Electronics 2020 封面文章合辑 | MDPI 编辑荐读

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本期精选了2020年发表在Electronics 期刊的12篇封面文章，主题涉及智慧能源与物联网、可穿戴监测设备、5G通信技术、毫米波电路系统、天线传播的数值方法和测量、电动车精确定位技术、半导体设备、RF系统滤波器设计、CMOS功率放大器设计与应用等方面，希望能为相关领域学者提供一些有益参考。

2020封面文章目录

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01月   综述：通过系统映射研究智慧能源中的边缘计算

02月   可监测多种生命参数的穿戴式智能设备——VITAL ECG

03月   5G网络仿真技术综述研究：最新成果、分析和未来挑战

04月   采用55 nm SiGe BiCMOS技术的10 GHz全差分Sallen-Key低通双二阶滤波器

05月   神经形态应用下，铁电门控场效应晶体管中极化诱导阈值电压偏移的研究

06月   4G/5G背景下，基于响应静电磁场线微米级导电粒子可重构天线的新型结构表征

07月   具有边缘和宽带耦合混合配置的Ka波段马相巴伦

08月   结合超宽带测距技术和车载传感器的自动驾驶车辆的精确定位

09月   超宽带低成本高效腔背复合螺旋天线

10月   基于第二代受控电流传输器的紧凑型宽带RF-VGA

11月   低温外延生长AlN介电栅极的硅基AlGaN/GaN MISHEMT的演示

12月   WIoTED：基于IoT的便携式平台，支持使用可穿戴设备的学习过程

01月封面导读

A Review on Edge Computing in Smart Energy by means of a Systematic Mapping Study

综述：通过系统映射研究智慧能源中的边缘计算

Inés Sittón-Candanedo et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9010048

智慧能源是一个颠覆性概念，它促成了新能源政策的出现，带动了新能源技术和商业模式的发展。智慧能源通过对分布式能源发电/储存、智能仪表安装等方向进行研究，来降低消耗和实施成本，进而提高电力系统的运行效率。本文以智慧能源为例，对能源系统中实施的相关创新技术、发展现行系统策略等进行研究；对于现有系统中的诸多问题提出了相关见解，如智慧能源系统中的集成问题及边缘计算等问题；采用系统文献映射的方法，遵循Kitchenham和Petersen建立的指南，回顾了智慧能源开发场景下边缘计算解决方案的最新研究进展。该研究可为智慧能源环境构架边缘计算问题提供进一步的指导。

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02月封面导读

A Wearable Smart Device to Monitor Multiple Vital Parameters—VITAL ECG

可监测多种生命参数的穿戴式智能设备——VITAL ECG

Vincenzo Randazzo et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9020300

智能设备越来越多地出现在日常生活中，健康监测是它的一项重要应用，其中的典型设备当属睡眠监测系统或记录生命参数的特定传感器。通过这类设备，人们可以自动采集和监测体征参数，甚至实现远程监测等功能。基于此，本文介绍了一种名为VITAL ECG的第二代智能可穿戴式设备，它可通过“一键式”的操作方式，在任何地方任何地点实现低成本监测生命体征的重要功能；结合手机APP，VITAL ECG更可以实现实时检测，如采集心电图、血氧饱和度、皮肤温度等参数以及监测患者的身体活动。在与标准医疗设备 (以标准心电图仪为例) 的对比实验中，VITAL ECG展现出毫不逊色的性能，对比结果也进一步证实了VITAL ECG的有效性。

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03月封面导读

A Comprehensive Study on Simulation Techniques for 5G Networks: State of the Art Results, Analysis, and Future Challenges

5G网络仿真技术综述研究：最新成果、分析和未来挑战

Panagiotis K. Gkonis et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9030468

