电子工程系

Department of Electronic Engineering

2019年北京市自然奖提名公示-陈文华

1.项目名称:高速率移动通信系统的高能效高性能机理和方法

2.提名单位:北京邮电大学

3.提名意见:

本项目针对移动通信接入网络高速率发展的高性能高能耗挑战,围绕能耗主体的射频系统,突破了宽带高耗、复杂电路环境和多频电路调控面临的关键科学问题。发现了高频电路频变规律,建立了双频射频电路理论与方法;发现了复杂电路环境多频信号畸变的成因,建立了多域电磁调控方法;发现了多频共时电路互作用机理,建立了多频非恒包络信号三维电路调控方法。以此为基础,实现了100MHz以上带宽高速率移动通信接入网络的高能效高性能射频系统,能量效率超过55%。成果得到全球主要研究实验室和同行专家的正面评价,引领了多频高速率高能效高性能射频电路理论和技术研究,开展了系统环路试验和验证,为高速率无线移动通信接入网的低损耗绿色化发展奠定了理论基础。

对照2019年度北京市科学技术奖励办法,提名该项目申报2019年度北京市自然科学奖一等奖奖励

4.客观评价:

成果获本领域国际著名学者及由他们带领的实验室引用和正面评价;以相关成果研制的射频集成器件原理样机,在实际系统的复杂环境测试中,能效性能领先且稳定;专家鉴定达到国际领先水平。

5.项目简介:

成果属于无线通信的微波理论与技术方向。

无线移动通信接入网从第一代(1G)到第四代(4G),每十年一代,不仅颠覆了经济发展模式和科技创新模式,也变革了生活方式,成为人类社会进步的最强驱动力之一。但是,能量损耗及其急剧增长是高速移动通信的全新重大挑战,且未来T比特超高速5G和6G系统的能耗问题将更加严峻。

本成果紧抓主要矛盾,在国家973、863和自然基金支持下,针对能耗高达60%以上的射频系统开展了深入探索,20多年来,取得了高能效机理、原理和关键技术突破。主要创新成果如下:

贡献一:双频共时射频电路理论和方法

针对单频多通道并行和多频宽带的高能耗难题,发现了射频情况下电路网络本质阻抗的频率依赖性及变化规律,提出了频不变、非对称频变和对称频变三类电路结构,已成为国际上广泛采用的方法。

贡献二:超构超密电路复杂环境电磁调控理论与方法

针对超构超密电路复杂环境的能效下降难题,揭示了植入式微小结构的电磁调控机理,实现了复杂环境电磁调控增强;揭示了线路融合和功能融合机理,发展了集总、分布及其混合的超构超密电路降维途径。集成功放基站环路前后测试表明,漏极效率差小于0.45%,为可见报道的最小值。

贡献三:多频共时非恒包络信号三维协同高效功率转换理论和方法

针对共时多频宽带射频系统的能量转换效率低难题,发现了共时多频信号共通道非线性电路互作用机理,揭示了不可加性非线性时不变射频系统中多能量流的时频能规律,建立了多频非恒包络信号三维协同高效能量转换网络的构成理论和方法。系统验证表明,160MHz宽带射频系统的能量效率达到55%以上。

6篇代表作SCI他引149次,Google他引198次,单篇最高他引88次;成果被国际著名学者及其团队正面引用和采用,引领了发展;中兴通讯和汉天下测试表明,能效达到公开报道国际最高水平;以周炳琨院士为组长的鉴定委员会一致认为达到国际领先。

项目完成人:刘元安、吴永乐、陈文华、王卫民、吴帆、于翠屏、庄正、黄航

6.代表性论文专著目录

1. X. Liu, Y. Liu, S. Li, F. Wu, and Y. Wu, A three-section dual-band transformer for frequency-dependent complex load impedance, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 19, no. 10, pp. 611-613, Oct. 2009. (SCI: 000270144500003, EI: 20094512436949)

