CN113422184B - 基于开口环谐振器的增益可调射频衰减装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开口环谐振器的增益可调射频衰减装置，主要解决现有射频衰减装置结构复杂、难以实现增益调节以及功耗高的问题。其包括：基板(1)和温控器(9)，基板上表面转移有内外两个开口环(2，4)，以形成谐振器，该两个开口环之间设有VO2环(6)，且三个环的中心点重合。该内外两个开口环的两个开口(3，5)沿着基板上表面一个对角线呈中心对称分布，基板上表面的另一个对角线两端对称分布射频输入结构(7)和射频输出结构(8)，温控器由加热台(91)和热传感器(92)构成，其分别紧贴在基板和加热台的下和上表面。本发明能在不改变自身几何结构的情况下实现3.55GHz频点的射频增益调节，可用于5G通信。

Description

基于开口环谐振器的增益可调射频衰减装置

技术领域：

本发明属于电子器件技术领域，特别涉及一种增益可调的射频衰减装置，可用于5G通信系统。

背景技术

衰减器是当代通讯系统、温度补偿、收发T/R系统、宽带相控阵列天线系统以及5G移动通讯系统中控制信号功率等级或者排除干扰信号的重要电子元件。在射频领域，衰减器主要用来减小射频功率并提高网络阻抗匹配或放大器的稳定性。

传统射频衰减器体积大、功耗高，无法满足当前消费电子对于集成化与低功耗的需求。同时，传统衰减器的衰减量与结构有关，当衰减器的结构确定之后其衰减量也会随之确定，这限制了传统衰减器的使用范围。据此，很多学者提出了很多针对传统射频衰减器的改进结构。

魏计新在公开号为CN 104393937 B的专利申请中提出了一种射频衰减装置。该射频衰减装置由一个数控衰减器、两个单刀多掷射频开关以及若干个衰减值为10dB整数倍数的同轴固定衰减器构成。通过调整两个单刀多掷射频开关的工作状态，可以改变射频衰减器的衰减量，扩展射频衰减器的使用范围。然而该射频衰减器的控制系统结构复杂、体积较大，无法实现射频衰减器的小型化。

柴远在公开号为CN 111130503 B的专利申请中提出了一种低相差数控射频衰减器。该射频衰减器主要由衰减器单元构成的小幅度衰减模块、巴伦和电容构成的级间匹配和偏置网络、半导体阵列单元构成的大幅度步进模块、变压器构成的输出匹配网络、级间匹配和偏置网络以及电流源构成。通过调整由衰减器单元构成的小幅度衰减模块的工作状态，可以实现多个步进幅度衰减。但是该射频衰减器由于采用多个晶体管电路构成衰减单元，增加了射频衰减器的功耗。

B·J·卡钦斯基与E·特洛弗茨在公开号为CN 107078710 A的专利申请中提出了一种可变高压射频衰减器。该射频衰减器由并联连接至射频输入与射频输出的多个衰减器单元构成，每个衰减单元包含多个耦合电容器与分压电容器。通过调整各个衰减单元的工作状态，可以实现该射频衰减器在高压下的工作。然而该射频衰减器结构复杂，体积偏大，无法实现射频衰减器射频增益的变化。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于开口环谐振器的增益可调射频衰减装置，以简化射频衰减器的结构、降低射频衰减器的功耗，并在不改变射频衰减器几何结构的情况下通过控制控温器的温度调节射频衰减器的增益，从而满足5G通信系统中的不同应用背景对于射频信号增益的需求。

本发明的技术方案是这样实现的:

一.技术原理

本发明利用VO₂材料在相变过程中电阻的变化，将VO₂沉积至开口环谐振器两个金属环之间，通过调整开口环谐振器的工作温度改变VO₂电阻，实现开口环谐振器的射频衰减功能，从而达到射频衰减装置的射频增益衰减效果。

VO₂是一种相变材料，当加热器工作温度从30℃增加至100℃时，VO₂由金红石R相转化为单斜晶M相，同时其电阻从上千欧姆减小至若干欧姆。

开口环谐振器是一种用于射频领域的平面谐振器，其由两个具有开口的金属环构成，可实现特定频率的信号传输功能。

将VO₂薄膜沉积至开口环谐振器两个Au开口环之间，通过调节加热器工作温度，改变开口环谐振器VO₂在不同温度下的电阻，继而改变基于VO2开口环谐振器的射频电路模型，实现开口环谐振器在不同温度下的射频增益范围，从而达到射频衰减装置的射频衰减效果。