本文对第五代 (5G) 无线蜂窝网络的仿真技术和最新成果进行了全面研究。对5G系统的性能进行精准评估及对无线网络进行规划一直是一项计算量巨大的任务，过程中需将各种参数 (包括上行链路和下行链路中可达到的吞吐量、平均误码率、活动用户数、中断概率、切换率、延迟、等待时间等) 合并到系统和链路级别仿真中。与其他蜂窝接口 (大规模MIMO架构、毫米波传输、NOMA) 相比，5G系统需要更准确、更真实的信道状态信息和整体干扰信息；高度定向波束数量的增加将不可避免地导致信令负担和切换载荷；在完全过渡到5G网络之前，与当前采用的第四代 (4G) 网络共存也是5G网络所面临的挑战之一；为了支持高带宽和零延迟应用程序 (例如，半自动驾驶技术或全自动驾驶技术)，未来智能电网中可能会利用5G基础设施，这也进一步表明了开发5G无线蜂窝网络架构的必要性。

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04月封面导读

10-GHz Fully Differential Sallen–Key Lowpass Biquad Filters in 55nm SiGe BiCMOS Technology

采用55 nm SiGe BiCMOS技术的10 GHz全差分Sallen-Key低通双二阶滤波器

Francesco Centurelli et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9040563

多频带低通滤波器是许多射频RF应用的关键元件，也是实现高速模/数、数/模转换器以及光通信系统集成化的必要条件。过去二十年中，III-V以及SiGe技术实现了多频带范围的集成滤波器。在所有需要考虑无源元件尺寸的情况下，无电感器设计是最好的选择。此外，由于高速和高分辨率数据转换器的不断发展，带来的是对高度线性多频带滤波器需求的不断增加。经典的开环拓扑结构无法实现高线性度，因此在所有以线性度作为关键要求的实际应用中，闭环滤波器是首要选择。本文展示了经典Sallen Key滤波器的全差分BiCMOS实现，与现有解决方案不同的是，该滤波器可以利用商用55纳米BiCMOS技术在高达10 GHz的频率下工作。本文实现了该滤波器的整体设计，并演示了整体设计后的仿真结果。双二级滤波器由于闭环工作而表现出优异的无杂散动态范围(64 dB)和信号-噪声失真比 (约50 dB)，与文献中同类有源无感低通滤波器相比，具有良好的功率效率 (0.94 pW/Hz/pole)。此外，与其他滤波器不同，本文研究的滤波器利用了商用SiGe BiCMOS技术提供的不同有源器件。文章还提供了参数和蒙特卡罗模拟，以评估所提出的双二阶滤波器针对PVT和失配变化的鲁棒性。

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05月封面导读

Understanding of Polarization-Induced Threshold Voltage Shift in Ferroelectric-Gated Field Effect Transistor for Neuromorphic Applications

神经形态应用下，铁电门控场效应晶体管中极化诱导阈值电压偏移的研究

Seungjun Moon et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9050704

本文研究了在外部连接的铁电门场效晶体管中极化引起的阈值电压偏移，并提出了一种理解突触设备的操作方法。通过将Pb (Zr_0.2Ti_0.8) O₃基铁电电容与鳍式场效应晶体管的栅极相连而制成铁电门鳍式场效应晶体管 (Fe-FinFET)。通过调节栅极电压扫描范围，本文研究了Fe-FinFET中极化引起的阈值电压偏移。在起始负栅极到源电压固定的情况下，当最大正栅极至源极电压从4 V变为2 V时，后向扫描期间的阈值电压将约从−0.60 V增加至1.04 V；在最大正栅极到源电压固定的情况下，当起始负栅极至源极电压从−4 V变为−0.5 V时，正向扫描期间的阈值电压从1.66 V降至0.87 V。这些结果可以通过极化域状态来阐明。最后可以观察到，当正/负栅极电压扫描范围分别小于/大于正/负矫顽电压时，阈值电压大多会增加/减少。

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06月封面导读

Characterization of Novel Structures Consisting of Micron-Sized Conductive Particles That Respond to Static Magnetic Field Lines for 4G/5G (Sub-6 GHz) Reconfigurable Antennas

