基于负群时延网络的宽带隔离器

1.本发明属于非互易器件领域，涉及一种基于负群时延网络的宽带隔离器，可应用于通信、雷达和传感器网络等现代微波和光学领域。


背景技术：

2.随着5g通信时代的到来，通信系统的部件将会进一步朝着小型化以及低功耗方向发展，因此对器件的集成度要求更高。人们也因此对如隔离器、循环器等无磁非互易器件的研究产生愈发浓烈的兴趣。这一类非互易器件，在包括通信、雷达和传感器网络等现代微波和光学领域应用中发挥着至关重要的作用。它们可以将物理层的网络容量增加一倍，同时在包括通信、雷达和传感器网络的网络层提供许多其他优势，比如这些设备可以保护有源源免受电路反射功率的损害并且能使带内全双通通信正常工作，同时起到去耦和隔离的作用。
3.隔离器的应用，解决了雷达系统的级间隔离、阻抗以及共用等一系列实际问题，极大的提高了雷达系统的性能，是系统中的关键器件。因此要求隔离器应具有插入损耗小、隔离度高、工作频带宽、耐高功率、温度特性好等特点。
4.实现非互易器件通常有很多方式，传统隔离器通常采用铁氧体材料外加磁场偏置来实现其非互易传输特性，然而由于铁氧体材料的制备工艺难以与传统的集成电路工艺相兼容，因此非互易器件通常作为分立式元件出现在通信系统中，这在一定程度上限制了系统整体的小型化。因此有必要研究非互易器件的无磁化设计方案，与传统的铁氧体隔离器和循环器相比，有源非互易器件结构更紧凑，体积更小，成本更低，更易与现代集成电路技术兼容。然而采用晶体管实现的有源隔离器存在功率承载容量小、动态范围小等问题。
5.文献1(wang y,chen w,chen x.highly linear and magnetless isolator based on weakly coupled nonreciprocal metamaterials[j].ieee transactions on microwave theory andtechniques,2019,67(11):4322-4331.)采用非互易移相器加载定向耦合器实现了一种有源隔离器，正向导通时，耦合器只将少部分能量耦合到上环回路，因此入射波与有源器件的相互作用可以忽略不计，隔离器表现为高功率容量和高线性度。但该隔离器带宽极窄，其中心频率设计在1.81ghz，单个隔离器仅有一个频点隔离度为10.3db，三级级联后20db带宽仍仅有13mhz，相对带宽仅为0.7％。


