36、小型介质盘加载单极子天线与最优 n 位 ALU 的设计

小型介质盘加载单极子天线与最优 n 位 ALU 的设计

在当今科技领域，天线小型化技术和光学计算电路的设计都备受关注。下面将分别介绍小型介质盘加载单极子天线以及基于交叉开关门的最优 n 位算术逻辑单元（ALU）的相关内容。

小型介质盘加载单极子天线

单极子天线的长度与天线谐振频率成反比。在不改变天线长度的情况下降低谐振频率是研究界的一项关键任务，因为这会对辐射方向图、增益、带宽和效率等产生不利影响。

单介质盘加载单极子天线

• 天线结构描述
  • 单极子结构的长度（L）为 36.00mm，直径（D）为 1.00mm。
  • 采用矩形铜接地平面构建天线，尺寸为 50.00mm × 50.00mm × 0.90mm ，其有限电导率为 5.8 × 10⁷ Siemens/m。
  • 为抵消单极子天线谐振频率以下的电容效应，引入圆形介质盘替代导电环。使用 RT/Duriod 6010LM 基板（ε = 10.2，δ = 0.0023），介质基板的直径（D2）为 21.00mm，厚度（t）为 2.54mm。天线模拟使用全波电磁求解器 Ansys HFSS v.19.2 进行。
• 等效电路模型
  • 单介质盘加载单极子天线的等效电路模型参数如下：L1 = 10.87nH，L2 = 0.2683nH，R1 = 42.1Ω，R2 = 1 × 10⁻⁸Ω，C1 = 1.001pF。使用 NI AWR 软件对电路模型进行分析。
• 结果与描述
  • 谐振频率 ：未加载介质盘的单极子天线模拟谐振频率为 1.99GHz，加载介质盘后的模拟谐振频率为 1.49GHz，实测普通单极子天线谐振频率为 1.98GHz，加载介质盘后为 1.47GHz，与普通单极子相比，谐振频率降低了 25.75%。
  • 带宽 ：顶部加载介质盘的 -10dB 带宽为 20.66%。
  • 辐射特性 ：归一化辐射特性显示，E 面和 H 面的交叉极化水平均低于可接受值，介质盘使天线能够以分布式和对称方式高效辐射，不会扭曲辐射特性。
  • 效率和增益 ：使用 Wheeler Cap 方法测量效率，实测效率为 97.41%，增益为 -1.26dBi。

以下是单介质盘加载单极子天线的相关参数表格：
|参数|数值|
| ---- | ---- |
|单极子长度（L）|36.00mm|
|单极子直径（D）|1.00mm|
|接地平面尺寸（LG × WG × H）|50.00mm × 50.00mm × 0.90mm|
|介质盘直径（D2）|21.00mm|
|介质盘厚度（t）|2.54mm|
|未加载单极子模拟谐振频率|1.99GHz|
|加载单极子模拟谐振频率|1.49GHz|
|未加载单极子实测谐振频率|1.98GHz|
|加载单极子实测谐振频率|1.47GHz|
|带宽（-10dB）|20.66%|
|效率|97.41%|
|增益|-1.26dBi|

双介质盘加载单极子天线

• 天线结构描述 ：双介质盘加载单极子天线的尺寸与单介质盘加载天线类似，只是在单极子天线顶部使用了两个相互平行的介质盘。
• 等效电路模型
  • 对于介质材料，参数为 L1 = 7.09nH，L2 = 111.5nH，L3 = 8.862nH，R1 = 1 × 10⁻⁵Ω，R2 = 165.1Ω，R3 = 42.45Ω，C1 = 0.023pF，C2 = 0.9278pF。
  • 对于导电材料，参数为 L1 = 0.7855nH，L2 = 565.1nH，L3 = 11.01nH，R1 = 1 × 10⁻¹¹Ω，R2 = 0.1Ω，R3 = 39.22Ω，C1 = 1 × 10⁻⁹pF，C2 = 1.482pF。
• 结果与描述
  • 谐振频率 ：模拟谐振频率为 1.31GHz，实测谐振频率为 1.29GHz，谐振频率降低了 34.84%。
  • 带宽 ： -10dB 带宽为 22.52%。
  • 辐射特性 ：模拟和实测的辐射特性显示，E 面和 H 面的交叉极化水平均远低于 -20dB，双介质盘的引入对辐射特性没有负面影响。
  • 效率和增益 ：实测效率为 97.18%，增益为 -1.58dBi。

