微波射频领域的“设计先行官”
——记英联微波公司总裁、首席设计师胡南
在微波、射频领域,有这样一位国际顶尖的专业设计人士——他设计的天线、波导器件、微波器件等各类产品多达数千种,被超过65个国家的航天、航空、国防、气象、医疗、通信、汽车等几十个行业广泛采用,作为第一发明人身份,他已授权和正在申请的产品专利达到56项,其中发明专利4项,实用新型专利4项,外观专利43项,软件著作权5项……由于设计的产品始终保持在本领域的技术前沿水平,填补了国际国内高端产品的大量空白,他被誉为微波射频领域的“设计先行官”,他就是英联微波公司总裁、首席设计师、设计总监胡南。
LB-7180-SF超宽带天线
突破频率覆盖的世界难题
胡南2001年从成都信息工程大学电子工程系毕业以来,一直从事微波、射频产品设计,并于2001年创立了英联微波公司,专业从事微波、射频产品的设计和制造,致力于将行业最新技术工程化和产业化。由于技术领先、成果丰硕,他也成为IEEE(电气和电子工程师协会)高级会员、中国电子学会天线分会专家委员、中国电子学会青年科学家俱乐部会员,并同时担任5家国际顶尖SCI学术杂志的审稿专家。
随着无线通信和雷达系统的不断完善发展,行业对天线性能提出了体积小、重量轻、制作简单和宽频带等特性要求,超宽带天线技术应运而生。在这个领域,我国出现了不少研发设计水平国际领先,为科研、船舶工业、精密测试等多个领域作出重要贡献的专家。其中,由胡南研发设计的LB-7180-SF超宽带天线突破频率覆盖的世界难题,受到业内广泛关注。
在超宽带喇叭天线领域,高频段1GHz~18GHz的设计相对容易,但是在低频段要覆盖1GHz以下,同时还要兼顾高增益、低驻波和小尺寸,难度就很大。尤其是低频段的天线意味着更大的尺寸,比如选用750MHz~1.12GHz的标准增益喇叭天线,1只天线的长度就达到大约800mm,会占用暗室大部分的空间,并且如果要测试750MHz~18GHz的所有频率特性,测试时一共需要8只天线,导致暗室的成本上升,同时实验的效率降低,这个问题长期困扰着实验室的方案设计师和实验人员。国际上也有其他厂家或设计师试图解决这个问题,但是到目前为止出现的几款产品,低频段驻波都很高,而且12GHz以上高频段的方向图容易出现开裂的情况,无法满足工程实际应用。
胡南研发设计的LB-7180-SF超宽带天线频率覆盖范围是700MHz~18GHz,全频段驻波比典型值仅为1.5:1,天线最长尺寸244mm,外观轻巧,频率覆盖宽,1只天线就可以替换掉8只标准波导频段的天线,能节省80%的空间,完美解决行业面临的诸多问题。这一设计已经申请专利,并已通过中华人民共和国国家知识产权局授权。
因为它的技术优势,这款LB-7180-SF超宽带天线技术不仅广泛运用于我国各领域,解决了我国多方面技术难题,还被欧美政府和企业引进采用。
宽带双极化天线
各项技术指标世界领先
在胡南所持有和申请的56项专利中,双极化天线也是目前在国际上非常顶尖的。双极化天线是一种新型天线技术,在军事、通信、气象、精密测量测试、EMC/EMI等领域应用广泛,灵活面对各种复杂条件。普通的天线采用线极化形式,在极化匹配良好时天线处于较好工作状态,但极化失配的情况下,天线的方向图、增益等技术指标将受很大影响,甚至无法正常工作。极化失配现象是指,接收天线的极化方式只有同被接收的电磁波极化形式相一致时,才能有效地接收到信号,否则将使接收信号质量变差,甚至完全收不到信号。常见的一个场景是,当接收卫星电视信号时,需要进行对星操作,才能顺利接收到准确清晰的信号,这其中重要的一步就是调整卫星接收器上的高频头进行极化角调节对准。当信号的极化形式未知时,即使天线采用斜45度极化放置方式,极化失配问题依然显著,且天线在这种情况下组阵后的方向图受大地影响和相互之间的耦合都较大,有些频率点甚至出现方向图畸变的现象,严重影响总体测向精度指标,这一点在频率低端(几百MHz)尤为显著。
