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一种微波单向器的制作技术方案

来源:本站 时间:2021-04-21 11:02:44

  本发明涉及微波电路模块/组件领域,具体涉及一种微波单向器。

  背景技术:

  在微波电路模块/组件技术领域中,存在一种具有微波单向传输特性的非互易性器件或电路(简称微波单向器),其基本特点是:如图1(a)所示,在规定的方向上传输微波信号时仅有很小的损耗,而在其它方向上传输时就有很大的损耗(隔离)。

  正因为微波单向器的这种独特特性,其在各种微波电路模块/组件,分系统,整机中被广泛应用,用来实现诸如级间隔离,防止串扰,阻抗匹配,去耦,收发双工等作用,从而达到保护系统,有效地提高系统稳定性,可靠性的目的。常见的应用场景如下:

  1)射频链路中的前后级之间插入微波单向器,可改善前后级的阻抗匹配,防止后级电路所产生的输出功率反向传输到前级影响前级的正常工作状态,从而保护前级电路;

  2)在微波收发电路中,微波单向器被用作双工器(如下图1(b)所示),以将发射信号直接送到天线发射出去;同时来自天线的接收信号也会直接进入接收机。而不允许信号直接从发射机到达接收机,从而保护接收机。

  3)在功率合成电路中(如下图1(c)所示),微波单向器常被用于提高合成系统的隔离度,防止由两个放大器之间的串扰所产生的互调。

  上世纪中叶,微波技术中的一大突破是铁氧体的发现。铁氧体是由金属氧化物构成的一类陶瓷性磁性材料。由于铁氧体旋磁材料是一种各向异性磁性物质,它的磁导率随外加磁场而变;这种材料在外加微波场与恒定直流磁场共同作用下,产生旋磁特性(又称张量磁导率特性)。正是这种旋磁特性,使在铁氧体中传播的电磁波发生极化的旋转(法拉第效应),以及电磁波能量强烈吸收(铁磁共振)。环行器,隔离器就是利用这种材料在直流磁场和微波场共同作用下呈现出的旋磁特性研制而成的微波单向器(如2图所示)。

  其中图2(a)为环行器。微波信号只能向一个方向传输,即从1到2,从2到3和从3到1是导通的。反过来信号从2到1,从3到2和从1到3是隔离的;当在环行器的一个端口接50欧姆负载,就形成了隔离器,如图2(b)所示。

  现有铁氧体微波单向器存在以下诸多不足:

  1)常规的工作频率范围为100mhz~40ghz,理论上低于100mhz也可以实现,但难点在于要求铁氧体的磁矩低,偏置磁场要求很低,且外形尺寸很大,不容易甚至无法实现。同时,上限工作频率理论上也可达100ghz,但由于工作频率高,产品的加工精度难保证,生产调试困难,同时,产品尺寸相对于同系统中其他器件的尺寸依然很大,因此,基本上也不采用。

  2)产品的相对工作带宽窄:通常≤50%,不适用于宽带应用;

  3)体积大,无法适用于许多空间较小的系统或设备,且工作频段越低体积越大,如某公司的12-55mhz铁氧体单向器的体积80×80×28。

  4)结构复杂,可靠性相对较低。

  随着电子设备技术的发展,对各类微波单向器的需求最愈来愈大,同时,对单向器的指标要求也越来越高,尺寸要求越来越小,用传统的氧体技术体系来实现单向器已经不能满足很多现代系统的要求。上述问题,亟待解决。

  技术实现要素:

  本发明提出的一种微波单向器,可解决常规铁氧体微波单向器存在的一些问题,如结构复杂,尺寸大,可靠性相对较低,使用频率范围窄,不能满足很多场合的需求的技术问题。

  为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:

  一种微波单向器,包括非互易半导体器件与前后级的衰减网络;

  所述前级衰减网络作为单向器的输入级与前级链路连接;

  所述后级衰减网络作为单向器的输出级与后级链路连接;

  从输入级到输出级形成的射频链路为信号传输通道;

  所述输入级到输出级形成的射频链路两侧设置电磁屏蔽结构。

  进一步的,所述非互易半导体器件的输入/输出端之间也设置电磁屏蔽结构。

  进一步的,所述非互易半导体器件可以是适合其应用场合的具有信号传输非互易特性的任何器件,如微波放大器,混频器,运算放大器等等。。

  进一步的,所述传输通道为n个,n为大于等于1的自然数;

  每个传输通道由单向器输入衰减网络与前级链路相连接,所述非互易半导体器件的输出端经输出衰减网络与后级电路连接;

