一种无磁非互易性三端口环形器

技术领域

本发明属于微波、通讯技术领域，具体涉及一种无磁非互易性三端口环形器。

背景技术

随着5G技术的发展，同时同频全双工(CCFD)通信技术受到了人们的广泛关注，同时同频全双工通信技术是在同一时刻以相同的频率发送和接收信号的一种传输方式，与现有的频分双工(FDD)或时分双工(TDD)相比，同时同频全双工技术能够将无线资源的使用效率提升近一倍，从而显著提高系统吞吐量和容量，在频谱资源异常紧张的情况下显得尤为关键。该技术在雷达、微波感知、无线通信以及无线局域网系统中起着重要作用，却在射频端存在着严重的自干扰问题，而环形器在解决发射通道和接收通道之间的干扰问题上有非常显著的效果。

环形器存在发射端、天线端和接收端三个端口，其发射端发出的微波信号只能到天线端发送出去，而不能泄漏到接收端口；同时天线端接收到的微波信号只能传递到接收端口，从而避免了微波信号的相互影响，所以电磁波在环行器的各端口间的传输是非互易的，环行器的性能直接影响收发信机的整体性能。在通信或雷达系统中环形器通常用于隔离发射和接收通道。它连接天线和收、发链路，通过环形传输信号的功能使信号的收发可由一副天线完成，大大提高了系统效率，减小了部件的尺寸，节约了成本。环行器可有效解决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。

通常情况下，使用铁氧体材料实现器件的非互易特性，可铁氧体材料复杂的处理操作与现有的集成工艺不兼容，且铁氧体需要极高的温度和氧化程度，这与半导体制造是不兼容的。因此，铁氧体环行器和隔离器往往是笨重和昂贵的设备，目前不适合低成本、重量轻、小型化的应用。在近十年，一种基于时空调制的非互易环形器被提出，其解决了铁氧体的环形器体积大成本高且与集成电路技术不兼容缺点，也解决了有源环形器的噪声性能差等缺点，但是，这种基于时空调制的非互易环形器为了获得较大的延迟时间导致其面积较大，小型化程度和集成度不够高，也不能解决微带慢波延迟线在半波长处的反射问题，且其带宽仅为0.8GHz。。

发明内容

目前报道的时空调制的无磁非互易网络环形器为了获得的较大延迟，其微带延迟线的体积较大，不利于其集成，为解决上述问题，本发明提供了一种无磁非互易性三端口环形器，包括第一开关模块、第二开关模块、第一延迟线模块和第二延迟线模块；第一延迟线模块连接有第一端口和第三端口，且第一延迟线模块与第一开关模块、第二开关模块连接；第二延迟线模块连接有第二端口，且第二延迟线模块与第一开关模块、第二开关模块连接；第一延迟线模块包括输入欧姆端口、输出欧姆端口和多个单周期传输结构；单周期传输结构包括周期性加载传输线、不连续传输线和加载枝节的弯折线。

进一步的，周期性加载传输线包括双枝节加载传输线和单枝节加载传输线。

进一步的，双枝节加载传输线与单枝节加载传输线之间通过加载枝节的弯折线连接。

进一步的，第一延迟线模块和第二延迟线模块结构相同，采用罗杰斯6010LM板材，其介电常数为10.2。

进一步的，第一延迟线模块和第二延迟线模块的尺寸为76×81mm，厚度为1.27mm。

进一步的，第一开关模块采用四个单极双掷开关，第二开关模块采用一个单极双掷开关。

本发明的有益效果：

传统的微带慢波延迟线由于近端串扰与远端串扰的影响，会产生信号反射的问题，这种信号反射在半波长处累计达到最大,这两种串扰致使产生截止频率。本发明的延迟线模块在原有的SMDL(Serpentine Meandered Delay Line)的基础上，添加了不连续结构和枝节结构，这两种结构可以在一定程度上消除微带结构的近端串扰与远端串扰的造成的最强信号反射的问题，拓宽延迟线与无磁非互易性网络环形器的带宽。

本发明使用了无磁非互易性时间延迟的技术，解决了铁氧体环形器体积大、加工困难且不兼容的缺点。并对微带延迟线进行了结构改进，使三端口环形器达到小型化、无磁性及非互异性的效果。具体延迟时间在10ns左右，尺寸缩小约为76*81mm，极大程度上缩小了延迟线的体积，实现了小型化，且降低了加工的成本。

本发明在实现小型化的同时，其他参数性能也有明显的提升。其频带宽度提升至0-1.4GHz，且解决了微带结构在半波长处的最强反射问题，其各端口的回波损耗也提升至27dB左右，且隔离在35dB左右，插入损耗在1dB左右，其参数性能优异。

