵌套圆环贴片天线结构及远场辐射实验测试结果

(4)与中科院生物所相关团队已经搭建了合成涡旋场成像样机,实现了超模式数涡旋场的产生,并实现了随着模式数的增加,待测目标分辨率的提升,如图4所示。合成多模式数涡旋场可以实现超模式数涡旋场的产生,团队已经完成了合成涡旋场理论推导,电磁学模拟仿真,并且搭建了验证样机对随着模式数增加,成像分辨率不断增加的工程验证相关研究成果以第一作者发表在IEEE TAP, 2023, 71(12): 9905-9913(Yang Yang, Zijun Chen, Yu Wang, et al. 中科院一区,IF 5.7),授权美国和欧盟发明专利各1项(Haibo Jiang, Zijun Chen, Yubin Gong, Yang Yang, et al. PCT-CN2020-112154美国授权:US 11,309,634 B2;欧盟授权:20923684.3),授权中国发明专利1项(蒋海波,陈子君,宫玉彬,杨阳,等. ZL202010641809.8)。

图4合成涡旋场装置及测试图

同时,与中科院成都生物所相关团队前期已完成了在不同介电常数的合成涡旋场理论和仿真验证。能够实现埋深25cm,直径为0.7mm的不同构型目标的无损成像,如图5所示。根系所需数据皆为真实值的目标数据,目标和环境的介电常数与电导率常数进行了结合实测值的范围选择,这将为乳腺成像奠定坚实的理论和技术基础。相关成果也是“植物根系高精度三维层析成像系统研制”(中科院,省部级,XDA24020304,197万)项目的结题成果。

图5合成涡旋场高分辨成像过程验证

2.2水中宽带天线设计、水中多模涡旋电磁波天线

(1)提出了八阵元介质加载喇叭阵列天线结构实现水下涡旋电磁波的产生。通过在矩形波导中加载高相对介电常数的陶瓷介质,在2.5-2.7GHz的频带范围内实现水下电磁波产生。建立八阵元阵列天线系统,仿真实现了水下涡旋电磁波的产生,产生的涡旋电磁波可以在水中辐射到较远的地方(5cm),满足涡旋电磁波水下应用的需求,天线系统及仿真结果如图6所示。上述成果已发表在期刊Progress in Electromagnetics Research M,2019, 77: 115-123(Yang Yang, Gao Liu, Qing Zhou, et al)。

图6介质加载浸水喇叭阵列天线及其仿真结果

(2)申请人采用水作为同轴匹配结构的填充介质,在2.1-4GHz的宽带范围内实现水下电磁波的产生。基于此,组建八阵元宽带阵列天线,通过对不同的阵列天线单元馈入不同相位分布的激励信号,在2.1-4GHz的宽带范围内,实现水下携带OAM模式-3、-2、-1和0涡旋电磁波的产生,天线实验系统图及实验结果如图19所示。基于所设计的水下宽带阵列天线,申请人进行了水下角反射器二维成像实验,如图7所示。

图7浸水同轴阻抗匹配结构宽带喇叭阵列天线及其实验结果

2.3 涡旋电磁波高分辨率成像技术

(1)2020年,提出利用涡旋电磁波对碳纤维复合材料内部损伤进行反演检测。研究结果表明,对于二维目标,反演精度可达1/10波长,三维目标的分辨率也可达到1/2波长。图8给出了涡旋电磁波照射下碳纤维复合材料内部多目标二维反演结果,即当采用12个OAM模式时,反演结果可以清晰的分辨出两个相互间隔为0.3个波长的目标,并且可以得到目标的尺寸和介电常数信息。

图8涡旋波照射下多目标二维反演结果(a)采用12个OAM模式二维反演结果图

(b)二维反演结果目标切线图

涡旋电磁波照射下碳纤维复合材料内部多目标三维反演结果图9所示,可以看到三维变形伯恩迭代反演方法(DBIM)可以重建出空间多目标的电导率分布,当采用12个OAM模式时,可以区分空间两个相互间隔为0.3个波长的目标,并重建出目标的介电常数信息。

图9涡旋波照射下多目标三维反演结果(a)采用12个OAM模式三维反演结果图

(b)三维反演结果目标切线图

(2)2020年,开展了涡旋电磁波水下角反射器二维成像原理性实验验证实验。实验场景如图10(a)所示,接收天线放置在天线阵列的中心位置。于快速傅里叶变换方法,得到24cm×2π的图像,如图14(b)所示,并将其离散化为64×64个成像网格。从图中我们可以看出,两个角反射镜(红圆反射镜)的目标均可以被有效地识别出来,两个靶点的位置分别约为(10cm,0.205π)和(10cm,1.22π),与真实位置较为接近。同时,图像的距离分辨率约为4cm,方位角分辨率约为0.32π,与理论值3.4cm和0.3π非常接近。