(刘鑫,刘元安,黎淑兰,吴帆,吴永乐)SCI他引:66, google他引:88

2. Y. Wu, Y. Liu, and S. Li, A modified Gysel power divider of arbitrary power ratio and real terminated impedances, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 21, no. 11, pp. 601-603, Nov. 2011. (SCI: 000296738800009; EI: 20114714532183)

(吴永乐,刘元安,黎淑兰)SCI他引:42, google他引:51

3. Z. Zhuang, Y. Wu, L. Jiao, W. Wang, and Y. Liu, Wideband balanced-to-unbalanced filtering unequal power divider with wide stopband and isolation, Electronics Letters, vol. 53, no. 13, pp. 892-894, Jun. 2017. (SCI: 000404115200040, EI: 20172603859724)

(庄正,吴永乐,焦凌霄,王卫民,刘元安)SCI他引:3, google他引: 3

4. X. Meng, C. Yu, Y. Liu, and Y. Wu, Design approach for implementation of class-J broadband power amplifiers using synthesized band-pass and low-pass matching topology, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 65, no. 12, pp. 4984-4996, Dec. 2017. (SCI: 000418391300022, EI: 20172903957223)

(孟祥宇,于翠屏,刘元安,吴永乐)SCI他引:8, google他引:12

5. H. Huang, B. Zhang, C. Yu, J. Gao, Y. Wu, and Y. Liu, Design of multioctave bandwidth power amplifier based on resistive second-harmonic impedance continuous class-F, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 27, no. 9, Sep. 2017. (SCI: 000409525900020, EI: 20173604130094)

(黄航,张博,于翠屏,高锦春,吴永乐,刘元安)SCI他引:11, google他引:15

6. W. Chen, S. Zhang, Y.-J. Liu, F. M. Ghannouchi, Z. Feng, and Y. Liu, Efficient pruning technique of memory polynomial models suitable for PA behavioral modeling and digital predistortion, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 62, no. 10, Oct. 2014. (SCI: 000344990600008, EI: 20144200098518)

(陈文华,张巳龙、刘友江、法德尔.甘努希、冯正和、刘元安)SCI他引:19, google他引:29

7.主要完成人情况表

姓名:刘元安

排名:第一

技术职称:教授

工作单位:北京邮电大学

完成单位:北京邮电大学

对本项目技术创造性贡献:

主要负责高速率移动通信系统相关微波电路理论研究及系统架构设计方面的工作,对三个科学发现点均做出了创造性贡献。发现了双频阻抗频率依赖性规律,提出了双频复阻抗匹配思路。参与设计了多种功能融合的微波无源器件和单体功率放大器。是代表性论文[1], [2],[3],[4] [5]和[6]的合作作者。

曾获国家科技奖励情况:2015年度国家技术发明奖二等奖(第一完成人)。

姓名:吴永乐

排名:第二

技术职称:教授

工作单位:北京邮电大学

完成单位:北京邮电大学

对本项目技术创造性贡献:

负责高速率移动通信系统相关微波电路理论研究方面的工作,主要对科学发现点1和2做出了创造性贡献。率先建立广义传输线法双频模型,奠定了双/多频微波电路设计的核心基础。将理论基础用于科学发现点2,设计出了多款可工作于多个频段的功能融合微波器件,是代表性论文[2]的第一作者。

曾获国家科技奖励情况:无。

姓名:陈文华

排名:第三

技术职称:副教授

工作单位:清华大学 

完成单位:清华大学

对本项目技术创造性贡献:

负责高速率移动通信系统中高效能量传输方面的研究,主要对科学发现点3做出了创造性贡献。针对功率放大器应用,建立了一套记忆多项式模型和预失真算法,为功率放大器进一步提升效率增强线性度做出了显著贡献,是代表性论文[6]的第一作者。

曾获国家科技奖励情况:无。

姓名:王卫民

排名:第四

技术职称:副教授

工作单位:北京邮电大学

完成单位:北京邮电大学

对本项目技术创造性贡献:

主要负责多频微波电路调控机理方面的研究,主要对科学发现点2做出了贡献。将耦合线作为调控结构用于功率分配器设计,扩展了设计灵活度,完成了多频、阻抗匹配功能的融入。是代表性论文[3]的合作作者。

