Abstract:

天线设计是实现基于无线无源声表面波标签的土壤温湿度检测的重要环节。为实现对同一表面位置不同深度处土壤温湿度的并行检测，多个标签需采用时分与频分多址的方案。对此设计了层叠式双频圆极化微带天线及一分四 T 型微带功分器，天线的不同贴片对应不同谐振频率，通过切角实现圆极化；功分器采用微带线设计减小了高频段电阻效应及耗散功率问题。使用 HFSS 软件进行仿真优化，制作实物并结合矢量网络分析仪进行测试。测试结果表明，该天线在中心频率 842. 5 MHz 与 922. 5 MHz 处的 S₁₁均小于?10 dB，功分器 4 个输出端口的传输系数均约为?6. 8 dB，与仿真结果基本一致，验证了该天线及功分器的实用性。

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研究了基于 X 切铌酸锂材料且具有布喇格反射层结构的谐振器，通过有限元（FEM）仿真模拟计算了面内旋转角和 Al电极厚度对机电耦合系数、相速度和阻抗比的影响。搭建三维有限元（3D FEM）结构探究了谐振器带内的横向模式与半周期的关系，并对比了两种小锤结构对横向模式的抑制作用，小锤结构无法对 SMR 谐振器的横向模式进行有效抑制。设计了 3 种加权谐振器结构，分别是加权无假指、加权有假指和加权有小锤。实验对比了普通谐振器与 3 种加权谐振器的性能。结果表明，3 种加权谐振器的机电耦合系数（K² ）都超过了 15%，阻抗比约为 60 dB，均对带内横向模式有明显的抑制作用。

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直插封装（SC04-06）滤波器装配工艺复杂，引脚修剪长度和装配过孔等影响端口阻抗，导致产品一致性差，不利于选频组件批量生产。表面贴装封装（SMD0705B）滤波器的体积小，装配工艺简单，但存在阻带抑制不佳问题。利用三维电磁软件对选频组件的核心声表面波（SAW）滤波器进行仿真，通过仿真结果和实物对比，验证了滤波器封装对阻带抑制的影响。提出对 SMD0705B 封装滤波器增加屏蔽罩的方法，实现了 P 波段窄带选频组件的高阻带抑制。结果表明，选频组件阻带抑制大于 40 dBc，带内波纹小于 1 dB，幅度一致性小于 1 dB，可批量生产。

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陶封微波收发组件内部裸芯片较多，为高效清理其调试后的内部异物残留，提升该类产品生产质量及效率，介绍了一种通过等离子清洗活化芯片表面后再进行二流体清洗的组合式清洗工艺。经理论分析及实验测试，结果表明，相较于传统的人工清理方法，该工艺可高效去除产品内部的异物而不产生负面影响，清洗效率提升了 22 倍，清洗后的产品满足微电子器件实验方法与程序（GJB548C-2021）的各项工艺要求，为复杂内腔环境的微波收发组件提供了一种有效的残留异物清理方案。

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提出了一种用于 Wi-Fi频段电磁能量收集的宽带电磁整流超表面。超表面单元尺寸为 34 mm×34 mm× 5 mm。所选用的肖特基二极管不仅能将射频电磁能量整流成直流能量，而且利用其在高频电路下的非线性、高阻抗特性可实现空间波阻抗与超表面之间的直接阻抗匹配，省略了复杂的匹配电路，增加了其工作带宽。之后再通过背面的滤波电路将直流电磁能量输出到负载实现能量收集的功能。中心对称的结构保证其可收集空间中任意极化方向入射的电磁波，表现出极化角度不敏感的特性，使其可适应更复杂的环境，拓宽了应用场景。

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针对现代通信系统天线的高宽带、高定向性需求，提出了在双层微带贴片上开阶梯型槽并采用微带线耦合馈电方式扩展带宽，研究了不同等分阶梯数对天线带宽的影响。采用电磁仿真软件 HFSS 对天线参数进行仿真和优化，最终确定上层贴片使用四等分阶梯设计，下层贴片使用六等分阶梯设计。仿真结果表明，天线在 7. 2~ 12. 6 GHz（相对带宽 54%）范围内的 S₁₁＜-10 dB。