4G/5G背景下，基于响应静电磁场线微米级导电粒子可重构天线的新型结构表征

Adnan Iftikhar et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9060903

通过开关技术控制射频 (RF) 信号是现今无线平台设计人员的研究热点，例如2.18 GHz至2.2 GHz的高级无线服务 (AWS)、低于6 GHz的中频5G无线服务 (2.5 GHz和3.5 GHz)以及600 MHz / 700 MHz、1.7 GHz / 2.1 GHz / 2.3 GHz / 2.5 GHz的4G频段无线服务。这是因为，如果选择合适的组件来控制这些信号，则可以提高布局效率。本文提出一种被称为静磁响应结构 (MRS) 的RF开关新模型，用以实现4G/5G天线中的可重构操作。MRS的ABCD矩阵是从S参数值得出的，这个模型100 KHz至3.5 GHz频段性能良好。该研究中的仿真、分析结果和电路模型值呈现出总体一致性。

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07月封面导读

Ka-Band Marchand Balun with Edge- and Broadside-Coupled Hybrid Configuration

具有边缘和宽带耦合混合配置的Ka波段马相巴伦

Jinna Yan et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9071116

本文介绍了一种新型的Ka波段马相巴伦 (Marchand balun)，该器件在0.13-μm SiGe双极互补金属氧化物半导体 (BiCMOS) 工艺中实现。目前基于独立边缘和宽边耦合的结构已达到了铸造工艺的极限，它们的耦合系数受到宽边耦合结构金属层之间垂直距离和边缘耦合结构中两个相邻金属带之间最小金属间距的限制。本文提出边缘与宽边耦合的混合结构以最大限度提高了耦合系数，从而最大限度地降低了输入穿透损耗。与传统的边缘耦合或宽边耦合结构相比，本文所提出的巴伦在29.0 GHz至46.0 GHz的1 dB宽带宽内实现了1.02 dB的最低插入损耗，核心尺寸为270 μm × 280 μm。

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08月封面导读

Precise Positioning of Autonomous Vehicles Combining UWB Ranging Estimations with On-Board Sensors

结合超宽带测距技术和车载传感器的自动驾驶车辆的精确定位

Javier San Martín et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9081238

道路安全和车辆效率是影响自动驾驶车辆发展的关键因素。为了更安全、高效地操纵自动驾驶车辆，该行业需要能够实时监测车辆在道路上的准确位置。全球导航卫星系统 (Global Navigation Satellite Systems, GNSS) 技术能够在多数环境下保证精准定位，但当车辆处在峡谷或者隧道时，GNSS信号可能会被阻塞延迟，致使实时定位失准。因此，需要其他技术辅助实现精准定位这一重要目标。超宽带技术 (Ultra-Wideband, UWB) 是精确定位系统的潜在方案。目前该技术大多用于室内环境，但将其的测距技术与车载传感器的惯性、里程测量数据相结合，可以实现精准定位，并增强定位的连续性。因此，本文将基于超宽带 (UWB) 测距技术与车载传感器的惯性、里程测量数据结合，分析了系统性能。为了实现数据融合，本文采用了扩展卡尔曼滤波器 (EKF)。此外，本文还设计了后处理算法来消除非视线 (NLOS) UWB测距估计值，从而进一步提高了系统的准确性。本文所提出的系统已在模拟环境和真实环境中进行了测试，实验结果显示该系统可以用作实时定位需求的解决方案。

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09月封面导读

Ultra-Wideband Low-Cost High-Efficiency Cavity-Backed Compound Spiral Antenna

超宽带低成本高效腔背复合螺旋天线

Charl Baard et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9091399

文章提出了一种超宽带低成本高效腔背复合螺旋天线。该天线采用由阿基米德螺线包围的等角螺线，并通过锥形微带巴伦进行馈电；采用中心升高的圆柱形无吸收腔来支持螺旋，在最大程度减少后向辐射的同时又不会降低效率；其腔体设计可确保阻抗带宽超过16:1的比率 (从350 MHz到5.5 GHz)。本文通过对比分析介绍了仿真和测量结果，在阻抗带宽和效率两方面验证了系统的优异性能。时域测量结果表明，本系统视轴的保真度可达到0.62。

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10月封面导读

A Compact Size Wideband RF-VGA Based on Second Generation Controlled Current Conveyors