技术实现要素：

[0006]
为了解决现有技术中的上述技术缺陷，本发明提出了一种基于负群时延网络的宽带隔离器。
[0007]
实现本发明目的的技术方案为：一种基于负群时延网络的宽带隔离器，包括依次串联的非互易移相器、传输线1、耦合定向耦合器、传输线2以及负群时延电路结构，其中，所述耦合定向耦合器的隔离端与传输线1连接，耦合端与传输线2连接。
[0008]
优选地，所述非互易移相器包括三极管bjt、射频扼流圈c1、射频扼流圈c2、射频扼
流圈l1、射频扼流圈vb、射频扼流圈v
ce
、大电阻r5和四个电阻r1、r2、r3、r4。电阻r1一端与电容c1的一端、电阻r2的一端相连，另一端接地；电阻r2的另一端与输入端相连；电阻r3一端与电容c2的一端、r4的一端相连，另一端接地；电阻r4另一端与输出端相连；电阻r5一端与三极管bjt的基极、电容c1的另一端相连，另一端接直流电源vb；电容c2的另一端与电感l1的一端、三极管bjt的集电极相连；电感l1另一端接直流电压v
ce
；三极管bjt的发射集接地。
[0009]
优选地，定向耦合器通过四段微带线t
a1
、t
b1
、t
a2
、t
b2
顺次相连的结构实现，其中微带线t
a1
、t
a2
阻抗相同，微带线t
b1
、t
b2
阻抗相同。
[0010]
优选地，通过调节微带线的特征阻抗进而获得所需定向耦合器的耦合度、隔离度。
[0011]
优选地，所述负群时延电路结构包括六段微带线t1、t2、t3、t4、t5、t6，两段耦合线cl1、cl2，以及四个串联电阻ra、rb、ra、rb，微带线t1一端与微带线t2的一端、电阻ra的一端相连，另一端与微带线t6的一端以及输入端相连；微带线的另一端与微带线t3的一端、电阻ra的一端相连；微带线t3的另一端与微带线t4的一端、电阻rb的一端相连；微带线t4的另一端与微带线t5、电阻rb的一端相连；微带线t5的另一端与微带线t6的另一端以及输出端相连；电阻ra的另一端与耦合线cl1的一端相连，选耦合线cl1与电阻ra相连的端口作为输入端，则该耦合器的隔离端与直通端接地，耦合端开路；电阻rb的另一端与耦合线cl2的一端相连，选耦合线cl2与电阻rb相连的端口作为输入端，则该耦合器的隔离端与直通端接地，耦合端开路；电阻ra的另一端接地；电阻rb的另一端接地。
[0012]
优选地，微带线t1、t2、t4、t5、t6电长度相等，微带线t3的电长度为微带线t1、t2、t4、t5、t6电长度的三倍，耦合线cl1、cl2奇偶模阻抗不同但电长度与微带线t1、t2、t4、t5、t6相等。
[0013]
优选地，传输线1、非互易移相器和负群时延电路结构、传输线2构成的串联路线两端以及定向耦合器与传输线1、非互易移相器和负群时延电路结构、传输线2构成的串联路线连接的两端满足阻抗匹配。
[0014]
优选地，传输线2、负群时延网络、非互易移相器、传输线1以及定向耦合器构成的传输路径的相位和是2π的整数倍。
[0015]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
[0016]
1、本发明中定向耦合器可以确保波几乎沿着传输线从端口2向端口1传播，而不与场效应管等相互作用，获得高线性度和低损耗；从端口1向端口2传播时，波在上环回路微波谐振腔发生谐振，能量被有效吸收，隔离器表现出的高隔离性能；
[0017]
2、本发明通过加载负群时延网络，从而减小回路总相位在中心频率处的群时延，使电路在尽可能宽的频带里满足总相位为零的要求，进而拓宽隔离器带宽；
[0018]
3、本发明采用四段微带线相连的结构实现耦合器结构，避免产生直接采用耦合线因两线之间间距太窄无法加工的情况，对加工精度要求较低，同时提高结构稳定性。
[0019]
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0020]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0021]
图1为实现隔离器的原理图结构。
[0022]
图2为实现隔离器的原理图分解结构。
[0023]
图3为本发明中的负群时延电路结构。
[0024]
图4为本发明采用的耦合器电路结构。
[0025]
图5为本发明中采用的移相器电路结构。
[0026]
图6为实例中实现隔离器的总体电路结构。
[0027]
图7为本发明电路结构联合版图仿真得到的s参数。
具体实施方式
[0028]
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。相反，提供这些实施例的目的是为了使本领域的技术人员更透彻地理解本发明。下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的创新构思。
[0029]
本发明构思为，一种基于负群时延网络的宽带隔离器，包括依次串联的非互易移相器(1)、传输线1(4)、耦合定向耦合器(2)、传输线2(5)以及负群时延电路结构(3)，其中，所述耦合定向耦合器(2)的隔离端与传输线1(4)连接，耦合端与传输线2(5)连接。
[0030]
进一步的实施例中，非互易移相器(1)包括三极管bjt、射频扼流圈c1、射频扼流圈c2、射频扼流圈l1、射频扼流圈vb、射频扼流圈v
ce
、大电阻r5和四个电阻r1、r2、r3、r4。电阻r1一端与电容c1的一端、电阻r2的一端相连，另一端接地；电阻r2的另一端与输入端相连；电阻r3一端与电容c2的一端、r4的一端相连，另一端接地；电阻r4另一端与输出端相连；电阻r5一端与三极管bjt的基极、电容c1的另一端相连，另一端接直流电源vb；电容c2的另一端与电感l1的一端、三极管bjt的集电极相连；电感l1另一端接直流电压v
ce
；三极管bjt的发射集接地。
[0031]
进一步的实施例中，定向耦合器(3)通过四段微带线t
a1
、t
b1
、t
a2
、t
b2
顺次相连的结构实现，其中t
a1
、t
a2
阻抗相同，t
b1
、t
b2
阻抗相同。由于电路结构对称，若选择微带线t
b1
、t
a2
相连的交点作为输出端，则微带线t
a2
、t