  所述n个传输通道共用一个前级链路作为输入端,然后通过功分器再分别与对应的后级连接。

  进一步的,所述传输通道个数n=2。

  进一步的,所述衰减网络可以是适用于其应用场合的具有信号衰减作用的任何衰减电路,如分立电阻网络构成的π型或t型衰减网络,固定衰减器芯片等等。

  进一步的,多级微波单向器可以直接级联应用,以提高系统的单向传输特性。

  进一步的,所述前级链路与后级链路可以是适合其应用场合的任何微波信号电路,如放大链路,混频链路或滤波器等等。

  由上述技术方案可知,本发明的微波单向器利用具有微波传输非互易特性的微波半导体器件来设计微波单向器。

  当频段较高时(如≥100mhz)时,利用微波放大器,混频器等本身具有微波传输非互易特性的半导体器件,配合简单而适当的外围电路即可实现所需的微波单向传输特性;

  当频段较低时(如<100mhz)时,可利用运算放大器及其外围电路来实现信号传输的非互易性。

  当单向电路的单向指标要求很高时,可以选用以下几种方式:

  1)多级具有微波传输非互易特性的微波半导体器件进行级联使用;

  2)在具有微波传输非互易特性的微波半导体器件前后串联适当的衰减网络;

  3)还可以通过其它电磁屏蔽结构的辅助,以防止由于空间耦合等因素恶化微波单向传输特性。

  由于本发明所涉及的这种微波单向电路设计中不涉及铁氧体材料,因此,不具有背景技术中所介绍的铁氧体单向器所具有的先天缺陷。

  该方法的优势在于:

  1)采用半导体器件,不再采用铁氧体技术,有利于系统集成度与产品可靠性的提高;

  2)采用半导体器件,产品工作频率范围宽,相对带宽也宽,适用范围更广。从某种程度上来说,本发明所涉及的这种微波单向电路的工作频率范围几乎没有限制,可以覆盖dc-太赫兹,只要此类半导体芯片支持多高的工作频率,它就可以适用多高的频率范围。

  3)采用半导体器件,设计方案的自由度大,更容易实现;

  因此,本发明所涉及的这种微波单向电路具有工作频率范围宽,相对工作带宽宽,体积小,结构简单,应用方便等优点。可以很好的顺应微型化电子器件的发展需求。

  附图说明

  图1是现有微波单向器存在特点示意图;

  图2是现有环行器,隔离器的结构示意图;

  图3是本发明的结构示意图;

  图4是本发明实施例一的结构示意图;

  图5是本发明实施例二的结构示意图;

  图6是本发明实施例π型或t型电阻网络结构示意图;

  图7是本发明实施例的放大器信号传输特性曲线图。

  具体实施方式

  为使本发明实施例的目的,技术方案和优点更加清楚,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,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。

  如图1所示,本实施例所述的微波单向器,包括非互易半导体器件与前后级的衰减网络;

  所述前级衰减网络作为单向器的输入级与前级链路连接;

  所述后级衰减网络作为单向器的输出级与后级链路连接;

  从输入级到输出级形成的射频链路为信号传输通道;

  所述单向器输入级到输出级形成的射频链路两侧设置电磁屏蔽结构;

  所述非互易半导体器件的输入/出端之间也设置电磁屏蔽结构。

  其中,所述的非互易半导体器件可以是微波放大器,混频器,运算放大器及其其它具有非互易传输特性的半导体器件。

  所述的衰减网络可以是由分立电阻网络构成的π型或t型衰减网络,也可以是固定的衰减器芯片,或其它形式的具有衰减作用电路或网络等。

  以下结合具体应用来说明:

  实施例1:

  实施例1的结构设计示意图见图1。此实施例用于在不改变其它链路特性指标的前提下,改善射频链路中输出到输入的反向隔离度。

  图中①为射频链路中的前级电路;②④为可选衰减网络;③微波放大器电路或运算放大器电路(含外围电路);⑤为射频链路中的后级电路;⑥射频链路两侧的电磁屏蔽结构;⑦跨越该微波单向器的电磁屏蔽结构。

  其中②④所示的可选衰减网络与③所示的微波放大器电路或运算放大器电路(含外围电路)构成了该结构中的微波单向器。

  其中,根据该微波单向器的工作频率,可以选择采用微波放大器或运算放大器。通常工作频率≥100mhz时,选用微波放大器;当工作频率<100mhz时,选用运算放大器。

  其中②④所示的可选衰减网络具有三个作用:1)前后级的阻抗匹配;2)调节射频链路的功率电平或动态特性,防止射频链路中的电路工作在非线性状态;3)尽管衰减网络不具有单向传输特性,但它确为反向器提供了附加反向隔离度。

