张波

个人信息Personal Information

教授 博士生导师

主要任职:IEEE高级会员;太赫兹技术教育部重点实验室副主任

性别:男

毕业院校:电子科技大学

学历:博士研究生毕业

学位:工学博士学位

在职信息:在岗

所在单位:电子科学与工程学院(示范性微电子学院)

入职时间:2007-04-06

学科:电磁场与微波技术

办公地点:电子科技大学清水河校区科研1号楼C313-1

曾获荣誉:(1)获国家优秀青年基金;(2)“挑战杯”大学生电子大赛四川省一等奖(指导教师排名第1);         (3)国家技术发明二等奖(排名3);(4)国防技术发明一等奖(排名3);(5)军队科技进步二等奖(排名1);(6)四川技术发明一等奖(排名3);(7)中电-教书育人奖教金特等奖;(8)太赫兹通信技术国防创新群体;(9)获成电十大先进科研工作者称号。

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研究领域

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(1) 常温固态太赫兹连续波源技术

贡献:太赫兹技术的发展,首先是重点解决高精度源的问题。针对太赫兹高分辨雷达和通信系统应用需求,研究了常温固态太赫兹连续波源的总体方案和实现技术,研究了太赫兹平面肖特基势垒二极管非线性模型的精确模型,提出了太赫兹高效倍频电路拓扑结构,掌握了太赫兹倍频器的优化方法,解决了固态太赫兹关键技术的工艺难题,突破了太赫兹连续波频率源的关键技术,研制了连续波太赫兹源,并开展了实验研究;打破了国外技术封锁,提高了自主创新能力,形成了自主知识产权,相关技术水平达到国际先进,为我国太赫兹技术的发展和太赫兹系统的应用奠定技术基础,提供技术支撑。打破了太赫兹二极管的国际封锁,自主研发了多款国产的太赫兹二极管,并基于国产二极管完成了模块研制,指标达到国际先进水平,目前已应用于太赫兹雷达和通信系统中。全国产太赫兹二极管如图1所示。

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图1 全国产太赫兹反向并联二极管对

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图2 全国产太赫兹倍频二极管对

评价:牵头承担了国家军口863首个固态太赫兹源重点项目,在军口太赫兹领域项目验收评分中,于2013和2014年度连续两年评分全国第一。在0.4THz以上频段实现连续波输出功率大于10mW,工作带宽大于10GHz,已应用于太赫兹高分辨雷达系统中。同时此技术获得了十三五军委科技委创新特区继续支持,资助其重点解决系统小型化、进一步提高集成度,并应用于太赫兹雷达更高频段系统中,获资助项目名称为太赫兹连续波倍频源太赫兹雷达成像技术研究。此技术于2017年获军队科技进步二等奖(排名1)

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图3 420GHz倍频放大链路

(2) 太赫兹低噪声超外差接收技术

贡献:针对解决太赫兹雷达和通信系统中信号高质量接收的问题,突破了亚毫米波低损耗分谐波混频的关键技术,完成了亚毫米波雷达接收机的整体设计和研制。研发的太赫兹分谐波混频器工作中心频率分别位于220GHz、340GHz、380GHz、440GHz、640GHz等频段,本振频率30GHz,工作带宽均大于40GHz,变频损耗10~12dB。

评价改进了亚毫米波混频二极管低损耗混频非线性精确模型。根据混频二极管器件的物理工作机理及寄生参数非线性分析,构建了混频二极管分谐波混频非线性模型。在国外已有先进模型的基础上进行改进,首次提出了建立矩形同轴探针结合离子注入结构的二极管三维电磁模型,结合二极管结的非线性模型,建立了更为精确的太赫兹混频二极管非线性模型。为以后的研究奠定了理论基础。提出了适合太赫兹频段加工工艺的新型太赫兹分谐波混频器电路结构。根据建立的太赫兹混频二极管电磁三维模型,针对国内加工工艺对二极管模型以及分谐波混频器电路结构进行容差分析,提出了一种新型的适合太赫兹频段加工工艺的太赫兹分谐波混频器一线式电路结构,此技术同样适用于更高的太赫兹混频器甚至倍频器的研究中,为后期研发积累了经验和方法。

基于此关键技术及研制的核心模块,搭建了太赫兹ISAR成像雷达接收机前端,如图4所示。

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图4 太赫兹雷达接收机前端实物图

(3) 太赫兹前端单片集成技术

贡献:针对解决太赫兹小型化和一致性等问题,重点对太赫兹源的关键模型进行研究。此研究对于突破太赫兹非线性器件高效率的技术难题具有极大的推动作用,将更精确的指导太赫兹源的设计,提高了我国太赫兹固态技术的基础研究水平和自主创新能力,具有重要的科学意义;同时可为太赫兹高分辨雷达和太赫兹高速大容量通信系统奠定理论基础,对打破国外技术封锁,应用于军事和民用电子系统,具有重要的现实意义;同时又能够有力推动国内太赫兹半导体材料和器件的发展,促进学科交叉,具有重要的长远意义。