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针对现代无线通信系统对高数据传输速率、低延迟等需求的增长，设计了一款应用于 Wi-Fi 7 的共面波导馈电（CPW）双频柔性 MIMO 天线。单元天线通过在单极子天线的地板上引入“L”形长枝节的方式来实现双频特性，并印刷在 LCP 柔性介质基板上。通过在两单元天线间添加两个对称的枝节，从而实现 MIMO 天线的高隔离度。天线整体尺寸为 50 mm×32 mm×0. 1 mm，实测工作频段为 2. 38~2. 6 GHz 和 4. 68~9. 83 GHz。工作频段内天线的隔离度均大于 20 dB，包络相关系数（ECC）小于 0. 002，分集增益（DG）大于 9. 999 dB。在 2. 45 GHz 和 6. 8 GHz 的比吸收率（SAR）值分别为 1. 01 W/kg 和 0. 87 W/kg，均小于国际标准。研究结果表明，该天线在未来的 Wi-Fi 7 领域具有良好的应用前景。

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采用圆盘换能器嵌圆环换能器的方式设计了收发一体的平面圆型换能器，其外部圆环换能器发射信号，内部圆盘换能器接收反射信号。分别对负责发射和接收的两个换能器的谐振频率进行理论分析，理论推导了圆盘换能器的接收灵敏度计算公式。利用有限元仿真软件确定内部圆盘水听器（接收换能器）的厚度，并调整其半径以改变面积比，从而分析了不同面积比对收发性能的影响。结果表明，当面积比为 0. 2 时，该收发一体换能器的最大发送电压响应为 177 dB，接收灵敏度为-166 dB。

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铁电隧穿结器件因其功耗低、响应快及数据读写稳定等特点在非易失性存储器研究领域备受关注。 为进一步提高铁电存储器性能，采用脉冲激光沉积技术，通过优化 BaTiO₃的生长条件，在柔性云母衬底上制备出了 7 nm 厚度的 BaTiO₃铁电隧穿结器件，并对其电学性质进行研究。研究发现柔性 7 nm BaTiO₃铁电隧穿结表现出明显的阻变特性，I?V 测试结果表现出典型的滞后特性，不同电压状态下，I?V 曲线突出明显的开关特性，读电压仅为 0. 5 V；在 R?V 测试中，以 10 ms 脉宽的方波电压测试了 BaTiO₃铁电隧穿结的电阻变化，其表现出良好的电阻滞后特性，存在明显的“存储窗口”；在保持特性测试中，电流和电阻在 300 s 内均维持在稳定状态，体现了良好的保持特性。采用不同导电机制模型对漏电流进行了线性拟合，主要表现为欧姆导电机制、空间电荷限制和肖特发射机制。 上述结果验证了柔性 BaTiO₃忆阻器的可行性，有利于高性能柔性铁电隧穿结器件的实现。

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为了提升发射电压响应和机电耦合系数以提高压电性能，基于 1-3 型压电复合材料设计了一种 3-2-2 陶瓷-空气-聚合物新型复合材料。通过分析压电陶瓷阵列的理论机电特性，结合有限元仿真软件对敏感元件进行建模和物理场计算，确定敏感元件的发射电压响应和谐振频率，并对比不同尺寸对应的频率差异以确定聚合物最优尺寸。实验结果表明，相对于传统 1-3 型压电复合材料，3-2-2 型新型复合材料换能器的机电耦合系数提高了 0. 02，发射电压响应提高了 2 dB。因此，3-2-2 型新型复合材料有望开发出高性能压电换能器。

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介绍了一种使用反射式数字全息显微镜检测压电式 MEMS 水听器中振膜结构幅频特性的方法。首先采用光学方法测量得到水听器上振膜结构的静态形貌，再利用压电材料的逆压电效应对压电薄膜施以一定区间频率的电激励，经数字全息显微镜表征动态三维形貌，记录振膜在不同频率下的动态响应情况，以获得其特征频率、 特征频率处的振型等关键信息。试验结果表明，该方法能较好地表征振膜结构的静态形貌、特征频率、振型等特性，有助于加速压电式微机电系统（MEMS）水听器的迭代开发。