基于第二代受控电流传输器的紧凑型宽带RF-VGA

J. del Pino et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9101600

本文介绍了一种基于低成本0.35 µm SiGe BiCMOS工艺设计宽带射频可变增益放大器 (RF-VGA) 的方法。该电路采用了两个基于第二代可控电流传输器 (CCCII) 的A类放大器，主要特点是其宽带输入与降低的噪声系数 (5.5 dB–9.6 dB) 匹配而无需无源元件，并且实现最低的管芯占位面积 (62 µm × 44 µm)，从而使增益增加时，功耗会降低。该架构适用于设计宽带、低功耗和低噪声放大器。该设计实现了6.7 dB–18 dB的可调谐增益，在±1.5 V直流电源下，功耗为1.7 mA。在最大增益下，所提出的RF-VGA可覆盖高达10 GHz的频率，并可以应用在软件设计无线电 (SDR)、低频医疗植入物通信系统 (MICS) 以及工业、科学和医学 (ISM) 频带。

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11月封面导读

Demonstration of AlGaN/GaN MISHEMT on Si with Low-Temperature Epitaxy Grown AlN Dielectric Gate

低温外延生长AlN介电栅极的硅基AlGaN/GaN MISHEMT的演示

Matthew Whiteside et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9111858

本文首次成功展示了具有低温外延 (LTE) 生长的单晶AlN栅极电介质的AlGaN/GaN金属绝缘体半导体高电子迁移率晶体管 (MISHEMT)，并研究了400 °C下栅极后退火效应。LTE是一种结合物理气相沉积和化学气相沉积的新型沉积方法，即使在200 °C的低沉积温度下，也可以沉积高质量的AlN膜。在栅极层沉积后，在MIS二极管上进行400 °C的退火，提取出的最低LTE-AlN/GaN界面态密度值 (D_it) 为5.0×10¹¹ cm⁻²eV⁻¹。这种低界面态密度值使得本文阐述的AlGaN/GaN MISHEMT拥有与使用其他栅极电介质沉积技术制造的器件一样优异的性能。该研究表明，采用优化的栅极后退火技术制造的LTE-AlN是一种很有前途的栅极电介质替代材料，有望实现高性能AlGaN/GaN MISHEMT。

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12月封面导读

WIoTED: An IoT-Based Portable Platform to Support the Learning Process Using Wearable Devices

WIoTED：基于IoT的便携式平台，支持使用可穿戴设备的学习过程

Vicente López Camacho et al.

https://doi.org/10.3390/electronics9122071

近年可穿戴设备和物联网设备呈指数级增长，并渗透到人们日常生活中的方方面面。私有机构和公共组织的数字化转型在很大程度上受到了诸如智能手机、平板电脑和虚拟现实设备等移动设备广泛普及的启发。有形界面通过人机界面的自定义功能，进一步提升了用户体验质量。WIoTED是一个集成了可穿戴技术和物联网技术的平台，专用于支持学习/教学活动。主要功能之一是推出MovED功能：一款可穿戴设备，旨在促进、丰富教学环境，方便年轻学习者使用。本文基于各种场景下的大量试验，对比了MovED生成的工作负载和响应时限 (相对于首选使用智能手机的设置)，并从教育交付效性 (可用性和用户满意度) 方面验证了WIoTED的性能和优势。

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本文专业审校

陈航 博士

哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院

研究方向：超精密位移测量系统与光电智能计算

李继涛 博士

天津大学精密仪器与光电子工程学院

研究方向：光电子技术、人工电磁超材料、新能源技术

Electronics (ISSN 2079-9292; IF：2.412) 是MDPI组织出版的国际性开放获取期刊之一，主题涵盖电子科学与应用领域，致力于发表电子器件、微电子与计算机技术、光电子工程、通信工程、信号与信息处理、微波理论与技术、生物电子工程、能源电子及系统等领域的各类文章。Electronics采取单盲同行评审，一审周期约为15.1天，文章从接收到发表仅需3.4天。

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翻译作者：Joy Li

*本文内容由MDPI中国办公室编辑编写，一切内容请以英文原版为准。如需转载，请邮件联系:[e-mail]

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