體聲波環行器的研究進展

袁 靖,高 楊,任萬春

1.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010；2.西南科技大學 微系統中心，四川 綿陽 621010)

0 引言

環行器能夠將進入其任一個端口的入射電磁波按照偏置(磁場偏置或角動量偏置)確定的方向傳入下一個端口，反向則不能傳輸，因此可以控制電磁波沿某一方向進行環行傳輸[1]。在現代無線射頻領域和雷達通信系統中可用環行器作為雙工器，實現了收發機共用一副天線,并能充分利用空間資源，成倍提高信道容量[2]。

迄今為止，環行器的非互易性幾乎都是通過磁場偏置條件下的鐵磁材料來實現[3]。但這種結構的環行器存在體積大，價格貴，與IC工藝集成難度高等缺點。環行器在無線通信系統中越來越重要，為了解決鐵磁環行器在應用中的難題，研究人員開始探索無磁環行器[4]。同時，微機電系統(MEMS)促進了微細加工技術的發展，使得制造體聲波(BAW)器件不再困難[5]。BAW環行器憑借其小尺寸、低成本及與CMOS工藝兼容等優點，近年來已成為射頻前端中非互易性器件的研究熱點。

1 結構和工作原理

1.1 結構

BAW環行器主要由3個完全相同的調制電路和體聲波諧振器(BAWR)以Y型連接構成[6]，如圖1(a)所示。BAWR用于提供電路的固有諧振頻率，調制電路主要用于對變容器施加幅值相等、相位差120°的調制信號，進而實現對BAWR的時空調制(STM)。該調制方式涉及調制信號的相位隨時間和空間(φ方向)變化。由圖1(b)可見，高通濾波器(HPF)為了阻止高電壓的調制信號進入射頻端口損壞矢量網絡分析儀的接收機，LC帶通濾波器(bpf)有線性的帶寬可用來挑選不同頻率和幅值的調制信號，第二個bpf和泄露電阻(Rb)用來阻止調制信號進入BAWR網絡。

圖1 BAW環行器的結構和調制電路示意圖

1.2 工作原理

BAW環行器的原理可簡述為[7]：通過對3個強耦合的BAWR進行STM，將有效的角動量偏置引入到BAWR諧振網絡，進而改變調制系統的轉動狀態，有效地實現了非互易性的功能。BAW環行器的STM工作原理如圖2所示。

圖2 BAW環行器的STM示意圖

對BAWR進行STM調制，使得其諧振頻率隨時間變化分別為

ω1(t)=ω0+δωmcos(ωmt)

(1)

ω2(t)=ω0+δωmcos(ωmt+2π/3)

(2)

ω3(t)=ω0+δωmcos(ωmt+4π/3)

(3)

式中：ω0為諧振器固有諧振頻率；ωm為調制信號頻率；δωm為調制信號幅值。

當調制信號為0，即δωm=0時，系統支持兩種方向相反的轉動狀態：

(4)

ω±=ω0+κ

(5)

式中：a±為系統的狀態向量，它的狀態變量為3個BAWR的復振幅,a+為系統逆時針轉動狀態向量，角頻率為ω+,a-為系統順時針轉動狀態向量，角頻率為ω-；κ為諧振器之間的耦合系數。

當調制信號不為0時，調制會混合這些狀態產生新的轉動狀態：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

由式(6)～(10)可看出，兩種轉動狀態被Δω分離，調節調制頻率能夠改變系統轉動的狀態，為BAW環行器的非互易性提供了直接證據。與傳統鐵氧體環行器相似，只是使用STM引入的角動量偏置代替Δω。

2 研究現狀

環行器作為非互易性射頻器件中最重要的器件之一，在通信系統中起著至關重要的作用。幾十年來，人們已經提出了多種打破互易性的方法實現環行器功能。環行器主要分為鐵氧體環行器和無磁環行器兩大類。

傳統鐵氧體環行器通過向鐵磁材料施加強的偏置磁場來實現非互易性[8]；盡管其可用性很成熟并廣泛，但鐵氧體環行器因其尺寸龐大，且磁性材料與IC技術的不兼容性，在很大程度上限制了其集成[9]。因此，無磁環行器的研究對于實現低成本、小規模、集成化的無線射頻前端系統非常必要[10]。

1989年，Ayasli Y等[11]利用晶體管固有的非互易性，提出了一類無磁的有源環行器。但這類環行器的噪聲系數和功率處理性能都很差[12]，并未得到廣泛使用。

近年來，線性周期時變(LPTV)電路被提出作為實現無磁非互易性的另一種方法，該方法具有低損耗、小噪聲、瓦特級功率處理等優點，成為無磁環行器的研究主流[13]。

2014年，Estep N A等[14]利用LPTV提出了一種LC環行器，通過STM角動量矢量偏置原理能提供低噪聲和高隔離度。LC環行器有三角型和Y型兩種結構，如圖3所示。LC諧振器由于具有較低的品質因數Q，需要環行器具有較高的調制幅值，導致了低的功率容量。此外，該環行器使用固態變容器來實現BAWR諧振頻率的調制，從根本上限制了環行器的線性度，使調制網絡復雜化。