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针对压电粘滑驱动中的位移回退及“粗-精”切换扰动问题，首先利用拱形驱动单元、柔性调节机构和输出台等构建压电粘滑平台，建立包含电路、机械与摩擦特性的系统动力学模型；然后将驱动单元分为驱动组和防回退组，利用定子配合法实现粘滑位移的回退抑制，同时采用开关自锁逻辑回路与时间标记过渡函数，设计面向 “粗-精”定位的平滑切换控制策略，提高粘滑运动模式切换的稳定性和效率；最后搭建实验测试系统进行验证，结果表明，与传统粘滑驱动相比，定子配合法在 X、Y 方向上的位移回退率从 22. 8%、22. 7% 降至 0. 6%、1. 1%，位移回退得到明显抑制。在切换阈值为 200 μm 时，平滑切换控制策略也能快速准确地实现“粗-精”定位，实验结果验证了回退抑制与切换控制方法的有效性。

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针对阀式压电气泵工作频率低、流量小的问题，设计了一款由压电振子直驱的谐振型气泵。首先设计了压电谐振气泵的构型，并对其结构进行仿真分析，得到结构参数对气泵输出特性的影响。初步制作了压电谐振气泵的样机，并搭建实验测试装置，研究不同结构参数下压电振子的振动特性，以及气泵流量、压力的变化规律。 基于仿真与实验的结果，确定了四臂阀片与压电振子谐振频率的匹配关系，当阀片的基频与振子一阶谐振频率接近且略高 225 Hz 时，两者的匹配性最好。优化后，当驱动电压峰峰值为 120 V、驱动频率为 1 600 Hz 时，所研制谐振型阀式压电气泵的输出流量为 1 241. 28 mL/min，输出压力为 7. 56 kPa。

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针对目前水下超声检测对超声探头结构尺寸、灵敏度及可靠性等方面的更高要求，提出了一种基于腔体绝缘体上硅工艺设计并制备微小电容式微机械超声换能器（CMUT）的方法，并通过封装完成了 CMUT 电学性能测试以及水下性能表征。测试结果表明，此方法制备的 CMUT 具有更高的良品率与一致性，且其发送电压响应级为 169. 03 dB、接收灵敏度为?211. 31 dB、相对带宽为 121%，表现出优异的灵敏度特性与指向性（?6 dB 波束宽度为 8°）。这种新型的 CMUT 制备方法为未来 CMUT 高密度集成及水下超声检测提供了理论支持与依据。

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有机磷化合物的过度使用引发严重的环境污染问题。研究表明，即使环境中的残留浓度远低于现行安全阈值，但这类化合物仍可引发各种神经系统疾病，对人类健康构成长期威胁，而研发高灵敏度、高选择性以及能快速响应的化学传感器势在必行。该文通过分子设计提高材料对分析物的传感选择性；通过电化学原位聚合获得高比表面积的材料界面，提高传感灵敏度；通过动力学拟合计算优化传感条件，提高传感响应速率并赋予其重复使用特性。最终在石英晶体微天平上实现了满足 10^-9 级别的检测限和强抗干扰能力的有机磷质量传感，可同时兼顾秒级的响应速度和可重复使用性。

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设计了一种以叠层型压电陶瓷驱动、基于三角形放大原理的压电位移放大机构，并采用有限元方法对其静、动态性能进行仿真分析。为优化机构性能，以位移放大比和结构刚度最大化为目标，考虑尺寸参数对性能的影响，利用最优拉丁超立方生成设计空间样本点并进行有限元计算。基于计算结果和克里金算法建立优化目标的代理模型，使用非支配排序遗传算法获得最优解集。优化结果表明，位移放大比较初步设计时提升了 17. 4%，刚度提升了 5. 3%。根据优化尺寸加工了实验样机并进行测试，测得所设计放大机构的位移放大比为 8. 49，与仿真值相近。

