CN110323729A - 用于rf和微波电路保护的微等离子体限制器 - Google Patents
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Abstract
用于RF和微波电路保护的微等离子体限制器。本文公开了一种被配置成保护精密电子器件免受高功率信号的保护电路。为此，所述保护电路包括限制器电路，该限制器电路包括相变材料，以防止高功率信号到达一个或更多个电子电路。当施加信号的能量超过阈值时，所述相变材料自动呈现限制状态，这限制了传递到任何关联电子器件上的信号的能量。
Description
技术领域
本发明涉及用于RF和微博电路保护的微等离子体限制器(plasma limiter)。
背景技术
许多电子电路容易受因高功率信号而造成的损坏。例如，被设计成检测低功率信号、嘈杂环境中的信号等的射频(RF)设备(例如低噪声放大器、下变频器混频器电路等)通常易受高功率信号的损坏。这种高功率信号可以以任何数量的形式存在(例如，高功率微波信号、电磁脉冲等)，和/或由任何数量的境况(例如，由雷达发送器发送的信号、雷击、电源浪涌、静电、干扰、同时发送/接收系统的共址干扰等)造成。因此，有必要防止发生这种高功率信号，或者提供用于保护精密电子器件免受这种高功率信号的一些手段。
常规电气系统可以使用电涌保护装置来防止高功率信号到达精密电子器件。例如，电流限制器可以使用特殊的二极管(例如，P掺杂、本征、N掺杂(PIN)二极管)来阻止高功率信号。然而，这样的保护电路很昂贵，具有有限的功率处理容量，和/或具有高插入损耗。因此，仍然需要保护功率敏感的电子器件免受高功率信号的改进的保护电路。
发明内容
本公开涉及用于改进保护免受高功率信号的方法、装置、系统、计算机程序产品、软件，和/或介质。为此，本文所提出的各个方面使用限制器电路，该限制器电路包括相变材料，以防止高功率信号到达一个或更多个电子电路。当施加信号的能量超过阈值时，所述相变材料呈现限制状态，这限制了传递到任何关联电子器件上的信号的能量。
本公开公开了一种保护电路，其被配置成保护一个或更多个电子电路免受高功率信号。所述保护电路包括第一端口、第二端口、传输线路，以及限制器电路。所述第一端口和所述第二端口电连接至所述传输线路的相反两端。所述第二端口在操作时连接至所述一个或更多个电子电路。所述限制器电路在操作时连接至所述传输线路，并且包括与谐振器连通的相变材料。当在所述第一端口处接收的信号的能量超过阈值时，所述相变材料按限制状态配置以限制在所述第二端口处所述信号的能量。
根据另一方面，当在所述第一端口处接收的所述信号的能量低于所述阈值时，所述相变材料按非限制状态配置。
根据另一方面，所述限制器电路选择性地电连接在所述传输线路与地之间，所述限制状态包括导电状态，并且当在所述第一端口处接收的所述信号的能量超过所述阈值时，所述相变材料按导电状态配置以将在所述第一端口处接收的所述信号的能量的至少一部分重定向至所述地。
根据另一方面，所述限制器电路邻近所述传输线路设置，所述限制状态包括电磁耦合状态，并且当在所述第一端口处接收的所述信号的能量超过所述阈值时，所述相变材料按电磁耦合状态配置，以使所述第一端口的阻抗相对于所述第二端口的阻抗不匹配。
根据另一方面，按所述限制状态配置的所述相变材料吸收在所述第一端口处接收的所述信号的能量的至少一些，以限制在所述第二端口处所述信号的能量。
根据另一方面，所述保护电路还包括间隙芯片，该间隙芯片包括密封腔室、第一导体，以及第二导体。所述相变材料设置在所述密封腔室中。所述第一导体至少部分地设置在所述密封腔室内并且从所述密封腔室延伸。所述第二导体与所述第一导体间隔开，至少部分地设置在所述密封腔室内，并且从所述密封腔室延伸，其中，所述第一导体和所述第二导体电连接至所述谐振器。
根据另一方面，所述相变材料包括空气。
根据另一方面，所述相变材料包括惰性气体、热致变色材料，或电致变色材料。
根据另一方面，所述谐振器包括缝隙谐振器，该缝隙谐振器包括处于两个导电部件之间的间隙，所述相变材料设置在所述间隙中，并且所述限制状态包括电连接所述缝隙谐振器的所述两个导电部件的导电状态。
根据另一方面，所述谐振器包括四分之一波长谐振器，该四分之一波长谐振器经由所述相变材料选择性地连接至地，并且所述限制状态包括将所述四分之一波长谐振器电连接至所述地的导电状态。
根据另一方面，所述阈值包括固定阈值。