二.根据上述原理，本发明基于VO₂开口环谐振器的增益可调射频衰减装置，包括：基板1、射频输入结构7、射频输出结构8和温控器9，其特征在于：

所述射频输入结构7和射频输出结构8沿着基板1上表面的一个对角线呈中心对称分布；

所述温控器9，其由加热台91和温度传感器92组成，加热台91紧贴在基板1的下表面，温度传感器92紧贴在加热台91的上表面，通过加热台91与温度传感器92准确控制基板1的温度；

所述基板1，其上表面中间转移有中心点重合的内部开口环4和外部开口环2，且内部开口环的开口5和外部开口环的开口3沿着基板1上表面的另一个对角线呈中心对称分布，该两个环4和2生成谐振电感，该两个开口5和3生成谐振电容，用于控制谐振器的频率；

所述两个开口环4和2之间设有VO₂环6，该VO₂环6的中心点与两个开口环的中心点重合，用于生成谐振电阻，控制谐振器的增益。

进一步，所述射频输入结构7由T型平板71与圆弧板72垂直连接构成，T型平板71用于连接网络分析仪的输入端以输入激励信号，圆弧板72用于激发由两个开口环4和2构成的谐振器；所述射频输出结构8与射频输入结构7相同，其由T型平板81和圆弧板82垂直连接构成，圆弧板82用于接收由两个开口环4和2构成的谐振器的输出信号，T型平板81用于连接网络分析仪的输出端以输出检测信号。

进一步，所述两个圆弧板72和82的弧度θ为30°～60°，宽度w_p为300～800微米，且该两个圆弧板72和82的中心点与两个开口环4和2的中心点重合，以保证圆弧板72与开口环2之间的输入信号、圆弧板82与开口环2之间的输出信号处处相等。

本发明有如下优点：

1)本发明由于采用了两个金属开口环以及VO₂环结构，极大减小了射频衰减装置的复杂度，降低了制造成本，并且易于与现有的半导体加工工艺相兼容。

2)本发明由于通过改变两个金属开口环之间VO₂环的电阻，即可实现射频衰减装置增益的调节，增加了射频衰减装置的适用范围。

3)本发明所提出的射频衰减装置为无源器件，由于不需要外加电源供电即可正常工作，减小了射频衰减装置的功耗。

4)本发明可通过设计不同的开口环半径、开口环宽度、开口宽度、VO₂环宽度与厚度，实现不同频点的射频增益调节。

测试结果表明，本发明的射频衰减装置可满足5G通信系统中的不同应用背景对于射频信号增益调节的需求。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的截面图；

图3为本发明中VO₂电阻随温度增加的变化曲线图；

图4为在30℃时对本发明的散射S参数测试结果图；

图5为在60℃时对本发明的散射S参数测试结果；

图6为在70℃时对本发明的散射S参数测试结果；

图7为在80℃时对本发明的散射S参数测试结果；

图8为在100℃时对本发明的散射S参数测试结果；

图9为在升温与降温过程中对本发明反射系数S11的测试结果图。

具体实施方式

参照图1与图2，本发明的射频衰减装置主要由基板1、射频输入结构7和射频输出结构8、内部开口环4和外部开口环2、温控器9、VO₂环6组成。

所述射频输入结构7由T型平板71与圆弧板72垂直连接构成，射频输出结构8与射频输入结构7一致，其由T型平板81与圆弧板82垂直连接构成，射频输入结构7和射频输出结构8沿着基板1上表面的一个对角线呈中心对称分布。

所述基板1上表面中间转移有中心点重合的内部开口环4和外部开口环2，内部开口环4的开口5和外部开口环2的开口3沿着基板1上表面的另一个对角线呈中心对称分布，该两个环4和2生成谐振电感，该两个开口5和3生成谐振电容，用于控制谐振电路的频率。

所述温控器9，其由加热台91和温度传感器92组成，加热台91紧贴在基板1的下表面，温度传感器92紧贴在加热台91上表面，该加热台91与温度传感器92用于控制基板1的温度。

所述VO₂环6位于两个开口环4和2之间，该VO₂环6的中心点与两个开口环4和2的中心点重合，用于生成谐振电阻，控制谐振器的增益。

所述两个圆弧板72和82的弧度θ为30°～60°，本实例取为30°，宽度w_p为300～800微米，本实例w_p取为但不限于500微米，且该两个圆弧板72和82的中心点与两个开口环4和2的中心点重合，以保证圆弧板72与开口环2之间的输入信号、圆弧板82与开口环2之间的输出信号处处相等。