双极化天线解决极化失配的一个典型应用,是在现代气象探测中关于云的探测。由于云中成分比较复杂,有呈近似球体的水粒子,也有不规则外形的冰粒子,所以云对单个极化方向的入射电磁波会产生不同极化的反射回波。为探测这些反射回波,要求在测云雷达的接收天线中能够实现同频双极化接收,通过检测退极化比进而可以反演出云中颗粒的具体形态。
双极化天线在材料电磁参数测试领域有广泛应用。中国著名的上市公司福耀玻璃,因此找到胡南,要求设计一款双极化对数周期天线,频率覆盖100MHz~3GHz,用来测试其产品的材料电磁参数。通过双极化天线测量待测材料的电磁噪声,分别给出接收到的电磁波垂直分量和水平分量,完整地得到材料的电磁特性。厂家之前考察过美国、欧洲等在这个行业顶尖的公司,但这些厂家的产品,其频率只能覆盖到1GHz,增益和驻波在全带内起伏较大,同时天线非常笨重,达到18KG,无法满足其生产测试需求。厂家提出的要求不低,不过胡南在半年内就完成了该天线的设计,将增益提高的同时降低了驻波,并把频率覆盖到4GHz,而天线重量仅有5KG。这款天线,不仅厂商非常满意,美国的竞争对手知道后也称赞有加。这个设计已由胡南申请专利,并已通过中华人民共和国国家知识产权局授予专利。
胡南设计并拥有专利的几款宽带双极化喇叭天线被包括华为、爱立信、诺基亚和高通公司在内的全球几大5G设备公司广泛采用,用于测试他们即将推出的5G天线和系统设备。胡南设计的天线以极高的精度、完美的技术指标、精巧的结构设计征服了这些世界一流的科技公司,极大提高了这些顶尖科技公司的数据测试精度,为他们的产品性能和推广实施提供了坚实的技术保障。
高精度波导产品
已达国际一流水平
矢量网络分析仪(VNA)是射频、微波领域最常见也是最重要的仪器,是测量网络参数的一种新型仪器,可直接测量有源或无源、可逆或不可逆的双口和单口网络的复数散射参数,并以扫频方式给出各散射参数的幅度、相位频率特性。对矢量网络分析仪进行校准是非常重要的一环,VNA在测量设备时,需要先执行测量校准。原因是重要且显而易见的:没有校准的测量将是有缺陷的。比如源和负载匹配误差,源信号耦合泄露,外部电缆连接对频率响应的影响等。必须在正式测试之前,经过校准来修正这些缺陷。
在2015年的一次招标中,胡南按要求成功生产出了高精度、配备精密滑动负载的矢量网络分析仪波导校准件,同时,他还进一步把750MHz~110GHz所有波导段的校准件都设计生产出来,并应对不同的校准方法推出了4大系列。不但如此,他还通过繁复精心的测试研制,给校准件配套了专业软件,使其可以同时在国际各大厂商不同型号的矢量网络分析仪上使用。通过这次招标活动,胡南设计的产品不仅满足了项目方对波导校准件的生产要求,更奠定了自己在国内乃至国际同类产品市场上的领先地位。
高精度波导器件能够得到业界顶尖公司的认可,这一方面得益于胡南坚实的理论积累,另一方面则与英联微波公司注重技术储备息息相关。胡南设计了琳琅满目的系列波导产品,各类产品加起来多达数千种。他对于每种波导器件的性能和设计都了然于胸,始终保持在本领域的技术前沿水平,他的很多设计填补了国内高端产品的空白。他设计了频率高达325GHz的太赫兹波导器件,并实现了量产,这款产品至今仍是国内最早实现量产的成功案例。
凭借技术和设计经验
抓住5G毫米波时代机遇
