差分環行器的研究進展

張冰濱，吳昭曄，高 楊,,3

(1.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽 621010；2. 特殊環境機器人技術 四川省重點實驗室，四川 綿陽 621010； 3.西南科技大學 微系統中心，四川 綿陽 621010)

0 引言

環行器是一種多端口非互易器件，能單向環行傳輸(順時針或逆時針)高頻信號，可用于雷達、基站等的接收發系統[1-3]，實現發射信號和接收信號間的隔離。目前，商用環行器大部分為基于磁偏置的鐵氧體環行器，這種環行器存在體積大，價格高，難以集成等缺點[4-8]。基于時空調制角動量(STM-AM)偏置的環行器是一種新型無磁環行器，其實現不需要鐵氧體材料和強偏置磁場，具有小型化、平面化、與CMOS工藝兼容等優勢[9-11]。但單端STM-AM環行器的主要缺陷為，射頻輸入和相對較低頻率的調制信號之間的混合所產生的互調產物(IMP)不僅會對相鄰通道造成干擾，還需要較大的調制參數才能實現良好的性能，更重要的是，IMP會將最小插入損耗(IL)限制在3 dB左右[11-12]。，遠高于鐵氧環行器，這削弱了無磁環行器的優勢。因此，抑制IMP至關重要。差分環行器將兩個單端環行器與反相時空調制(STM)偏置相結合，能夠克服單端架構的限制，有效地消除IMP，從而改善IL和帶寬[13]，降低對調制幅度和調制頻率的要求，有助于在商用系統中使用STM-AM無磁環行器[14]。

本文描述了差分環行器的基本原理，從電路結構和調制方式兩方面總結了差分無磁環行器的研究現狀，介紹了差分環行器的常用測試方法，最后初步探討了差分環行器的發展方向。

1 原理

單端STM-AM環行器的基本物理原理與磁環行器相同，即諧振結中兩個反向旋轉模式之間的簡并性被施加的偏置打破。這是通過用具有相同頻率和振幅、120°相位差的相移周期信號調制諧振器的自然振蕩頻率來實現，以體聲波(BAW)環行器為例，單端BAW環行器的STM-AM偏置示意圖如圖1所示[15]，其中第n個BAW諧振器(BAWR)的頻率被調制[11]為

fn=f0+kVmcos(ωmt+φn)

(n=1,2,3)

(1)

式中：f0為BAWR的靜態未調制諧振頻率；Vm，ωm=2πfm分別為調制幅度和調制角頻率；k為常數，量化調制電壓對BAWR諧振頻率的影響；φn=(n-1)α，α=120°，根據定義，角動量偏置方向是調制信號相位增加的方向[14]。

圖1 BAWR的STM-AM示意圖

無調制信號時，順時針和逆時針兩種旋轉模式是同頻反相的，STM使兩種模式分離。將圖1中第n個諧振器的電流表示為

in=i+ej(n-1)α+i-e-j(n-1)α

(2)

式中i+ej(n-1)α、i-e-j(n-1)α是兩種反向旋轉模式，這兩種模式的相位分別按順時針和逆時針方向增加，在一個周期內增加至360°[12]。一般還存在一個公共模式i0，但施加調制信號后公共模式為0，這也是實現STM-AM環行器的必要條件之一。

差分環行器在原有條件下，要求兩個單端環行器的調制頻率具有180°相位差，假設在式(1)中調制信號增加一個恒定的相位θ，即φn=(n-1)α+θ，增加相位后，旋轉模式的基本組成不變，而頻率為ω±ωm的IMP變為[14]：

V±(ω?ωm,ω)=V±(ω?ωm,ω)|θ=0°e±jθ

(3)

I±(ω?ωm,ω)=I±(ω?ωm,ω)|θ=0°e±jθ

(4)

式中V±(ω?ωm,ω)，I±(ω?ωm,ω)分別是輸入信號頻率為ω的IMP的傅里葉變換。構成差分環行器的兩個單端BAW環行器完全相同，但兩個BAW環行器的調制信號相位差為180°。通過設計電流模式差分結構和電壓模式差分結構，使得IMP能夠在端口處相互抵消。因此，從端口處看，差分環行器就是一個“線性時不變(LTI)”系統，使得由IMP產生的損耗變得很小[16]。

2 電路結構

Estep N A等[10]首先提出了一種基于STM-AM偏置的三角型LC環行器，通過對3個LC諧振網絡施加120°相位差的調制信號實現非互易性，能取得較高的隔離度，但該結構需要雙工器實現調制信號和輸入信號的隔離，這使設計復雜化，并影響整體性能。隨后，Estep N A等[11]以Y型拓撲連接LC諧振器，解決了三角型架構存在的主要問題。但LC環行器存在一個固有缺陷：由于LC諧振器的品質因數Q較低，為了實現高隔離度環行器，對調制幅值和調制頻率的要求很高，增加了功耗，導致了低功率容量。Torunbalci M M等[17]用薄膜體聲波諧振器(FBAR)提供固有振蕩頻率，首次實現了基于STM-AM偏置的BAW環行器，BAWR的Q值高于LC諧振器，這放寬了對調制信號的要求，與LC環行器相比，BAW環行器僅需較低的調制頻率即可實現高隔離度。單端的LC環行器和BAWR都面臨一個共同問題：調制信號和輸入信號混合產生的IMP會對環行器的性能造成影響，特別是環行器的插入損耗。