根据另一方面，所述限制器电路还包括偏置连接器，该偏置连接器电连接至所述谐振器，其中，所述阈值包括根据施加至所述偏置连接器的偏置信号控制的可变阈值。
本公开还公开了一种保护一个或更多个电子电路免受高功率信号的方法。所述方法包括以下步骤：在传输线路的第一端口处接收信号。所述传输线路包括在相反两端上的所述第一端口和第二端口。所述第二端口在操作时连接至所述一个或更多个电子电路。所述方法还包括以下步骤：当在所述第一端口处接收的所述信号的能量超过阈值时，利用按限制状态配置的相变材料，限制所述第二端口处所述信号的能量。所述相变材料与在操作时连接至所述传输线路的谐振器连通。
根据另一方面，所述方法还包括以下步骤：当在所述第一端口处接收的所述信号的能量低于所述阈值时，利用按非限制状态配置的所述相变材料，将所述第一端口处所述信号的能量传递至所述第二端口。
根据另一方面，所述限制状态包括导电状态，与所述谐振器连通的所述相变材料选择性地电连接在所述传输线路与地之间，并且限制所述第二端口处所述信号的能量的步骤包括以下步骤：响应于在所述第一端口处接收的所述信号的能量超过所述阈值，通过利用按所述导电状态配置的所述相变材料，将在所述第一端口处接收的所述信号的至少一部分重定向至地。
根据另一方面，所述限制状态包括电磁耦合状态，与所述谐振器连通的所述相变材料邻近所述传输线路设置，并且限制所述第二端口处所述信号的能量的步骤包括以下步骤：当在所述第一端口处接收的所述信号的能量超过所述阈值时，通过利用按所述电磁耦合状态配置的所述相变材料，使所述第一端口的阻抗相对于所述第二端口不匹配。
根据另一方面，所述阈值包括固定阈值。
根据另一方面，所述阈值包括可变阈值，所述方法还包括以下步骤：通过控制施加至所述谐振器的偏置信号来控制所述阈值。
本公开还公开了一种飞行器，该飞行器包括一个或更多个电子电路、和保护电路。所述一个或更多个电子电路被配置成控制所述飞行器的操作。所述保护电路包括第一端口、第二端口、传输线路，以及限制器电路。所述第一端口和所述第二端口电连接至所述传输线路的相反两端。所述第二端口在操作时连接至所述一个或更多个电子电路。所述限制器电路在操作时连接至所述传输线路，并且包括与谐振器连通的相变材料。当在所述第一端口处接收的信号的能量超过阈值时，所述相变材料按限制状态配置以限制在所述第二端口处所述信号的能量。
根据另一方面，所述限制器电路还包括偏置连接器，该偏置连接器电连接至所述谐振器，其中，所述阈值包括由施加至所述偏置连接器的偏置信号控制的可变阈值。
附图说明
图1示出了根据一个示例性方面的电子系统的框图。
图2示出了根据一个示例性方面的保护电子电路免受因高功率信号而造成的损坏的方法。
图3示出了根据一个示例性方面的保护电路。
图4示出了根据另一示例性方面的保护电路。
图5示出了根据一个示例性方面的用于保护电路的限制器电路。
图6示出了根据一个示例性方面的相变材料的间隙芯片实现。
图7示出了用于限制器电路的示例性缝隙谐振器。
图8示出了用于限制器电路的示例性四分之一波长谐振器。
图9示出了具有示例性缝隙谐振器方面的印刷电路板(PCB)。
图10示出了具有示例性分路至地方面的PCB。
图11示出了具有包括多个限制器电路的一示例性方面的PCB。
图12示出了具有包括多个限制器电路的另一示例性方面的PCB。
图13示出了针对一个示例性方面的模拟结果。
具体实施方式
本公开的各方面致力于用于限制施加至电子电路(特别是可能被高功率信号损坏的那些电路)的信号的能量的方法、装置、系统、计算机程序产品，和/或软件。这里提出的各个方面根据电子电路保护来描述，特别是通常对RF电路的保护，具体来说，对飞行器上的RF电路的保护。然而，应当清楚，本文提出的各个方面不限于飞行器电子器件，而是适用于对高功率信号敏感并且可能被高功率信号损坏的任何电子器件。
图1示出了例如在飞行器上的电子系统10的一方面的框图。电子系统10包括一个或更多个电子电路12和保护电路100。电子电路12可以包括对高功率信号敏感或者可能被高功率信号损坏的任何电子电路。示例性电子电路12包括但不限于，雷达系统、通信系统、感测系统、低噪声放大器、下变频混频器等。保护电路100在SIG1是高功率信号时(例如，SIG1在的能量超过一阈值时)，通过利用改变成限制状态的相变材料至少部分地阻止和/或重定向该高功率信号来保护电子电路12免受高功率/高能量信号。