所述内部开口环4的内径r_i为1～5毫米，本实例取为，宽度0.3～0.8毫米，本实例取但不限于r_i＝2.45毫米、w_i＝0.55毫米。

所述VO₂环6的内径r_m为r_i与w_i之和，宽度w_m比w_i大50～100微米，本实例取但不限于r_m＝3.00毫米、w_m＝0.63微米。

所述外部开口环2的内径r_o比r_m与w_m之和小25～50微米，宽度w_o与w_i一致，本实例取但不限于r_o＝3.59微米、w_o＝0.55毫米。

所述内部开口环的开口5，其间隙d_i与内部开口环4的宽度w_i一致，本实例取但不限于d_i＝0.55毫米。

所述外部开口环的开口3，其间隙d_o与外部开口环2的宽度w_o一致，本实例取但不限于d_o＝0.55毫米。

所述基板1采用二氧化硅或氮化硅绝缘材料，或表面沉积二氧化硅、氮化硅绝缘材料的硅材料，其形状为正方形，厚度h_c为0.5～1毫米，本实例取但不限于h_c＝0.67毫米的正方形二氧化硅结构作为基板。

所述两个开口环4和2、射频输入结构7与射频输出结构8采用金或银或铜金属材料，其厚度t_m均为0.1～1微米，本实例取但不限于t_m＝0.2微米的金材料。

所述VO₂环6通过脉冲激光沉积法沉积至基板1的上表面，其厚度t_i为0.1～1微米，本实例取但不限于t_i＝0.12微米。

所述两个开口环4和2通过构型法转移至基板1的上表面，其厚度t_m比VO₂环6边缘的厚度t_i大30～100纳米，以确保这两个开口环4和2在加工之后的降温过程中不会因为两个环材料收缩而断开与VO₂环6的接触，本实例取但不限于t_m＝0.20微米。

所述基板1下表面通过导热胶粘贴在加热台91上表面，本实例取但不限于添加金属银材料的银导热胶。

本发明的工作原理及过程如下：

由于本发明结构仍为一个电容-电感谐振电路，电容与电感决定了谐振器的谐振频率。同时，电阻决定了器件工作过程中的阻抗匹配。本发明通过控温器9调节基板1温度，调整VO₂环6电阻的大小，使器件在工作过程中的阻抗匹配与阻抗失配，从而实现对整个谐振电路增益的调节。即通过将加工有两个开口环2和4、VO₂环6、射频输入结构7和射频输出结构8的基板1的下表面粘贴至加热台91的上表面，将温度传感器92粘贴至加热台91的上表面，控制基板1的温度变化情况，改变VO₂环6电阻的大小，使器件在工作过程中的阻抗匹配与阻抗失配，从而实现对整个谐振器增益值的调节。

将本发明连接至外部电路的射频信号输入端与负载端之间，通过控温器9调节基板1的温度改变VO₂环6电阻的大小，实现本发明在30～100℃下的射频增益值调节，进一步实现将外部的射频输入信号衰减至本发明在30～100℃下所限定的射频增益值，从而防止因信号过载导致的负载端灵敏电子元器件的损坏。

本发明的效果可通过以下测试结果进一步说明：

一.测试条件

测试本发明散射S参数的设备为Agilent Technologies N5227A PNA网络分析仪、测试接头为工作频率为1-18GHz的SMA接头，控制本发明基板温度的温控设备为ThorlabsTED 4015，温度传感器为OMEGA Engineering F3142。

分别将两个SMA接头的两个针端焊接至本发明的射频输入结构7与射频输出结构8，网络分析仪的输入端与输出端分别连接这两个SMA接头的螺纹端以读取本发明射频输入结构7与射频输出结构8这两个端口的散射S参数。

初始测试温度为室温，通过一个开孔的纸盒子罩在测试结构上避免由于外界环境波动导致的本发明结构温度的变化。

二.测试内容

测试1，在30℃至100℃升温与100℃至30℃降温过程中对本发明中VO₂环电阻进行的测试，结果如图3所示。从图3可以看出，当温度从30℃增加至100℃时，VO₂环电阻从10⁴Ω降低至10¹Ω，减小了3个数量级；当温度从100℃降低至30℃时，VO₂环电阻又恢复到初始值。

测试2，在30℃时即常温下对本发明的反射系数S11与传输系数S21进行的测试，结果如图4所示。从图4可以看出，本发明的反射系数S11幅值为-48.10dB，工作频率为3.55GHz。

测试3，在60℃时对本发明的反射系数S11与传输系数S21进行的测试，结果如图5所示。从图5可以看出，本发明的反射系数S11幅值为-37.48dB，相比于图4所示的增益有所减小，工作频率为3.55GHz。

测试4，在70℃时对本发明的反射系数S11与传输系数S21进行的测试，结果如图6所示。从图6可以看出，本发明的反射系数S11幅值为-30.64dB，达到增益的最小值，工作频率为3.55GHz。

