臧家偉 王守源 安少賡 孟夢(mèng)

(中國信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，北京100191)

0 引言

互易性是電磁、光學(xué)和聲學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)基本物理原則，其源于時(shí)間反演對(duì)稱性。對(duì)于濾波器來說，各端口之間正向和反向傳輸特性將會(huì)完全相同。在工程實(shí)踐中，往往需要打破這種時(shí)間反演對(duì)稱性，使電磁波非互易性傳播。電磁非互易性是指電磁波在某介質(zhì)材料中沿相反的兩個(gè)方向傳輸會(huì)呈現(xiàn)出不同的電磁損耗或相移等特性，常見的非互易器件有隔離器和環(huán)形器等。隔離器可以保護(hù)信號(hào)源免受高功率反射信號(hào)的毀傷，環(huán)形器可以使電磁波定向傳輸，當(dāng)接收和發(fā)射機(jī)共用一副天線時(shí)，環(huán)形器常被用來隔離收發(fā)傳輸路徑?，F(xiàn)有的非互易性器件幾乎均依賴于各向異性磁性材料原子模態(tài)分裂或者塞曼效應(yīng)(Zeeman Effect)來實(shí)現(xiàn)，通常采用鐵氧體等磁性材料和外加磁場偏置的方式來打破時(shí)間反演對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)電磁波的非互易性傳輸，這些非互易性器件由于磁性材料的使用往往存在損耗高、體積大、成本高和無法與電路集成等缺點(diǎn)。

隨著5G的逐漸規(guī)?；逃貌渴鸷蛯?duì)B5G/6G移動(dòng)通信研究探索的深入，移動(dòng)通信系統(tǒng)正不斷往集成化和多功能化方向發(fā)展，對(duì)基礎(chǔ)射頻器件的集成度要求越來越高。濾波器是移動(dòng)通信系統(tǒng)中核心的組成器件，系統(tǒng)中往往加裝數(shù)量眾多的濾波器，其已經(jīng)成為系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)小型化的關(guān)鍵因素。而頻率可重構(gòu)濾波器能夠靈活地滿足不同的工程應(yīng)用需求，能夠替代固定不可調(diào)濾波器，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

最近幾年，國外的一些學(xué)者成功采用時(shí)空調(diào)制的方法來打破時(shí)間反演對(duì)稱性，從而實(shí)現(xiàn)了無需磁性材料偏置就可以集成化的非互易性器件，包括非互易性天線[1-3]、隔離器[4-5]、環(huán)形器[6-7]和非互易性超材料[8- 9]。時(shí)空調(diào)制的一般實(shí)施方法為：在某媒質(zhì)上離散地加載低頻時(shí)變調(diào)制信號(hào)，并控制調(diào)制信號(hào)的頻率、幅度和初始相位來實(shí)現(xiàn)電磁波的非互易性傳播。也就是說，在時(shí)間維度上，存在時(shí)變調(diào)制信號(hào)；在空間維度上，各離散調(diào)制信號(hào)的初始相位不同。

本文提出一種非互易性濾波器的設(shè)計(jì)理論和實(shí)現(xiàn)方法，采用時(shí)空調(diào)制的方法來打破時(shí)間反演對(duì)稱性，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有頻率可重構(gòu)特性的可集成化的非互易性濾波器。所設(shè)計(jì)的非互易性濾波器采用平面耦合微帶線結(jié)構(gòu)，通過在各諧振器上加載低頻時(shí)變調(diào)制信號(hào)并控制調(diào)制信號(hào)的相位關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)帶內(nèi)信號(hào)定向傳輸，同時(shí)抑制帶外雜散信號(hào)，猶如“隔離濾波器”，而控制所加載的直流偏置電壓則可以實(shí)現(xiàn)工作頻率的可重構(gòu)特性。所加工的三階非互易性濾波器試驗(yàn)測試結(jié)果表明：該濾波器頻率可重構(gòu)相對(duì)帶寬為16%，對(duì)帶內(nèi)信號(hào)的隔離度(非互易性)大于12 dB，對(duì)帶外雜散信號(hào)的抑制能力優(yōu)于20 dB。