曾获国家科技奖励情况:无。

姓名:吴帆

排名:第五

技术职称:副教授

工作单位:北京邮电大学

完成单位:北京邮电大学

对本项目技术创造性贡献:

主要负责多频微波电路方面的研究,主要对科学发现点1做出了创造性贡献。用数学方法验证了电路模型正确性,促进本成果形成完整理论体系。是代表性论文[1]的合作作者。

曾获国家科技奖励情况:无。

姓名:于翠屏

排名:第六

技术职称:副教授

工作单位:北京邮电大学

完成单位:北京邮电大学

对本项目技术创造性贡献:

主要负责高效能量传输方面的研究,主要对科学发现点3做出了创造性贡献。发现了单体功率放大器效能提升效应,设计出多款高效功率放大器原型样机。是代表性论文[4]和[5]的合作作者。

曾获国家科技奖励情况:无。

姓名:庄正

排名:第七

技术职称:无

工作单位:北京邮电大学

完成单位:北京邮电大学

对本项目技术创造性贡献:

主要负责多频微波无源器件方面的研究工作,对科学发现点2做出了贡献,设计出具有滤波及平衡到非平衡转换功能的功分器。是代表性论文[3]的第一作者。

曾获国家科技奖励情况:无。

姓名:黄航

排名:第八

技术职称:无

工作单位:北京邮电大学

完成单位:北京邮电大学

对本项目技术创造性贡献:

主要负责微波功率器件方面的研究工作,主要对科学发现点3做出了贡献。将设计出的多频传输网络用于功率放大器匹配电路,实现了高效低耗的功率放大器样机,对双/多频电路匹配理论向有源器件设计推广做出了显著贡献。是代表性论文[5]的第一作者。

曾获国家科技奖励情况:无。

8.完成人合作关系说明

第一完成人刘元安与第二完成人吴永乐的合作关系说明:

刘元安教授与吴永乐教授是代表作论文[1],[2],[3],[4]和[5]的合作作者。在研期间共同承担了973、863等重大项目,共同完成了高能效微波器件和多通道射频收发系统的研究。

第一完成人刘元安与第三完成人陈文华的合作关系说明:

刘元安教授与陈文华副教授是代表作论文[6]的合作作者。

第一完成人刘元安与第四完成人王卫民的合作关系说明:

刘元安教授与王卫民副教授是代表作论文[3]的合作作者。

第一完成人刘元安与第五完成人吴帆的合作关系说明:

刘元安教授与吴帆副教授是代表作论文[1]的合作作者。

第一完成人刘元安与第六完成人于翠屏的合作关系说明:

刘元安教授与于翠屏副教授是代表作论文[4]和[5]的合作作者。

第一完成人刘元安与第七完成人庄正的合作关系说明:

刘元安教授与庄正是代表作论文[3]的合作作者。

第一完成人刘元安与第八完成人黄航的合作关系说明:

刘元安教授与黄航是代表作论文[5]的合作作者。

第二完成人吴永乐与第四完成人王卫民的合作关系说明:

吴永乐教授与王卫民副教授是代表作论文[3]的合作作者。研究成果在移动通信系统中得到广泛应用,共同获得了中国电子学会科学技术奖一等奖。

第二完成人吴永乐与第五完成人吴帆的合作关系说明:

吴永乐教授与吴帆副教授是代表作论文[1]的合作作者。

第二完成人吴永乐与第六完成人于翠屏的合作关系说明:

吴永乐教授与于翠屏副教授是代表作论文[4]和[5]的合作作者。

第二完成人吴永乐与第七完成人庄正的合作关系说明:

吴永乐教授与庄正是代表作论文[3]的合作作者。

第二完成人吴永乐与第八完成人黄航的合作关系说明:

吴永乐教授与黄航是代表作论文[5]的合作作者。

第四完成人王卫民与第七完成人庄正的合作关系说明:

王卫民副教授与庄正是代表作论文[3]的合作作者。

第六完成人于翠屏与第八完成人黄航的合作关系说明:

于翠屏副教授与黄航是代表作论文[5]的合作作者。