為了消除IMP，Kord等[13]提出了一種差分LC環行器：將兩個單端的STM-AM環行器結合，每個環行器由3個一階的LC帶阻濾波器組成，以三角型拓撲連接，如圖2所示[13]。利用相位差為120°的調制信號分別對每個一階LC帶阻濾波器進行時間調制，且兩個單端環行器的調制信號保持180°的相位差。與單端的環行器相比，本文所提出的差分環行器消除了偶次IMP，在一定程度上改善了插入損耗和帶寬。

圖2 差分無磁環行器結構

在上述差分結構的基礎上，Kord等[14]提出了電壓模式和電流模式差分LC無磁環行器，如圖3所示[14]，電壓模式差分環行器為帶阻三角型連接，電流模式差分電路為帶通Y型連接。與傳統的差分時變電路不同，傳統的差分時變電路只能抑制偶數或奇數IMP，本文報道的差分結構消除了所有的IMP。這種特性克服了單端架構的局限性，改善了環行器的插入損耗、帶寬和噪聲系數，且放寬了對調制頻率和調制幅度的要求。此外，為了增大差分環行器的帶寬，Kord等[18]將電流模式差分環行器與3個相同的帶通濾波器相結合構成寬帶無磁環行器，帶通濾波器分別位于差分環行器的3個端口。這一結構將20 dB隔離帶寬增加到中心頻率的14%。

圖3 電流模式和電壓模式結構

雖然差分LC環行器已取得了較好的性能，但仍需相對較大的調制頻率。Yao Yu等[19]提出了一種基于氮化鋁(AlN)輪廓模式諧振器(CMR)的差分環行器。差分電路為電流模式拓撲結構，由2個CMR單端環行器直接連接構成。Yao Yu等[20]隨后提出了基于FBAR的差分環行器，采用高Q值的FBAR不僅進一步改善了環行器的插入損耗和隔離度，還減小了功率損耗，如圖4所示[20]，電路包含兩個相位差Δφ為180°的分支，每個單端分支中，FBAR與電感并聯，以使FBAR在中心頻率附近具有更高的機電耦合系數。

圖4 差分式BAW環行器電路結構

為了進一步降低差分環行器的尺寸和成本，使其能夠應用于小型化設備，Kord等[21]基于改進的電流模式差分結構實現了集成的無磁環行器，該結構將Y型電感轉換為三角型連接，并將開關電容并聯在電路中調制諧振頻率，減小了電路寄生，提高了環行器的線性度和功率容量，從而使電路易于集成，封裝的CMOS芯片尺寸僅為36 mm2。Torunbalci M M等[22]針對BAWR提出了一種純微機電系統(MEMS)的差分環行器，通過消除對片外有源器件的需要，縮減了環行器尺寸。Changting Xu等[23]提出了一種MEMS可集成環行器的實現方案：采用RF開關參數調制由MEMS濾波器構成的線性時不變網絡，如圖5所示[22]，電路由2個參數調制的LTI網絡構成，每個LTI網絡中，3個1.2 GHz的MEMS濾波器以三角型結構連接。MEMS濾波器和RF開關均與CMOS技術兼容，且MEMS濾波器本身可提供良好的帶通濾波，因此不需要使用額外的濾波器。表1為幾種差分環行器實測性能對比。

圖5 MEMS濾波器構成的差分環行器電路結構

表1 幾種差分環行器實測的性能對比

3 調制方式

2013年，Sounas等[24]首次引入了有效角動量(AM)偏置的概念來設計環行器：用具有適當相位關系的信號在3個或更多等間距點調制環形諧振器的介電常數，這種調制方式消除了反向諧振態間的簡并性，從而實現了強非互易性。2014年，Fleury等[25]在聲學中應用了AM偏置，使用3個以120°間隔放置的風扇，通過機械旋轉圓柱形波導管內的空氣實現AM偏置。同年，Estep等[10]用120°相移信號分別調制3個LC諧振電路的自然振蕩頻率，進一步將AM概念擴展到無線電頻率。Kord等[14, 16, 18]將這一概念發展為一套更嚴謹的理論——STM-AM偏置，為實現幾個性能卓越的新型無磁環行器奠定了基礎[26]。