1 非互易性濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所提出的非互易性濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其采用平面化的微帶結(jié)構(gòu)，濾波器印制在介質(zhì)基板的上下兩側(cè)，結(jié)構(gòu)緊湊有利于實(shí)現(xiàn)器件的小型化和集成化。從圖1(a)頂視圖可見，所設(shè)計(jì)的非互易性濾波器頂層包括射頻輸入和射頻輸出端口(射頻端口1、射頻端口2)以及3個(gè)1/4波長微帶諧振器(諧振器1、諧振器2和諧振器3)。射頻輸入和射頻輸出端微帶線特性阻抗為50 Ω，射頻信號(hào)f_0由此輸入和輸出。從圖1(b)底視圖可見，非互易性濾波器的底層包含低頻調(diào)制信號(hào)輸入端(調(diào)制端口1、調(diào)制端口2和調(diào)制端口3)、三組變?nèi)荻O管和電感。調(diào)制信號(hào)饋入電路采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特性阻抗為50 Ω，電感用作Choke來提高射頻信號(hào)f_0與調(diào)制信號(hào)f_m之間的隔離度(大于30 dB)。變?nèi)荻O管在直流偏置電壓的作用下工作在反向偏置狀態(tài)，起到電容的作用，并且此靜態(tài)電容值隨著偏置電壓的改變而發(fā)生變化，對(duì)變?nèi)荻O管靜態(tài)電容值的控制便可以實(shí)現(xiàn)濾波器工作頻率的可重構(gòu)。此外，微帶線諧振器的末端通過金屬通孔與底面金屬圓盤連接，底面的金屬化圓盤用來連接變?nèi)荻O管。圖1所示結(jié)構(gòu)的參數(shù)尺寸如表1所示。需要指出的是，本文僅以三階濾波器為例，依據(jù)具體工程應(yīng)用需求，采用本文所提出的設(shè)計(jì)理論可以方便地實(shí)現(xiàn)任意階次和帶寬的非互易性濾波器。

2 非互易性濾波器實(shí)現(xiàn)機(jī)理分析

本文所提出的基于時(shí)空調(diào)制的非互易性濾波器，在具備濾波性能外，還具有信號(hào)隔離的特性，猶如“隔離濾波器”，其工作的基本原理如圖2所示。與傳統(tǒng)的互易性濾波器類似，圖2所示的各諧振器(實(shí)心圓)之間會(huì)相互進(jìn)行電磁耦合，從而實(shí)現(xiàn)濾波功能。為了實(shí)現(xiàn)電磁波的非互易性傳輸，各調(diào)制端口依次加載頻率為f_m的低頻時(shí)變調(diào)制信號(hào)，并且各調(diào)制信號(hào)的初始相位各不相同，在此時(shí)空調(diào)制信號(hào)的作用下，各調(diào)制諧振器將產(chǎn)生無窮多階次諧波并發(fā)生非互易性能量耦合[10]，從而打破時(shí)間反演對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)非互易性(S_21≠S_12)。射頻信號(hào)f_0可以從射頻端口1傳輸?shù)缴漕l端口2，而當(dāng)信號(hào)從射頻端口2輸入時(shí)卻不能傳輸?shù)缴漕l端口1，實(shí)現(xiàn)了電磁波的非互易性傳輸。

表1 非互易性濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸(單位：mm)

圖1 三階非互易性濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖2 非互易性濾波器工作示意圖

所采用的時(shí)空調(diào)制為弱調(diào)制，對(duì)低頻調(diào)制信號(hào)能量消耗低，這種弱調(diào)制在實(shí)際應(yīng)用中很有意義，僅需較弱的低頻信號(hào)能量即可實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的非互易性。對(duì)各諧振器加載時(shí)變調(diào)制信號(hào)后，變?nèi)荻O管的瞬態(tài)電容值可以表達(dá)為：C_i (t)=C_0 [1+Δ_m cos(ω_m t+φ_n )]。

其中，ω_m=2πf_m為調(diào)制信號(hào)角頻率，C_0為靜態(tài)電容值取決于直流偏置電壓，Δ_m=ΔC/Δ_0 為調(diào)制系數(shù)([0<]Δ]_m<1)，ΔC為電容波動(dòng)幅值取決于調(diào)制信號(hào)的強(qiáng)度?？梢园l(fā)現(xiàn)，各變?nèi)荻O管上所加載的調(diào)制信號(hào)的頻率和幅度是相同的，但是各調(diào)制信號(hào)的相位是不同的，即φ_n=(n-1) Δ_φ，Δ_φ為步進(jìn)相位，n為濾波器階數(shù)，此處n=1、2、3，對(duì)調(diào)制信號(hào)的相位控制是實(shí)現(xiàn)電磁波非互易性傳輸?shù)年P(guān)鍵。

需要指出的是，當(dāng)各路調(diào)制信號(hào)相位滿足φ_n=(n-1)Δ_φ時(shí)，那么電磁波傳播如圖2所示。而當(dāng)調(diào)制信號(hào)相位滿足φ_n=-(n-1) Δ_φ時(shí)，電磁波則可以從射頻端口2往射頻端口1傳輸，而不能由射頻端口1傳輸?shù)缴漕l端口2，可見通過控制所加載的各路低頻調(diào)制信號(hào)的相位關(guān)系就可以靈活地控制濾波器內(nèi)電磁波定向傳輸?shù)姆较颉?/p>