  根据所需的电性能指标要求,并综合整个链路的单向传输特性要求,前后级有源器件的动态范围,及放大器自身的反向传输特性等诸多因素来设计其中②④所示衰减网络的衰减量及③所示的微波放大器电路。

  其中⑥所示的射频链路两侧的电磁屏蔽结构及⑦所示的跨越该微波单向器的电磁屏蔽结构,均是为了防止由于空间耦合而恶化链路的单向传输特性。

  实施例2:

  实施例2的结构设计示意图见图2。此实施例用于在不改变其它链路特性指标的前提下,改善任意输出到输入,及两个输出端口(输出i与输出ii)之间的互相隔离度。

  该实施例2与实施例1相比,实施例1仅能改善输出到输入的单向隔离度;而实施例2能改善输出到输入的单向隔离度,同时还能改善两个输出端口之间的双向隔离度。

  其中①所示是射频链路的前级链路;②所示是功分器;③所示是两个微波单向器的前级衰减网络;④所示是两个微波单向器的非互易半导体器件;⑤所示是两个微波单向器的后级衰减网络;⑥所示是射频链路的后级链路;⑦所示是射频链路两侧的电磁屏蔽结构;⑧所示是跨越两个微波单向器的电磁屏蔽结构。

  其中,每个微波单向器电路的设计原则与实例1中相同。

  设衰减网络③⑤的衰减量为10db,每个微波单向器电路的非互易半导体器件④的反向隔离度为20db。

  其中衰减网络,在工作频率不是太高的情况下,可以采用型或t型电阻网络来实现,如可以采用如图6所示的型或t型电阻网络来实现衰减量为10db的衰减网络。

  其中非互易半导体器件需要根据特定的应用场合来选择适合的器件,在实施例1中采用放大器,某一个产品中选用了美国qorvo的sbb-5089,其信号传输特性如图7所示。左图为s21表示正向传输增益;s12表示反向隔离。因此,应用该型器件在dc-4ghz范围内可以实现的反向隔离度≥22.5db。

  在有些场合需要采用混频器等其它具有非互易传输特性的器件。

  实施例中的前级电路可以是放大链路或混频链路,后级电路可以是放大链路,或滤波器等。具有电路形式需要根据实际应用需求来最终确定。

  则该实例的每个输出到输入的反向隔离度较未采用该微波单向器的原链路增加40db。两个输出之间的互相隔离度也均增加40db。

  以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

  技术特征:

  1.一种微波单向器,其特征在于:包括非互易半导体器件与前后级的衰减网络;

  所述前级衰减网络作为单向器的输入级与前级链路连接;

  所述后级衰减网络作为单向器的输出级与后级链路连接;

  从输入级到输出级形成的射频链路为信号传输通道;

  所述输入级到输出级形成的射频链路两侧设置电磁屏蔽结构。

  2.根据权利要求1所述的微波单向器,其特征在于:所述非互易半导体器件的输入端与输出端之间也设置电磁屏蔽结构。

  3.根据权利要求2所述的微波单向器,其特征在于:所述非互易半导体器件是微波放大器,混频器,运算放大器之一。

  4.根据权利要求1所述的微波单向器,其特征在于:所述传输通道为n个,n为大于等于1的自然数;

  每个传输通道由单向器输入衰减网络与前级链路相连接,所述非互易半导体器件的输出端经输出衰减网络与后级电路连接;

  所述n个传输通道共用一个前级链路作为输入端,然后通过功分器再分别与对应的后级连接。

  5.根据权利要求4所述的微波单向器,其特征在于:所述传输通道个数n=2。

  6.根据权利要求1-5任意一项所述的微波单向器,其特征在于:所述衰减网络是分立电阻网络构成的π型或t型衰减网络或者固定衰减器芯片之一。

  7.根据权利要求6所述的微波单向器,其特征在于:所述前级链路与后级链路是放大链路,混频链路或滤波器之一。

  技术总结

  本发明的一种微波单向器,可解决常规铁氧体微波单向器存在结构复杂,尺寸大,可靠性较低,使用频率范围窄,不能满足需求的技术问题。包括前级衰减网络,非互易半导体器件和后级衰减网络;前级衰减网络作为单向器的输入级与前级链路进行连接;后级衰减网络作为单向器的输出级与后级链路进行连接;从输入级到输出级形成的射频链路为传输通道;非互易半导体器件输入/出端之间,及单向器输入级到输出级形成的射频链路两侧设置电磁屏蔽结构。本发明采用半导体器件,产品工作频率范围宽,相对带宽也宽,适用范围更广;本发明的工作频率范围几乎没有限制,可以覆盖DC?太赫兹,只要此类半导体芯片支持多高的工作频率,它就可以适用多高的频率范围。

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