图10涡旋电磁波水下二维成像原理性实验验证实验

(3)2018年,提出了基于DBIM的反演算法可以快速、准确的反演出地下电导率的分布情况,图11所示为DBIM反演算法与Occam反演方法结果对比图,反演的模型都为四层电导率模型。反演结果显示:DBIM反演方法比奥克姆反演方法(OCCAM)更加接近真实值,同时也更加准确。

图11 DBIM反演算法与OCCAM反演方法结果对比图

(4)2019年,提出将DBIM反演方法应用于低频电磁勘探的三维电导率重建,如图12所示,算法可以重建出空间中矿体的电导率分布图。由图中可以看出,算法很好的重建出了地下异常体的电导率分布。将电磁场积分方程的正演和反演方法应用于航空电磁方面,并将变形波恩迭代反演方法(DBIM)应用于实际的航空瞬变电磁探测中。得到了实际的三维航空电磁的电导率成像图,这将为本项目提供坚实的理论基础和工程经验。

图12半航空瞬变电磁勘探理论模型反演结果

3.1 耦合效率连续可调的亚波长光栅多模可调光衰减器及可重构光镊

2023年在硅基平台上设计了从TE0到TE1、TE2和TE3的多模可调光衰减器,在400度的温升范围内实现了模式输出功率从0.4-96.4%的无级调节。在基于亚波长光栅的定向耦合器中引入TiO2作为包层材料,以改变折射率。通过在波导上施加不同的温度,多模波导和SWG 的色散曲线可以独立定制,因此可以在不改变波导几何形状的情况下改变耦合系数,实现定向耦合器耦合效率的灵活调控。

并基于此提出了一个复杂干涉模式发生器。通过对不同模式的级联模式变换器,可以任意混合输出波导中的模式百分比,从而在多模波导中实现不同的模式的干涉,并利用这个器件实现了一个可重构的片上光镊,能够操纵纳米级粒子并实现几种简单运动。

图13 亚波长光栅多模可调光衰减器和可重构片上光镊的示意图

3.2 亚波长光栅波导中包层介质切换的可重构模式变换器

2023年在耦合模波导系统中引入包层介质开关策略,以实现可重构模式变换器。该器件构建在氮化硅平台上。将SWG波导与多模波导耦合形成定向耦合器。在波导上方不设置包层,即空气包覆。当包层填充材料发生变化时,导模的有效折射率表现出多态特性,满足不同的相位匹配条件,输入能量可以耦合到不同的模式。申请人在系统地分析了切换上包层介质策略情况下定向耦合器的相位匹配条件,并利用该方法在氮化硅平台上设计了三模可重构的原型器件。

图14 三态可重构变换器件示意图和输出光场

3.3 并行多通道超表面模式变换器件

2019年提出了一种基于类二维码硅结构的紧凑型多通道模式变换器。通过该器件,可以在一个相对紧凑的空间内实现多通道并行模式转换过程。并设计和展示了一个模式变换器,它可以同时实现从TE0-TE2模式和TE1-TE3模式的模式转换,面积为4×3 μm。

图15 并行多通道超表面模式变换器件及其结果

3.4 双偏振超表面模式交换器

2020年提出了一种基于类二维码硅结构的紧凑型多通道模式变换器。通过实施逆向设计方法,引入专门的评价系数和适当的结构约束,可以在两个偏振上实现模式转换。实现从TE0模式到TE1模式,以及从TM0模式到TM1模式的平行模式转换过程。其面积为4×1.6 μm。两个偏振的插入损耗(ILs)都低于2.3 dB,在1525-1565 nm 的波长范围内,串扰低于-11.5 dB。

图16 双偏振超表面模式交换器及其结果

3.5 基于三波导耦合器和多模干涉仪的模式开关

2019年在硅和光相变材料混合超结构的平台上提出并设计了一个宽带、非易失性的片上可调谐模式变换器。通过引入能提供足够大的折射率变化的光学相变材料,可以赋予超结构可调谐的功能,并保持紧凑尺寸的优势。当TE0模式被输入到该器件时,其特征可以选择性地切换为保持原始模式或在输出端口转换为另一个模式TE1。

图17 三波导模式开关

3.6 基于波导相位调控的超紧凑逆向设计的模式开关

申请人提出了一种基于硅和O-PCM 混合基础设施的超紧凑可切换模式变换器,并使用目标导向的逆向设计方法来构建该器件,设计了一个由硅和GeSe 材料组成的原型。当GeSe 的状态在非晶态和晶态之间切换时,输入波导的模式TE0 保持不变或转换为TE1 模式。其面积为0.9×5 μm,在1535-1565 nm的波长范围内,TE0-TE0和TE0-TE1 输出过程的插入损耗分别小于1.3 dB 和1.6 dB,串扰小于-11.7 dB 和-12.4 dB。

图18 基于波导相位调控的超表面模式开关及结果

3.7 基于双层结构的超紧凑逆向设计的可级联模式开关

2020年提出了两个超紧凑的超表面证明来实现所提出的变换器,实现了硅和Sb2S3 混合结构并考虑了可制造性。粒子群算法和DBS算法被用来设计器件,其中Sb2S3 被置于硅波导之上。并基于此提出了一种XNOR光学模式逻辑器件。这种新的结构概念可以扩大器件库,引入Sb2S3 来调控模式的方法也可以应用于一系列利用模式的动态器件。