图2示出了根据本文公开各个方面的利用保护电路100保护电子电路12的方法200，其中，保护电路100包括处于传输线路130的相反两端上的第一端口P1 110和第二端口P2 120，如图3和4所示，并且其中，第二端口120电连接至一个或更多个电子电路12。保护电路100还包括可在操作时连接至传输线路130的限制器电路140，其中，限制器电路140包括与谐振器连通的相变材料。第一端口110接收信号SIG1(框210)。如果所接收信号SIG1的能量超过阈值T(框220)，则保护电路100利用按限制状态配置的相变材料限制第二端口120处信号SIG2的能量(框230)。然而，如果所接收信号SIG1的能量低于该阈值T(框220)，则保护电路100利用按非限制状态配置的相变材料将SIG1传递至第二端口120(框240)。
根据一个方面，阈值T包括在制造期间预定的固定阈值，例如，基于连接至保护电路100的电子电路12的灵敏度。另选地，该阈值可以包括可变阈值，例如，由偏置信号SIGBIAS控制。针对该方面，保护电路100还可以包括偏置连接器170，如图3和4所示，其中，施加至偏置连接器170的偏置信号SIGBIAS控制阈值T。这样，保护电路100可以根据需要，例如，响应于一个或更多个电子电路12对高功率信号的增加/减小的灵敏度，调节限制器电路140对输入信号的灵敏度。无论该阈值是固定的还是可变的，都应当清楚，该阈值被设定成或者选择成防止对应电子电路12损坏的水平。例如，可以将该阈值设定成保护低噪声放大器免受大于1瓦特的信号。
图3示出了保护电路100的一示例性方面，其中，限制器电路140控制传输线路130的阻抗。更具体地说，用于该方面的限制器电路140响应于在第一端口110处接收的信号SIG1的能量而选择性地以电磁方式(例如，电容地或电感地)耦合至传输线路130，并因此，相对于第一端口110的阻抗，选择性地控制第二端口120的阻抗。为此，当限制器电路140中的相变材料处于非限制状态时，限制器电路140被调谐成匹配传输线路130的阻抗，并因此，不与传输线路130电磁耦合。这样，第二端口120的阻抗大致匹配与第一端口110的阻抗，从而使得施加至第一端口110的信号能够传递至第二端口120，而几乎没有插入损耗。然而，当施加至第一端口110的信号SIG1的能量超过阈值时，相变材料转变成限制状态，致使限制器电路140经由电磁耦合高度不匹配传输线路130的阻抗。该电磁耦合改变第二端口120相对于第一端口110的阻抗。所产生的阻抗不匹配通过将SIG1的能量的大部分(若不是全部的话)朝着第一端口110反射回，来衰减输入信号SIG1的能量，并因此限制了第二端口120输出的信号SIG2的功率。
图4示出了保护电路100的另一示例性方面，其中限制器电路140将高功率输入信号重定向成远离第二端口120。更具体地说，用于该方面的限制器电路140响应于在第一端口110处接收的信号的能量选择性地将传输线路130连接至地150，并因此，选择性地将施加至第一端口110的信号重定向至地150。为此，当限制器电路140中的相变材料处于非限制状态时，限制器电路140是防止传输线路130连接至地150的开路，从而使得施加至第一端口110的信号能够传递至第二端口120，而几乎没有插入损耗。然而，当施加至第一端口110的信号SIG1的能量超过阈值时，相变材料转变成限制状态，使限制器电路140将传输线路130电连接至地150。因此，当相变材料处于限制状态时，限制器电路140将施加至第一端口110的信号重定向至地，防止SIG1的大部分(若不是全部的话)到达第二端口120。
图5示出了限制器电路140的一个示例性方面。如图5所示，限制器电路140包括并入选择性部分内或与谐振器144相邻的相变材料142。相变材料142可以包括响应于所施加输入信号的能量而改变相态的任何材料，包括但不限于，空气、惰性气体、热致变色材料、电致变色材料(例如，二氧化钒VO2)等。应当清楚，在某些方面，当相变材料142处于限制状态时，相变材料142可以吸收施加至第一端口110的信号的一些能量。限制器电路140的这种特性取决于用于相变材料142的材料和/或限制器电路140相对于传输线路130的实际取向。处于导电状态的相变材料142(可能是变成等离子体的气体或变成导体的绝缘体材料)仍具有明显的电阻率，并因此，由于焦耳加热而吸收一些信号。例如，当相变材料142产生从传输线路130到地150的分路时，高能量信号传递通过限制器电路140，从而导致SIG1的至少一些能量被相变材料142吸收。