测试5，在80℃时对本发明的反射系数S11与传输系数S21进行的测试，结果如图7所示。从图7可以看出，此时本发明的反射系数S11幅值为-34.98dB，相比于图6增益有所增加，工作频率为3.55GHz。

测试6，在100℃时对本发明的反射系数S11与传输系数S21进行的测试，结果如图8所示。从图8可以看出，本发明的反射系数S11幅值为-36.42dB，相比于图7增益有所增加，工作频率为3.55GHz。

测试7，在30℃至100℃升温与100℃至30℃降温时对本发明反射系数S11进行的测试，结果如图9所示。从图9可以看出，当温度从30℃增加至100℃时，本发明的反射系数S11绝对值先减小后增大。同时，图9所示的反射系数S11迟滞曲线与图3所示的VO₂电阻迟滞曲线一致，表明是VO₂在相变过程中的电阻变化导致了反射系数S11的变化。

综上，本发明通过加热台91和温度传感器92调节基板1的温度，改变VO₂环6的电阻，即可实现不同温度下的射频增益调节，从而满足5G通信系统中的不同应用背景对射频信号增益调节的需求。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于开口环谐振器的增益可调射频衰减装置，包括：基板(1)、射频输入结构(7)、射频输出结构(8)和温控器(9)，其特征在于：

所述射频输入结构(7)和射频输出结构(8)沿着基板(1)上表面的一个对角线呈中心对称分布；

所述温控器(9)，其由加热台(91)和温度传感器(92)组成，加热台(91)紧贴在基板(1)的下表面，温度传感器(92)紧贴在加热台(91)的上表面，通过加热台(91)与温度传感器(92)准确控制基板(1)的温度；

所述基板(1)，其上表面中间有中心点重合的内部开口环(4)和外部开口环(2)，且内部开口环的开口(5)和外部开口环的开口(3)沿着基板(1)上表面的另一个对角线呈中心对称分布，该内部开口环(4)和外部开口环(2)生成谐振电感，该两个开口(5，3)生成谐振电容，用于控制谐振器的频率；

所述两个开口环(4，2)之间设有VO₂环(6)，该VO₂环(6)的中心点与两个开口环(4，2)中心点重合，用于生成谐振电阻，控制谐振器的增益。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述射频输入结构(7)由T型平板(71)与圆弧板(72)垂直连接构成，T型平板(71)用于连接网络分析仪的输入端以输入激励信号，圆弧板(72)用于激发由两个开口环(4，2)构成的谐振器，

所述射频输出结构(8)与射频输入结构(7)相同，其由T型平板(81)和圆弧板(82)垂直连接构成，圆弧板(82)用于接收由两个开口环(4，2)构成的谐振器的输出信号，T型平板(81)用于连接网络分析仪的输出端以输出检测信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述两个圆弧板(72，82)的弧度θ为30°～60°，宽度w_p为300～800微米，且该两个圆弧板(72，82)的中心点与两个开口环(4，2)的中心点重合，以保证圆弧板(72)与开口环(2)之间的输入信号、圆弧板(82)与开口环(2)之间的输出信号处处相等。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述内部开口环(4)的内径r_i为1～5毫米，宽度w_i为0.3～0.8毫米；

所述VO₂环(6)的内径r_m为r_i与w_i之和，宽度w_m比w_i大50～100微米；

所述外部开口环(2)的内径r_o比r_m与w_m之和小25～50微米，宽度w_o与w_i一致。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述内部开口环的开口(5)，其间隙d_i与内部开口环(4)的宽度w_i一致；

所述外部开口环的开口(3)，其间隙d_o与外部开口环(2)的宽度w_o一致。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述基板(1)采用二氧化硅或氮化硅绝缘材料，或表面沉积二氧化硅、氮化硅绝缘材料的硅材料，其形状为正方形，厚度h_c为0.5～1毫米。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述两个开口环(4，2)、射频输入结构(7)与射频输出结构(8)均采用金或银或铜金属材料，其厚度t_m均为0.1～1微米。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述VO₂环(6)通过脉冲激光沉积法沉积至基板(1)的上表面，其厚度t_i为0.1～1微米。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述两个开口环(4，2)通过构型法转移至基板(1)的上表面，其厚度t_m比VO₂环(6)边缘的厚度t_i大30～100纳米，以确保这两个开口环(4，2)在加工之后的降温过程中不会因为两个开口环材料收缩而断开与VO₂环(6)的接触。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述基板(1)下表面通过导热胶粘贴在加热台(91)上表面。

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