以下是双介质盘加载单极子天线的相关参数表格：
|参数|数值|
| ---- | ---- |
|模拟谐振频率|1.31GHz|
|实测谐振频率|1.29GHz|
|谐振频率降低率|34.84%|
|带宽（-10dB）|22.52%|
|效率|97.18%|
|增益|-1.58dBi|

下面是单极子天线小型化的流程图：

graph LR
    A[单极子天线] --> B[单介质盘加载]
    A --> C[双介质盘加载]
    B --> B1[等效电路分析]
    B --> B2[结果测试]
    C --> C1[等效电路分析]
    C --> C2[结果测试]

基于交叉开关门的最优 n 位 ALU 设计

在光学计算领域，由于光子学产业不仅能够在芯片上进行高速逻辑计算，而且超高速光学设备和低功耗互连在设计逻辑组件方面易于进入市场，因此受到了广泛关注。

背景

• 光学电路 ：如果电路的所有组件和互连都使用光学设备设计，则该电路可称为全光电路。
• 光束组合器和光束分离器
  • 光束组合器（BC）：将多个信号组合成一个高强度光信号，通过添加所有输入信号的波长实现。
  • 光束分离器（BS）：将高强度信号分解成低强度信号，但大量使用 BS 会降低信号强度。
• 光学成本和延迟 ：全光表示的总成本是设计中交叉开关门的数量，而延迟是从门获得输出所需的时间。如果 n 个交叉开关（门）串联连接，则延迟会相应增加。

设计思路

• 提出使用交叉开关门设计高效的 n 位 ALU，该 ALU 包含最佳数量的光学组件，并能以最少的时钟周期运行。
• 引入所需的光学模块，如加法器和乘法器。

在设计过程中，主要关注使 ALU 架构在较少的时钟周期内运行，并使用最少的硬件组件构建。还利用之前基于 TOAD 的设计减少了光学 ALU 模块的设计开销。

综上所述，小型介质盘加载单极子天线通过使用介质盘有效降低了谐振频率，实现了天线的小型化，同时保持了良好的辐射特性和效率。而基于交叉开关门的最优 n 位 ALU 设计为光学计算电路的发展提供了新的思路，有望在未来的高速计算领域发挥重要作用。

小型介质盘加载单极子天线与最优 n 位 ALU 的设计（续）

基于交叉开关门的最优 n 位 ALU 设计（续）

具体设计实现

• 交叉开关门的选择依据 ：选择交叉开关门来设计 ALU 是为了减少设计开销。在众多光学设备和互连中，如太赫兹光学非对称解复用器（TOAD）、马赫 - 曾德尔干涉仪（MZI）等，交叉开关门在降低设计复杂度方面具有独特优势。它能够以更简洁的方式实现逻辑功能，避免了一些其他设备可能带来的复杂架构。
• 加法器模块设计 ：加法器是 ALU 中的重要组成部分。在设计加法器时，结合了交叉开关门的特性，构建了一个高效的加法电路。例如，对于两个 n 位二进制数的加法运算，通过合理配置交叉开关门的连接方式，实现了逐位相加并处理进位的功能。具体操作步骤如下：
  1. 将两个 n 位二进制数分别作为输入信号接入加法器电路。
  2. 每个交叉开关门根据输入信号的状态进行相应的逻辑操作，判断当前位的相加结果以及是否产生进位。
  3. 通过一系列交叉开关门的级联，将进位信息传递到下一位，最终得到完整的加法结果。
• 乘法器模块设计 ：乘法器的设计同样基于交叉开关门。对于两个 n 位二进制数的乘法运算，采用了分步相乘和累加的方法。具体操作步骤如下：
  1. 将其中一个乘数的每一位与另一个乘数进行相乘，得到一系列部分积。
  2. 使用交叉开关门构建逻辑电路，对这些部分积进行移位和累加操作。
  3. 通过合理安排交叉开关门的连接和控制信号，确保最终得到正确的乘法结果。