圖3 三角型和Y型LC環行器電路示意圖

在LC環行器的基礎上，2018年,Torunbalci M M等[6]首次提出了BAW環行器。其結構、原理與LC環行器基本相同，僅用薄膜體聲波諧振器(FBAR)替代了LC諧振器(見圖1(a))。FBAR也屬于BAW器件中的一類。因為FBAR比LC諧振器有更高的Q值，因此，僅需較低調制頻率即可實現高隔離度[15]。但BAW環行器的調制電路需要多個濾波器，這會導致器件的插入損耗和尺寸均增大。

上述單端的LC環行器和BAW環行器都存在一個缺陷：射頻(RF)信號和調制頻率信號之間的混合會引起互調分量變高，導致該問題的主要原因是調制參數與互調分量、插入損耗等性能之間的關聯。為了降低插入損耗，需要同時增加調制信號的頻率和幅值，但此時會產生高的互調分量；反之，當降低互調分量時，需要增加調制信號的頻率或幅值，但又會出現高的插入損耗。因此，單端BAW環行器需要在互調分量和調制參數之間折衷考慮。

為了解決調制參數與互調分量、插入損耗等性能之間的關聯問題，2018年，Kord等[16]提出了電壓模式和電流模式的差分STM環行器。通過匹配兩個單端環行器，每個環行器由3個一階帶通或帶阻LC濾波器組成，以Y型或三角型拓撲連接，如圖4所示。差分環行器通過巴倫結構來實現。巴倫(Lrf和Crf)用來實現兩個幅值相等、相位相反的輸入信號，巴倫(Lm和Cm)用來實現兩個單端環行器的STM信號,其相位差180°。差分環行器能夠完全抑制互調分量，克服單端環行器結構的限制，改善插入損耗、阻抗匹配、帶寬和噪聲。

圖4 電壓和電流差分STM環行器的電路示意圖

在差分環行器的基礎上，2018年，Yao Yu等[17]首次提出了一種RF微電子機械諧振環行器(MIRC)，該成果也申請了一項發明專利[18]。無磁非互易性是通過將有效的角動量偏置引入到MEMS諧振電路來實現的。角動量偏置是通過3個強耦合的高Q(>1 000)AlN輪廓模式諧振器(CMR)的STM來實現的。MIRC結構的原理圖如圖5(a)所示。CMR也是BAW器件中的一種，它利用了體聲波的橫向振動。該環行器采用開關電容來實現頻率調制，最大限度地降低了調制網絡的復雜性，提高了調制效率，緩解了與變容器相關的基本線性度的限制。為了降低插入損耗，還使用了巴倫耦合兩個BAW環行器結構，如圖5(b)所示。

圖5 MIRC和差分MIRC的結構示意圖

2019年，Torunbalci M M等[19]最先提出了一種全MEMS BAW環行器，調制電路中不需要任何變容器和開關。使用了差分BAW環行器結構，利用自身的彎曲振動模式機械調節FBAR諧振頻率，差分BAW環行器結構如圖6(a)所示。FBAR的彈性順度(用Cx1等效)是彎曲模式的運動電荷(qm)的函數。圖6(b)為1個FBAR支路的等效電路模型，包括了FBAR和彎曲模式對應的兩個BVD分支。圖6(c)為3個FBAR組成的1個單端BAW環行器。

圖6 機械調制的BAW環行器結構框圖

表1為上述幾種BAW環行器的性能總結和比較。由表可見，差分結構BAW環行器具有更低的插損。

表1 幾種BAW環行器的結果總結和比較

3 印制電路板(PCB)布局和測試

3.1 PCB布局

圖7(a)為單端BAW環行器的PCB布局圖[6]，其面積為96 mm2。中心的FBAR芯片組占最小的分量，98%的面積由圍繞變容管的調制電路占據。圖7(b)為差分BAW環行器的PCB布局圖[19]。差分BAW環行器PCB中99.99%的體積被SMA連接器所占據，用于提供3路RF和6路調制信號，以及RF功分器T線。每個FBAR芯片為0.5 mm×0.5 mm×0.2 mm，芯片總體積為0.1 mm3。

圖7 單端和差分BAW環行器的PCB布局

3.2 測試

BAW環行器實驗所需裝置如圖8(a)所示，包括了兩個鎖相的射頻信號發生器用以產生調制信號，電源為變容器提供直流的偏置電壓。采用矢量網絡分析儀測量待測器件(DUT)的散射參數，示波器測量電路中的電壓、電流、功率等參數。

圖8 BAW環行器測試

4 結束語

BAW環行器目前仍處于研發起步階段，國外的研究主要集中在美國的Northeastern University、Purdue University、Texas University等高校，國內目前尚無這方向的報道。但因BAW環行器具有小尺寸、低成本及與CMOS工藝兼容等優異的性能，故該技術擁有非常大的發展潛力，在先進無線通信系統中將具有廣闊的市場前景。

BAW環行器的研究主要集中于對結構改進和調制電路的優化，以達到更好的性能。差分環行器需要6個相位的調制時鐘，雖然這些可以由CMOS振蕩器芯片提供，但實施較復雜，未來的設計將探索利用行波超聲波傳遞調制時鐘的不同相位[19]。目前，BAW環行器在邁向工業應用過程中還存在帶寬、功率容量和線性度等技術難題，尚有很大的研究探索空間，而這些問題也將引領BAW環行器的技術發展趨勢。