3 試驗(yàn)測試結(jié)果

為驗(yàn)證所提出的非互易性濾波器設(shè)計(jì)理論和實(shí)現(xiàn)方法，采用平面微帶工藝，加工并試驗(yàn)測試了非互易性濾波器樣件，樣件如圖3所示。濾波器樣件采用的介質(zhì)基板為Rogers RT/duriod 5880，介電常數(shù)為2.2，損耗角正切值為0.0009，厚度為1.575 mm。所選用的變?nèi)荻O管的型號(hào)為Skyworks公司的SMV1232，電感為貼片電感值為100 nH。所設(shè)計(jì)的非互易性濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，無需任何磁性材料偏置，可以與通信系統(tǒng)射頻電路高度集成。在試驗(yàn)測試過程中，濾波器調(diào)制信號(hào)端口連接到信號(hào)發(fā)生器(Rigol DG4202，帶直流偏置)上，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(安捷倫，E8362B)的兩路端口連接濾波器射頻端口1和2來實(shí)時(shí)測量濾波器的散射參數(shù)(S參數(shù))。

當(dāng)調(diào)制端口1、調(diào)制端口2和調(diào)制端口3僅加載直流偏置電壓而不加載低頻調(diào)制信號(hào)時(shí)，所設(shè)計(jì)的濾波器為互易的，散射參數(shù)試驗(yàn)測試曲線如圖3所示。此時(shí)，信號(hào)可以從射頻端口1傳輸?shù)缴漕l端口2，同時(shí)信號(hào)也可以從射頻端口2傳輸?shù)缴漕l端口1，即S_21=S_12。從圖3可見，所設(shè)計(jì)的濾波器S_11在工作頻率1.56 GHz附近小于-10 dB，具有良好的回波特性。

圖3 未加載時(shí)空調(diào)制信號(hào)時(shí)濾波器靜態(tài)響應(yīng)曲線

圖4 加載時(shí)空調(diào)制信號(hào)時(shí)濾波器散射參數(shù)測試曲線

圖4為直流偏置電壓為2.7V時(shí)的濾波器散射參數(shù)試驗(yàn)測試曲線，試驗(yàn)測試中的調(diào)制信號(hào)其他參數(shù)如下：低頻調(diào)制信號(hào)頻率f_m=40 MHz，調(diào)制系數(shù)Δ_m=0.09，步進(jìn)相位Δ_φ=50度。從圖4可見，S_21≠S_12，電磁波傳播具有非互易性，電磁波可以從射頻端口1傳輸?shù)缴漕l端口2，而電磁波卻不能從射頻端口2傳輸?shù)缴漕l端口1。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在中心頻率1.56 GHz附近濾波器匹配良好，具有良好的回波損耗特性，并且電磁波傳輸非互易性高達(dá)38 dB。

控制直流偏置電壓，可以實(shí)現(xiàn)非互易性濾波器工作頻率的可重構(gòu)。當(dāng)直流偏置電壓減小到1.4V時(shí)，非互易性濾波器散射參數(shù)試驗(yàn)測試曲線如圖5所示。從圖5可見，S_21≠S_12，電磁波傳播具有非互易性，電磁波可以從射頻端口1傳輸?shù)缴漕l端口2，而電磁波卻不能從射頻端口2傳輸?shù)缴漕l端口1。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在中心頻率1.46 GHz附近濾波器匹配良好，具有良好的回波損耗特性，并且具有良好的電磁波傳輸非互易性(19 dB)?？梢姕p小直流偏置電壓，濾波器的工作頻率降低。

圖5 減小直流偏置電壓時(shí)濾波器散射參數(shù)測試曲線

圖6 增大直流偏置電壓時(shí)濾波器散射參數(shù)測試曲線

控制直流偏置電壓，使其增大為4.0 V時(shí)，濾波器散射參數(shù)試驗(yàn)測試曲線如圖6所示。從圖6可見，S_21≠S_12，電磁波傳播具有非互易性，電磁波可以從射頻端口1傳輸?shù)缴漕l端口2，而電磁波卻不能從射頻端口2傳輸?shù)缴漕l端口1。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在中心頻率1.63 GHz附近濾波器匹配良好，具有良好的回波損耗特性，并且電磁波傳輸非互易性大于12 dB?？梢娫龃笾绷髌秒妷?，濾波器的工作頻率升高，實(shí)現(xiàn)了工作頻率的可重構(gòu)。從圖3～圖6可以發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)帶外雜散信號(hào)具有良好的抑制能力，優(yōu)于20 dB。

4 結(jié)束語

本文提出并測試驗(yàn)證了一種基于時(shí)空調(diào)制的可集成化的非互易性濾波器。該濾波器無需磁性材料偏置，解決了現(xiàn)有非互易性器件所存在的無法與集成電路加工工藝兼容難以實(shí)現(xiàn)集成化等問題。所設(shè)計(jì)的非互易性濾波器具有工作頻率可重構(gòu)特性，該多功能性濾波器有助于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)的集成化和小型化。樣件試驗(yàn)測試結(jié)果表明，頻率可重構(gòu)相對(duì)帶寬為16%，帶內(nèi)電磁波傳輸?shù)姆腔ヒ仔源笥?2 dB，對(duì)帶外雜散信號(hào)抑制能力優(yōu)于20 dB。本文所提出的非互易性濾波器設(shè)計(jì)理論和實(shí)現(xiàn)方法可以為未來B5G/6G非對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)支撐，應(yīng)用前景廣泛。