图19 基于波导相位调控的超表面模式开关及结果

3.8 梯度驱动的快速稳定亚波长器件逆向设计方法

2022年提出了一种面向梯度的二值搜索(GBS)算法,它为传统的DBS 方法提供了一种替代的补充。我们以折射率的梯度变化为参考,直接切换两种材料之间的材料分布,而不是连续更新材料的折射率。它保持了相对简单的实现程序,适度的优化效率和容易调整的特征尺寸,适合于有较大面积的器件。

图20 梯度驱动的超表面逆向设计算法示意图


代表成果
  • 主持和参与的科研项目

1. 中央军委装备发展部装备预研领域基金,基于涡旋电磁波的超分辨率成像技术,2019-2020,50万,主持

2. 中央军委装备发展部装备预研领域基金,基于并矢GREEN函数重构算法的热障涂层THz涡旋波无损检测方法研究,2021,35万,主持

3. 中央军委国防科技创新特区(H863)项目子课题,XXX认知与智能表征技术,2017.10-2018.09,18万元,主持(项目为期4年,一年一签,第一年到账18万,第二年由于调动到太阳集团www0638,后续合同终止。)

4. 国家自然科学基金青年基金,11505043,交错双栅类慢波系统中带状电子注与波相互作用的理论研究,2016.01 -2018.12,21万,主持

5. 广东省基础与应用基础研究基金区域联合基金-粤港澳团队研究项目,5G智能终端Sub-6GHz及毫米波天线关键技术研究,2022-2026,200万,在研,主持

6. 广东省基础与应用基础研究基金-地区培育项目,基于太赫兹涡旋波的热障涂层高精度定量无损检测技术研究,2021.10-2024.09,30万,在研,主持

7. 中电38所委托国家技改项目子课题,星载相控阵动态校正设计仿真系统,2015.02 -2017.07,144万,主持

8. 电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室项目,基于DSP的射频信息采集与处理模块,2015.11-2016.04,10万,主持

9. 中央军委装备发展预研基金项目,水下爆炸声源激励下单壳体低频声散射特性研究,2020,40万,主持

10. 广东省基础与应用基础研究基金项目,二极管加载可重构多臂阿基米德平面螺旋天线研究,2022,10万,主持

11. 东莞市科技特派员项目,电路板材缺陷检测及图像处理技术,2023,10万,主持

12. 东莞市社会发展科技项目(重点),高性能燃气管网监测系统关键技术研究, 2023,8万,主持

  • 代表论文列表

1. Bingyang Liang, Fei shen*, Shao meng Wang, Yuanguo Zhou,  Yang yang, Kaiyang Cheng, Guangmin Zhang, Yu Zheng, Qing Huo Liu, and Yubin gong. Reconstruction of 3D objects in layered composite structures from multi-Mode orbital angular momentum. Physical review E, 2022, 105(2): 025302

2. Bingyang Liang, Shaomeng Wang, Fei Shen*, Qing Huo Liu, Yubin Gong, Junjie Yao. Acoustic impact of the human skull on transcranial photoacoustic imaging. Biomedical Optics Express, 2021, 12(3): 1512-1528

3. Shaomeng Wang, Wei Shao, Wensong Wang, Fei Shen*, Yubing Gong, Yuanjin Zheng. High Power Angular Radial Staggered Vane Backward Wave Oscillator at W-band. IEEE Electron Device Letters, 2020, 41(5): 765-768

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  • 专利列表

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2. 沈飞,郭忠义,郭凯,周红平,周清峰,冯志康。基于几何光学变换的OAM信道提取与添加系统及方法。2021-02-12,中国发明专利,ZL201880001931.X

3. 沈飞,郭忠义,郭凯,周红平,周清峰,牟江南。一种实现OAM模式可重构的双臂螺旋天线,2021-01-15,中国发明专利,ZL201880000720.4

4. 沈飞,郭忠义,郭凯,周清峰,周红平,牟江南。一种可生成涡旋电磁波的锥形共形贴片天线。2019-12-27,中国发明专利,ZL201810335242.4

5. 魏彦玉,沈飞,宫玉彬,殷海荣,段兆云,王文祥。一种V型微带曲折线慢波结构,2012-6-27,中国发明专利,ZL201010227284.X(导师为第一发明人)

6. Haibo Jiang, Zijun Chen, Yubin Gong, Yang Yang, Shaomeng Wang, Chengbo Gui, Jiangnan Fu, Xinyang He. Method for synthesizing vortex electromagnetic field with high orbital angular momentum mode number. PCT-CN2020-112154(美国授权:US 11,309,634 B2;欧盟授权:20923684.3)

7. 蒋海波,陈子君,宫玉彬,杨阳,王少萌,桂承波,付江南,何欣洋.一种合成高轨道角动量模式数的涡旋电磁场的方法. ZL202010641809.8


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