實現STM-AM偏置的一種方式是變容二極管直接調頻，利用變容二極管結電容隨反向偏置電壓變化的特性，將變容二極管接入諧振回路中作為可控電容元件，則回路電容隨調制電壓變化，從而改變振蕩頻率，達到調頻的目的[27]。這種調制方式通常需要在帶通濾波器間連接變容二極管，以使交流調制信號和直流偏置信號能通過單獨的路徑施加到變容二極管上，同時避免調制信號進入輸入網絡分析儀和諧振結，但該方式需大量的濾波器，增加了電路的復雜度和印制電路板(PCB)尺寸。Kord A等[12]提出了一種基于LC帶阻濾波器的三角型環行器，其調制電路如圖6所示。調制信號通過匹配網絡Lm和Cm施加到變容二極管上，該網絡還充當射頻信號的帶阻濾波器，從而防止其進入調制端口，直流偏置通過大電阻RB和調制信號相結合。此外，由于對稱性，調制信號在端口處形成虛擬接地，因此，不需額外濾波器來阻止調制信號泄露到輸入輸出端口，降低了調制電路的復雜度。隨后Kord A等提出的電壓模式差分環行器也采取了此調制電路結構，不同的是為了使兩個單端環行器的調制信號具有180°相位差，交流調制信號通過巴倫電路(包括一個輸入端口和兩個差分端口)輸入電路。

圖6 優化的變容二極管調制電路

變容二極管直接調頻的調諧范圍較大，但限制了環行器的線性度，且通常需在變容二極管的調制指數和Q之間進行權衡，使設計復雜化[28]。因此，Yao Yu等[19-20]提出了基于開關電容調制的MEMS環行器，其電路結構示意圖如圖7(a)所示。通過控制開關的通斷來改變氮化鋁輪廓模式諧振器(CMR)的諧振頻率：當開關接通時，由于短路電容為0，不會改變CMR的諧振頻率；當開關斷開時，電容與CMR串聯，改變了諧振頻率。RF開關由具有50%占空比和在特定方向(順時針或逆時針)增加120°相位的方波信號調制，調制信號間的相位關系如圖7(b)所示。圖中，T為調制周期，T0為方波脈沖寬度[22]，T0/T為占空比。與變容二極管調制相比，利用開關電容調頻的方法通過數字信號打開和關閉開關，因此不需要任何濾波器來隔離射頻輸入信號和調制信號，最大限度地降低了調制網絡的復雜性，緩解了與變容器相關的基本線性度的限制。當電容與諧振器串聯時，在不增加顯著損耗的情況下提高了調制效率。

圖7 開關電容調制的MEMS差分環行器

針對FBAR，Torunbalci M M等[22]提出了一種機械調制方法，提出的差分電路包含2個并聯的FBAR芯片，每個FBAR芯片包括3個相同的FBAR，單個FBAR采用BVD等效電路建模，如圖8所示，該電路具有彎曲模式和FBAR對應的兩個分支。在調制信號作用下驅動彎曲振動模式，在諧振器中產生動態應力，進而改變FBAR壓電層的剛度，導致FBAR的串聯和并聯諧振頻率發生變化，從而達到調頻的目的。與前兩種調制方式相比，這種方式不需要任何片外調諧元件，不僅簡化了電路，還改善了線性度和功率容量。

圖8 機械調制的FBAR環行器等效電路模型

4 測試

圖9為差分環行器的測試裝置。射頻信號發生器輸入3個具有相同振幅和120°相位差的信號，信號經過差分端口產生2個幅值相同，相位相差180°的信號。在測量環行器的S參數時，2個射頻端口連接到矢量網絡分析儀(VNA)，第三個端口連接50 Ω負載[13]。對于開關電容調制的差分環行器，可通過反相器產生相位相反的方波[22]，六反相器具有3個輸入信號和3對輸出信號，每對輸出信號中，其中一個與輸入信號相同，另一個與輸入信號相位相反。

圖9 差分環行器的測試裝置

5 結束語

本文對差分環行器的原理、結構、調制方式和測試方法進行了總結和討論。從電路結構看，差分結構能克服單端缺陷，有效改善了環行器的性能。由表1可看出，在插入損耗和隔離度相差小時，差分BAW環行器所需調制頻率遠低于LC差分環行器，能直接降低環行器的總功耗，因此差分BAW環行器可能成為STM-AM環行器的主要發展方向。從調制方式看，基于變容二極管調制的差分環行器中，調制電路占據了大部分面積，為了減小環行器的尺寸，一種解決方案是使用開關電容代替變容二極管，用數字時鐘取代了正弦調制信號，這種調制方式不需復雜的偏置網絡，能顯著地減小電路尺寸，同時提高調制效率。從近期的研究成果看，差分STM-AM環行器仍具有巨大的潛力和研究空間，在保持現有優勢的基礎上，未來的研究需要進一步降低插入損耗，提升差分環行器的帶寬、隔離度和功率容量，才能確保STM-AM差分環行器在無線通信、雷達系統等實際應用中滿足嚴格的性能要求。