评价:实现了多个国内首次报道的太赫兹单片集成电路,频率覆盖0.2~0.6THz,对太赫兹系统前端小型化奠定了技术基础,部分电路已经应用于太赫兹雷达和通信系统中。实现的太赫兹单片电路如图5所示。

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图5 太赫兹单片集成电路

(4) 太赫兹系统集成技术

1)辐射计技术

贡献:主要突破的关键技术:太赫兹临边探测仪多频段辐射计总体技术、太赫兹低噪声接收技术、太赫兹频率源技术、系统定标技术、太赫兹多频段多通道辐射计原理样机集成与实验。最核心的425GHz分谐波混频器如图6所示。

评价:针对中国气象局明确提出的对静止轨道微波探测星风云四号的应用需求,研究了183GHz、220GHz、340GHz、380GHz和425GHz等多个太赫兹频段的辐射计体系结构,突破了太赫兹辐射计关键技术,研制了太赫兹辐射计原理样机,形成了具有自主知识产权的核心技术和自主研制能力;支撑了太赫兹大气探测等重大工程,提升大气探测能力。

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图6 340GHz分谐波混频器内部电路及其实物图

2) 太赫兹目标特征提取与多维分析技术

贡献:针对未来作战中精确打击和目标识别等作战需求,开展了太赫兹频段目标特征提取与测距测速测角等多维信息分析技术研究,突破了粗糙样片的特性测量和太赫兹散射分布函数建模、电大尺寸粗糙目标的太赫兹波散射高性能计算、太赫兹波段目标回波误差高精度补偿、通道间ISAR图像精确配准和基于三维ISAR成像的目标多维特征提取等关键技术,完成了太赫兹频段的目标散射建模技术论证与仿真计算,以及特征提取与多维信息分析,通过论证系统的组成、参数设计和指标分配,研制隐身目标探测和特征提取的实验测试平台,为未来目标精确识别与高效打击的工程应用奠定基础。目前已完成了多个频段的太赫兹成像原理样机,并对多个目标进行的成像,如图7和8所示。在2011-2016年承担了国家863军口重点项目,提出了新型的非相参源实现相参雷达的THz雷达探测系统的总体方案,研制了多个频段的太赫兹ISAR成像系统,系统中的太赫兹倍频器、太赫兹混频器等核心器件均为全自主研发,指标达到国际先进水平。

评价:863专业组对项目工作给予了高度评价,认为研究工作对发展THz技术具有牵引作用,为进一步开展THz雷达探测系统技术研究奠定了良好基础。该成果获2019年度四川省技术发明一等奖。

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图7 太赫兹ISAR成像雷达

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图8 太赫兹ISAR雷达成像图

3) 太赫兹高速无线通信技术

贡献:在国家863重大项目、国家自然基金重大研发计划等项目的支持下,经过了十余年的技术攻关,突破了从器件、部件、系统到集成应用的关键技术,形成了全自主可控的知识产权和技术体系。

针对太赫兹固态器件输出功率低,难以实现远距离通信的技术瓶颈,发明了新型太赫兹二极管三维电磁精确建模方法,研制出国内第一个太赫兹反向并联二极管对,基于国内器件研制出太赫兹倍频发射前端,将国内太赫兹220GHz频段固态发射功率提高了20倍(从0.5mW提高至10mW),打破国际封锁,使我国远距离太赫兹高速无线通信全国产化成为可能。并基于全自主研发的固态器件,研制出了国内第一个单路实时传输速率达到10Gbps的具有自主知识产权的太赫兹高速通信系统,如图8所示。该成果被教育部推荐参加了国家十二五科技创新成就展。

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图9 全固态太赫兹高速无线通信系统

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图10 该成果教育部推荐参加国家十二五科技创新成就展

评价:该成果打破国外技术封锁,填补了国内空白,具有自主知识产权,共获中国授权发明专利32项,发表SCI论文21篇,出版了中国第一部太赫兹通信技术专著(《太赫兹通信技术导论》),经权威检测和成果鉴定:该成果技术难度大、创新性强,取得了近百项自主知识产权,从器件到系统技术自主可控,太赫兹高速通信技术与系统整体水平达到国际先进,太赫兹二极管达到国际领先水平。该成果2018年度获国防技术发明一等奖。

该成果为我国空间信息网络通信速率从1Gbps提高至10Gbps发挥了关键作用,为我国卫星遥感数据海量实时传输提供了技术支撑;通过航天5院503所、504所、航天8院802所、804所、航天2院23所、中国电科集团13所、30所、54所和50所等国防重点单位,本成果成功应用于高速空间通信工程作战指挥的高清视频实时传输等国防重大工程中;本成果还入选国家十二五科技创新成就展,并成为中国载人空间站工程关键技术。本成果形成的具有自主可控的太赫兹高速通信技术体系,直接推动了我国太赫兹通信在国防和民用领域应用的发展。