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行人惯性导航系统在解算过程中随时间产生累积误差，使定位结果发散，而使用传统的广义似然比检测（GLRT）的零速修正算法不能抑制定位误差的发散，因此提出了以低成本、高精度检测为目标，设计一种基于对地的超声波测距传感器辅助 GLRT 零速修正的方法（简称：UA-GLRT）。以标准篮球场为实验场地，利用 5 次独立重复性实验，将所设计的 UA-GLRT 算法与 GLRT 算法的有效性进行对比，且通过位置误差和闭环误差对两种零速检测算法进行评估。实验结果表明，UA-GLRT 算法相比于 GLRT 算法，其终点与起点之间的位置误差平均值由 1. 02 m 降至 0. 43 m，闭环误差平均值由 1. 19%D 降至 0. 5%D。

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提出了一种基于差分共振光声池的傅里叶变换光声光谱技术，并系统地评估了其在宽带检测和多气体同步检测方面的性能表现。通过引入干涉仪的相位调制和机械斩波器的强度调制，实现了对宽带光源的统一调制，从而实现了傅里叶变换光谱与谐振光声探测模块的高效结合。实验采用卤钨灯热光源与碳棒热光源对甲烷、 乙炔等单组分气体及其多组分混合气体进行检测，实现了在 1~20 μm 波段范围内的宽带响应。结果表明，傅里叶变换光声光谱技术融合了傅里叶变换光谱和光声光谱的优势，具备宽光谱响应、高分辨率、并行复用、无背景干扰及无波长选择的特性，可支持气体宽带检测和多气体同步检测，展现出全光谱检测的潜力，广泛适用于从可见光到红外甚至太赫兹波段的检测应用。

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针对气体绝缘开关设备（GIS）中二氧化硫（SO₂）浓度高灵敏度检测的需求，设计并构建了一种基于 LD 泵浦全固态调 Q 激光器的紫外光声气体传感器。该传感器以中心波长为 266 nm、发射功率高达 36. 93 mW 的紫外激光器为光声信号激励光源，采用体积仅 0. 39 mL 的非共振光声池对微弱光声信号进行放大增强，最终通过检测光声信号实现对 SO₂浓度的在线反演。通过优化调制频率等关键参数，传感器在室温和常压条件的 SO₂探测灵敏度可达到 286. 9 ppb（在 1 s 积分时间内实现），且实验结果表明，当延长积分时间至 100 s 时，最低检测限低至 9. 1 ppb。该光声探测传感器具有高灵敏度、良好选择性和长期稳定性，能够为 GIS 设备潜在故障的早期诊断提供高效、可靠的技术支持。

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针对支撑结构在载荷作用下产生轴力变化而影响结构安全性的现象，提出了应用光纤布喇格光栅传感器进行支撑结构状态监测方法。通过载荷设计、传感器安装、多路传感器监测、应变数据处理及热力解耦与修正，实现了结构应变状态与轴力的实时监测。试验结果说明，当温度变化超过 10 ℃时，测量应变与载荷变化吻合较好。轴力计算结果与人工测量方法的误差低于 8%，验证了应变修正方法的正确性。该方法可满足气温动态变化环境下支撑结构轴力监测的需求，为土木领域相关研究提供了重要的试验参考。

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工业铁塔广泛应用于电力高压输电线、通信天线等领域，但塔身高度和结构特点易使其成为雷击目标。雷击现象具有突发性和强破坏性，其危害与雷电信号的冲击特性相关，如电流强度大、持续时间短等。针对当前雷电监测现状，利用无源雷电流传感器采集雷电流信号，设计了一种新型红外光纤调制解调器处理雷电信号，通过 S/PDIF（Sony/Philips Digital Interconnect Format）光纤稳定传送至检测终端，实现在复杂工业环境下雷电信号的检测处理。应用 5G 技术将测量数据传输到云服务器进行分析，用户可通过手机 App 或 Web 界面访问云服务器， 实现雷电远程在线监测。实验结果表明，工业铁塔发生雷击事件时，该监测系统能够准确记录雷击时间、次数和雷电流强度。这为广泛开展雷电活动监测工作提供了一种稳定、可靠的技术手段。