第五代移动通信系统(5th generation mobile networks,简称5G)将于2020年正式商用,毫米波技术由于可以通过提升频谱带宽来实现超高速无线数据传播,成为5G通讯技术中的关键之一。毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波,其频率大约在30GHz~300GHz之间。根据通信原理,无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的5%左右,因此载波频率越高,可实现的信号带宽也越大。在毫米波频段中,28GHz频段和60GHz频段是最有希望使用在5G中的两个频段。28GHz频段的可用频谱带宽可达1GHz,而60GHz频段每个信道的可用信号带宽则达到了2GHz。相比而言,4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下,而可用频谱带宽只有100MHz。因此,如果使用毫米波频段,频谱带宽轻轻松松就翻了10倍,传输速率也可得到巨大提升。
毫米波并不是一个全新的概念和技术,它的难点在于技术经验和工业设计,如果没有具备深厚的理论基础和设计技巧,很难做出合乎要求的产品,更不用说能有所创新。同时,由于高端高频测试仪器设备的禁运问题,国内在很长一段时间内都只是发展和应用40GHz甚至18GHz以下的微波产品,这使得众多厂家没有办法提供成熟的毫米波产品和应用方案。胡南一直以来都非常注重毫米波产品的研发和市场,这方面的优势将在5G应用中抢得先机。华为、中兴、大唐电信、高通、爱立信、诺基亚、罗德与施瓦茨等在5G通信行业内制定标准和提供系统设备的公司,和英联微波公司都有长期稳定的合作关系。近几年,他们在5G的应用场景下都使用了英联微波的天线和波导产品。
胡南领导下的英联微波公司在深刻了解市场客户需求的基础上推出产品,而客户从胡南的技术中受益,双方实现双赢的目标。胡南表示,只有不断学习实践,加强技术积累,提高自身的技术能力,才能在客户有需求的时候发生共振。天线和波导器件,在微波领域虽然外形不是大设备,但却像是整个系统的手脚和眼睛,有着“先行官”一样的角色,只有提供优异性能的产品,才能实现系统预定的目标。随着5G通信和军用民用微波市场近年迎来迅速的发展,英联微波公司和胡南在此独特的背景和优势下,不忘初心,以技术为本,致力于技术创新,以满足新兴微波技术和市场应用新需求。
用中国制造服务全球
顶尖厂商和科研机构
胡南设计的天线和波导产品线丰富,可以满足不同测试测量系统应用场景里面的天线要求。针对EMC暗室领域,有标准化的天线系列提供给市场,包括标准增益喇叭天线和开口波导探头。这些传统的常规天线产品,可以满足近场测试、远场场景和紧缩场测试的需求,对待测设备的电磁参数进行测试测量。针对航空航天和国防领域,胡南也提供定制化的解决方案和系统集成。在不同的场景下,胡南凭借多年的技术积累和生产实践,都有相应的天线和波导产品去支持,以满足不同区域、不同市场和不同行业的需求。
高端设计不断取得成功的技术优势,使胡南在众多产品上领先的技术得以融汇贯通和拓展。产品在效率、准确性等方面为客户项目的高效实施提供了保证,他所领导的英联微波公司因此与国际国内的各大院校、科研机构、行业里的顶尖公司,如华为、CETC、东南大学、清华大学等建立了密切的合作。
胡南还将产品送到包括中国计量科学研究院NIM和美国NSI公司在内的国际知名测试系统提供厂商进行测试,将产品的测量标准和结果都溯源到国际最高计量标准,引入权威第三方评价体系,以确保产品在国际范围内的技术竞争力,这些努力都收到了预期的效果。(肖剑雄)
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