以下是 ALU 中加法器和乘法器设计的操作步骤表格：
|模块|操作步骤|
| ---- | ---- |
|加法器|1. 接入两个 n 位二进制输入信号
2. 交叉开关门进行逻辑操作判断相加结果和进位
3. 级联交叉开关门传递进位信息得到最终结果|
|乘法器|1. 计算部分积
2. 交叉开关门构建电路进行部分积移位和累加
3. 得到正确乘法结果|

实验结果

通过实际实验对设计的 n 位 ALU 进行了测试，得到了以下结果：
- 光学成本 ：由于采用了交叉开关门，且在设计过程中尽量减少了不必要的组件，使得整个 ALU 的光学成本得到了有效控制。具体表现为所需的交叉开关门数量相对较少，降低了全光表示的总成本。
- 延迟 ：在最少的时钟周期内完成了逻辑运算，说明该 ALU 的延迟较低。这得益于交叉开关门的快速响应特性以及合理的电路架构设计，使得信号能够在较短的时间内通过各个模块并得到输出。
- 功能验证 ：对 ALU 的各种功能，如加法、减法、乘法、除法以及逻辑运算（如 AND、XOR、XNOR 等）进行了全面测试，结果表明该 ALU 能够准确无误地完成这些运算，验证了设计的正确性和可靠性。

以下是 ALU 实验结果的表格：
|指标|结果|
| ---- | ---- |
|光学成本|有效控制，交叉开关门数量少|
|延迟|低，在最少时钟周期内完成运算|
|功能验证|能准确完成加法、减法、乘法、除法及逻辑运算|

下面是基于交叉开关门的 n 位 ALU 设计的流程图：

graph LR
    A[设计需求] --> B[选择交叉开关门]
    B --> C[设计加法器模块]
    B --> D[设计乘法器模块]
    C --> E[加法器功能测试]
    D --> F[乘法器功能测试]
    E --> G[整体 ALU 功能测试]
    F --> G
    G --> H[评估光学成本和延迟]

应用前景与展望

• 单极子天线小型化的应用 ：小型介质盘加载单极子天线具有广泛的应用前景。在汽车领域，可用于设计汽车上的 GPS 系统天线、车与车之间的通信天线以及 GSM 或 CDMA 操作天线等。其小型化的特点使得天线可以更方便地安装在汽车上，同时保持良好的性能。在其他一些对空间要求较高的场合，如小型无人机、手持设备等，这种小型化天线也能发挥重要作用。
• 最优 n 位 ALU 的应用 ：基于交叉开关门的最优 n 位 ALU 在高速计算领域具有巨大的潜力。随着信息技术的不断发展，对计算速度和效率的要求越来越高。该 ALU 能够以最少的时钟周期完成逻辑运算，且具有较低的光学成本，非常适合应用于高性能计算机、数据中心等需要高速处理大量数据的场景。同时，在一些对功耗有严格要求的设备中，如移动终端、物联网设备等，其低功耗的光学组件特性也能满足这些设备的需求。

未来，我们可以进一步优化单极子天线的小型化技术，探索更多新型介质材料的应用，以进一步降低谐振频率和提高天线性能。对于基于交叉开关门的 ALU 设计，可以继续研究如何进一步减少光学成本和延迟，提高其在不同应用场景下的适应性和稳定性。总之，这两项技术的发展将为通信和计算领域带来更多的创新和突破。