基于時空調(diào)制的頻率可重構(gòu)非互易性濾波器*

臧家偉 王守源 安少賡 孟夢

(中國信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實驗室，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)的一個基本物理原則，其源于時間反演對稱性。對于濾波器來說，各端口之間正向和反向傳輸特性將會完全相同。在工程實踐中，往往需要打破這種時間反演對稱性，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方向傳輸會呈現(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。隔離器可以保護信號源免受高功率反射信號的毀傷，環(huán)形器可以使電磁波定向傳輸，當(dāng)接收和發(fā)射機共用一副天線時，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間反演對稱性，實現(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。

隨著5G的逐漸規(guī)?；逃貌渴鸷蛯5G/6G移動通信研究探索的深入，移動通信系統(tǒng)正不斷往集成化和多功能化方向發(fā)展，對基礎(chǔ)射頻器件的集成度要求越來越高。濾波器是移動通信系統(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)者成功采用時空調(diào)制的方法來打破時間反演對稱性，從而實現(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]。時空調(diào)制的一般實施方法為：在某媒質(zhì)上離散地加載低頻時變調(diào)制信號，并控制調(diào)制信號的頻率、幅度和初始相位來實現(xiàn)電磁波的非互易性傳播。也就是說，在時間維度上，存在時變調(diào)制信號；在空間維度上，各離散調(diào)制信號的初始相位不同。

本文提出一種非互易性濾波器的設(shè)計理論和實現(xiàn)方法，采用時空調(diào)制的方法來打破時間反演對稱性，設(shè)計實現(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變調(diào)制信號并控制調(diào)制信號的相位關(guān)系可以實現(xiàn)帶內(nèi)信號定向傳輸，同時抑制帶外雜散信號，猶如“隔離濾波器”，而控制所加載的直流偏置電壓則可以實現(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測試結(jié)果表明：該濾波器頻率可重構(gòu)相對帶寬為16%，對帶內(nèi)信號的隔離度(非互易性)大于12 dB，對帶外雜散信號的抑制能力優(yōu)于20 dB。

1 非互易性濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計

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f_0與調(diào)制信號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，對變?nèi)荻O管靜態(tài)電容值的控制便可以實現(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)計理論可以方便地實現(xiàn)任意階次和帶寬的非互易性濾波器。

2 非互易性濾波器實現(xiàn)機理分析

本文所提出的基于時空調(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(實心圓)之間會相互進行電磁耦合，從而實現(xiàn)濾波功能。為了實現(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的低頻時變調(diào)制信號，并且各調(diào)制信號的初始相位各不相同，在此時空調(diào)制信號的作用下，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]，從而打破時間反演對稱性，實現(xiàn)非互易性(S_21≠S_12)。射頻信號f_0可以從射頻端口1傳輸?shù)缴漕l端口2，而當(dāng)信號從射頻端口2輸入時卻不能傳輸?shù)缴漕l端口1，實現(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

所采用的時空調(diào)制為弱調(diào)制，對低頻調(diào)制信號能量消耗低，這種弱調(diào)制在實際應(yīng)用中很有意義，僅需較弱的低頻信號能量即可實現(xiàn)較強的非互易性。對各諧振器加載時變調(diào)制信號后，變?nèi)荻O管的瞬態(tài)電容值可以表達為：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為電容波動幅值取決于調(diào)制信號的強度?？梢园l(fā)現(xiàn)，各變?nèi)荻O管上所加載的調(diào)制信號的頻率和幅度是相同的，但是各調(diào)制信號的相位是不同的，即φ_n=(n-1) Δ_φ，Δ_φ為步進相位，n為濾波器階數(shù)，此處n=1、2、3，對調(diào)制信號的相位控制是實現(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)制信號相位滿足φ_n=(n-1)Δ_φ時，那么電磁波傳播如圖2所示。而當(dāng)調(diào)制信號相位滿足φ_n=-(n-1) Δ_φ時，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 試驗測試結(jié)果

為驗證所提出的非互易性濾波器設(shè)計理論和實現(xiàn)方法，采用平面微帶工藝，加工并試驗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管的型號為Skyworks公司的SMV1232，電感為貼片電感值為100 nH。所設(shè)計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。在試驗測試過程中，濾波器調(diào)制信號端口連接到信號發(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來實時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)制信號時，所設(shè)計的濾波器為互易的，散射參數(shù)試驗測試曲線如圖3所示。此時，信號可以從射頻端口1傳輸?shù)缴漕l端口2，同時信號也可以從射頻端口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 未加載時空調(diào)制信號時濾波器靜態(tài)響應(yīng)曲線

圖4 加載時空調(diào)制信號時濾波器散射參數(shù)測試曲線

圖4為直流偏置電壓為2.7V時的濾波器散射參數(shù)試驗測試曲線，試驗測試中的調(diào)制信號其他參數(shù)如下：低頻調(diào)制信號頻率f_m=40 MHz，調(diào)制系數(shù)Δ_m=0.09，步進相位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，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38 dB。

控制直流偏置電壓，可以實現(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，非互易性濾波器散射參數(shù)試驗測試曲線如圖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，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濾波器散射參數(shù)測試曲線

圖6 增大直流偏置電壓時濾波器散射參數(shù)測試曲線

控制直流偏置電壓，使其增大為4.0 V時，濾波器散射參數(shù)試驗測試曲線如圖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，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)計的濾波器對帶外雜散信號具有良好的抑制能力，優(yōu)于20 dB。

4 結(jié)束語

本文提出并測試驗證了一種基于時空調(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現(xiàn)集成化等問題。所設(shè)計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現(xiàn)移動通信系統(tǒng)的集成化和小型化。樣件試驗測試結(jié)果表明，頻率可重構(gòu)相對帶寬為16%，帶內(nèi)電磁波傳輸?shù)姆腔ヒ仔源笥?2 dB，對帶外雜散信號抑制能力優(yōu)于20 dB。本文所提出的非互易性濾波器設(shè)計理論和實現(xiàn)方法可以為未來B5G/6G非對稱網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)支撐，應(yīng)用前景廣泛。