附图说明

图1为本发明实施例的三端口环形器模型图；

图2为本发明实施例的延迟线模块整体结构图；

图3为本发明实施例的延迟线模块局部放大结构图；

图4为本发明实施例的第一开关模块电路图；

图5为本发明实施例的第二开关模块电路图；

图6为本发明实施例的端口Port1的S参数提取图；

图7为本发明实施例的端口Port2的S参数提取图；

图8为本发明实施例的端口Port3的S参数提取图；

1-输入欧姆端口，2-输出欧姆端口，3-单周期传输结构，4-双枝节加载传输线，5-单枝节加载传输线，6-不连续传输线，7-加载枝节的弯折线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明设计了一种无磁非互易网络三端口环形器，其由开关模块和延迟线模块组成，开关模块选择的是MSW 2-20+的单极双掷开关，该单极双掷开关的工作频率为0-2GHz，具有2ns的极短的开断时间，损耗较小；使用脉冲信号控制单极双掷开关的打开与闭合，其中脉冲信号为方波，占空比50％，周期为T。延迟线模块中延迟线的延迟时间为T，其在微带慢波延迟线基础上，加入不连续结构(不连续传输线)和枝节保护结构(双枝节加载传输线和单枝节加载传输线)，在保证大延迟的基础上极大程度的缩小了该发明的尺寸，并且解决了半波长处的最强反射问题，增大了该发明的带宽宽度。

在一实施例中，无磁非互易性三端口环形器如图1-3所示，包括第一开关模块、第二开关模块、第一延迟线模块和第二延迟线模块；第一延迟线模块连接有第一端口和第三端口，且第一延迟线模块与第一开关模块、第二开关模块连接；第二延迟线模块连接有第二端口，且第二延迟线模块与第一开关模块、第二开关模块连接；第一延迟线模块包括输入欧姆端口1、输出欧姆端口2和多个单周期传输结构3；单周期传输结构3包括周期性加载传输线、不连续传输线6和加载枝节的弯折线7。

具体地，周期性加载传输线包括双枝节加载传输线4和单枝节加载传输线5两种类型，每一个单周期传输结构3中均采用了一条双枝节加载传输线4和一条单枝节加载传输线5。

具体地，每一个单周期传输结构3中，双枝节加载传输线4与单枝节加载传输线5之间通过加载枝节的弯折线7连接，且所述加载枝节的弯折线7连接的两个周期性加载传输线所成夹角为90°。

具体地，每两个单周期传输结构3通过加载枝节的弯折线7连接，不连续传输线6位于相邻两个单周期传输结构3之间，用于消除近端串扰与远端串扰的影响。

在一实施例中，如图2所示，第一延迟线模块和第二延迟线模块结构相同，采用罗杰斯6010LM板材，且介电常数为10.2，罗杰斯6010LM板材的具体尺寸选为75.67×80.94mm，厚度为1.27mm，且在0-1.4GHz频带内其延迟时间为10ns左右。在罗杰斯6010LM板材上分布有96个单周期传输结构3，每两个单周期传输结构3通过加载枝节的弯折线7连接，从而构成一条弯折周期加载传输线，所述弯折周期加载传输线的两端分别连接输入欧姆端口1和输出欧姆端口2。输入欧姆端口1和输出欧姆端口2的特征阻抗为50欧姆，用于连接开关模块。

在一实施例中，开关模块采用的开关是单极双掷开关MSW 2-20+，其开关时间短，为2ns左右，可以降低损耗。如图4所示，第一开关模块采用四个MSW2-20+组合而成，在布局中，四个MSW 2-20+两两连接围成矩形结构，与端口Port1、端口Port3分别连接的两个端口对称排列，与delay line1和delay line2分别连接的两个端口也对称排列，以保证具有相同的延迟，额外接地开关增强端口Port1和端口Port3间的隔离，开关由脉冲信号M1和M2控制其断开与闭合，所需的时间为2ns，如图5所示，第二开关模块采用单个MSW 2-20+，其由脉冲信号L1和L2控制。

本发明在ADS中对三端口环行器进行了仿真，开关模块由ADS中的四个电压脉冲信号控制，信号的上升和下降时间设置为2ns，以模拟MSW 2-20+的开关时间。在HFSS中对改进后的SMDL进行仿真，对S参数提取，数据导入ADS的联合仿真电路图中，并对每个端口加以信号源进行仿真测试，测试结果如图6-8所示，图6为端口1的S参数仿真结果图，S11为端口1的回波损耗，其值约为28dB左右；S21为端口1的插入损耗，其值约为1dB左右；S31为端口1的隔离，其值约为35dB左右。图7为端口2的S参数仿真结果图，S12为端口2的隔离，其值约为35dB左右；S22为端口2的回波损耗，其值约为28dB左右；S32为端口2的插入损耗，其值约为1dB左右。图8是端口3的S参数仿真结果，S13为端口3的插入损耗，其值约为2dB左右；S23为端口3的隔离，其值约为35dB左右；S33为端口3的回波损耗，其值约为28dB左右。。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。