b2
的交点为该耦合器的直通端，微带线t
a1
、t
b2
的交点为该耦合器的耦合端，微带线t
a1
、t
b1
的交点为该耦合器的隔离段。通过调节微带线的特征阻抗进而获得所需定向耦合器的耦合度、隔离度。如此耦合器对加工精度要求较低，且稳定性更高。
[0032]
进一步的实施例中，所述负群时延电路结构(2)包括六段微带线t1、t2、t3、t4、t5、t6，两段耦合线cl1、cl2，以及四个串联电阻ra、rb、ra、rb。其中微带线t1、t2、t4、t5、t6电长度相等，微带线t4的电长度为前五段微带线电长度的三倍，耦合线cl1、cl2奇偶模阻抗不同但电长度与前五段微带线相等。微带线t1一端与微带线t2的一端、电阻ra的一端相连，另一端与微带线t6的一端以及输入端相连；微带线的另一端与微带线t3的一端、电阻ra的一端相连；微带线t3的另一端与微带线t4的一端、电阻rb的一端相连；微带线t4的另一端与微带线t5、电阻rb的一端相连；微带线t5的另一端与微带线t6的另一端以及输出端相连；电阻ra的另一端与耦合线cl1的一端相连，选耦合线cl1与电阻ra相连的端口作为输入端，则该耦合器的隔离端与直通端接地，耦合端开路；电阻rb的另一端与耦合线cl2的一端相连，选耦合线cl2与电
阻rb相连的端口作为输入端，则该耦合器的隔离端与直通端接地，耦合端开路；电阻ra的另一端接地；电阻rb的另一端接地。
[0033]
本发明采用非互易移相器、定向耦合器、以及负群时延网络电路和两段传输线串联实现。通过负群时延电路与通路中其他电路的群时延相抵消，使回路总群时延在中心频率附近更宽的频带内为零，进而拓展其带宽。
[0034]
当波从端口2向端口1传播时，定向耦合器只将少量信号耦合到包含负群时延网络和非互易移相器的上环回路，从而确保波几乎沿着传输线传播，而不与场效应管等相互作用，获得高线性度和低损耗。当波沿相反方向即端口1向端口2传播时，波在上环回路发生谐振，能量被有效吸收，负群时延电路与通路中其他电路的群时延相抵消，回路总群时延在中心频率附近更宽的频带内为零，此时电路表现出隔离度高、隔离带宽宽。
[0035]
为了更好地阐述隔离器工作原理，将电路拆解成上下两部分，如图2所示。上部分电路包含传输线1、传输线2、非互易移相器和负群时延电路结构，为二端口网络，两个端口为端口5、端口6；下部分电路包含定向耦合器，为四端口网络，四个端口为端口1、端口2、端口3、端口4。为了使隔离器能够获到较大的隔离度，回路需要存在传输零点，而传输零点需要端口5、端口6与端口3、端口4满足阻抗匹配，以及整个传输路径的相位和(从端口5依次经过传输线2、负群时延网络、非互易移相器、传输线1到端口6，再从端口4结果定向耦合器到端口3)是2π的整数倍。
[0036]
回路相位和在中心频率附近有越多频点满足相位和是2π的整数倍，即零点附近的斜率的绝对值越小，所得隔离器的隔离带宽也越大。
[0037]
实施例1
[0038]
本发明采用pcb工艺，如图1所示，为本发明为实现隔离器的原理图结构，其中负群时延电路结构如图2所示，定向耦合器电路结构如图3所示。图4为本发明隔离器的总体电路结构。本发明设计利用仿真软件ads，在考虑到电磁干扰、器件所需焊盘以及实际布局的基础上，绘制版图，对本发明中的所有微带线进行电磁仿真，生成symbol后再带入原理图进行联合仿真。
[0039]
本发明中微带线采用4003工艺，其中介电常数εr＝3.55，介质板厚度h＝0.508mm。三极管选用bfp840fesd三极管，利用官网提供的器件库进行仿真。
[0040]
两端所用微带线的尺寸：微带线t7的宽为w7＝0.8mm，长为l7＝1.6mm；微带线t8的宽为w8＝0.7mm，长为l8＝0.2mm。
[0041]
负群时延电路结构部分采用的微带线尺寸：微带线t1的宽为w1＝2.05mm，长为l1＝46mm；微带线t2的宽为w2＝2.05mm，长为l2＝46mm；微带线t3的宽为w3＝1mm，长为l3＝139.6mm；微带线t4的宽为w4＝2.12mm，长为l4＝44.5mm；微带线t5的宽为w5＝2.12mm，长为l5＝44.5mm；微带线t6的宽为w6＝1.07mm，长为l6＝44.5mm；负群时延电路结构采用的耦合线的cl宽为w＝1mm，长为l＝46mm，间距为s＝0.2mm。
[0042]
定向耦合器部分采用的微带线尺寸：微带线ta的宽为wa＝2.3mm，长为la＝46.3mm；微带线tb的宽为wb＝0.45mm，长为lb＝43.6mm。
[0043]
选用的电阻阻抗分别为：r1＝10ω，r2＝85ω，r3＝230ω，r4＝10ω，r5＝7500ω，r6＝265ω，r7＝278ω，r8＝65ω，r9＝50ω。
[0044]
选用的电容容值分别为：c1＝9pf，c2＝0.8pf。选用的电感值为：l1＝22nh。
[0045]
三极管加载的电压大小为：vb＝1v，v
ce
＝2v。
[0046]
如图5所示，为本发明设计的隔离器的s参数仿真结果，20db隔离带宽为43mhz(941mhz
‑‑
984mhz)，相对隔离带宽为4.47％。在频率为950mhz和976mhz处，有两个隔离度峰值，分别为41.464db和51.237db。
[0047]
综上所述，本发明基于负群时延网络的宽带隔离器，隔离带宽宽、功率承载容量大，结构简单且易加工，易于实现电路集成与系统封装。
[0048]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0049]
应当理解，为了精简本发明并帮助本领域的技术人员理解本发明的各个方面，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例中进行描述，或者参照单个图进行描述。但是，不应将本发明解释成示例性实施例中包括的特征均为本专利权利要求的必要技术特征。
[0050]
应当理解，可以对本发明的一个实施例的设备中包括的模块、单元、组件等进行自适应性地改变以把它们设置在与该实施例不同的设备中。可以把实施例的设备包括的不同模块、单元或组件组合成一个模块、单元或组件，也可以把它们分成多个子模块、子单元或子组件。