在一些方面，利用间隙芯片146来实现保护电路100，其中，相变材料142被设置在间隙芯片146的密封腔室160中。图6示出了一个这样的间隙芯片146的示例。在该示例中，间隙芯片146包括腔室160、相变材料142、第一电极162以及第二电极164。相变材料142设置在密封腔室160内，而电极162、164部分地设置在密封腔室160内并从密封腔室160的相反两侧延伸，如图6所示。结果，当相变材料142处于限制状态时，例如，响应于高功率输入信号SIG1，相变材料142将第一电极162电连接至第二电极164，从而在第一电极162连接至传输线路130并且第二电极164连接至地150时，产生希望的限制条件，例如，分路至地。
谐振器144可以包括任何已知谐振器，例如，缝隙谐振器(图7和9)、四分之一波长谐振器(图8)、互补开口环谐振器(图11)等。例如，谐振器144可以包括缝隙谐振器，其具有设置在两个导体147a、147b之间的缝隙或间隙148，如图7所示。针对该方面，相变材料142设置在间隙148中，以使在相变材料142处于限制状态时，该相变材料142仅将一个导体147a连接至另一导体147b。另选地，可以将间隙芯片146设置在两个导体147a、147b之间，使得当密封腔室160中的相变材料142处于限制状态时，一个导体147a仅连接至另一个导体147b。
根据另一方面，谐振器144可以包括四分之一波长谐振器，如图8所示。针对该方面，当相变材料142处于限制状态时，具有四分之一波长(在指定频率下)的长度的导电部件149通过相变材料142连接至地150。另选地，可以将间隙芯片146设置在导电部件149与地150之间，使得当密封腔室160中的相变材料142处于限制状态时，导电部件149仅连接至地150(并因此谐振)。
保护电路100可以添加至任何现有印刷电路板(PCB)实现。例如，可以利用倒装芯片或丝焊技术将保护电路附接至PCB。
图9-12示出了本文所公开各个方面的示例性PCB实现。图9示出了被实现为缝隙谐振器(例如，图7)并且被用于响应于输入信号的功率选择性地电磁耦合至传输线路的保护电路100的PCB实现。图10示出了将高功率输入信号重定向至地的保护电路100的PCB实现。虽然本文所公开各个方面总体上根据包括单个限制器电路140的保护电路100来描述，但应当清楚，可以使用多个限制器电路140，举例来说，如图11和12所示。例如，可以使用这样的多限制器电路解决方案来提供多于一个的重定向路径，增加保护电路100能够处理的功率量，进一步降低到达第二端口120的信号电平等。
图13示出了当根据一个示例性方面(例如，图9的方面)实现时保护电路100的性能数据，其中，谐振器被配置用于在10GHz附近工作。如图13所示，第二端口120处的发送信号处于-0.23dB，或者接近非限制状态的100％发送。在限制状态下，第二端口120处的发送信号处于-23.76dB，或衰减超过200倍。根据具体要求和装置复杂性，可以实现更好的性能设计。
本文所公开各个方面具有优于常规电涌保护解决方案(即，PIN二极管)的若干优点。例如，本文所公开的保护电路100实现起来更便宜(例如，便宜高达90％)，可以处理比PIN二极管更高的输入功率(例如，具有高达100倍以上的功率或总能量的信号)，并且在处于非限制状态时(例如，与PIN二极管的大约1dB的插入损耗相比)，具有最小的插入损耗。
当然，本文所公开的各个方面可以在不脱离所述保护电路的基本特征的情况下，以除了这里具体阐述的方式之外的其它方式来执行。本实施方式在所有方面都要被视为例示性的而非限制性的，并且落入所附权利要求书的含义和等同范围内的所有改变都被涵盖于此。
Claims (16)
1.一种保护电路(100)，该保护电路被配置成保护一个或更多个电子电路(12)免受高功率信号，所述保护电路(100)包括：
第一端口(110)和第二端口(120)，所述第一端口和所述第二端口电连接至传输线路(130)的相反两端，所述第二端口(120)在操作时连接至所述一个或更多个电子电路(12)；和
限制器电路(140)，该限制器电路在操作时连接至所述传输线路(130)，并且包括与谐振器(144)连通的相变材料(142)，当在所述第一端口(110)处接收的信号的能量超过阈值时，所述相变材料(142)按限制状态配置以限制在所述第二端口(120)处所述信号的能量。
2.根据权利要求1所述的保护电路(100)，其中，当在所述第一端口(110)处接收的所述信号的能量低于所述阈值时，所述相变材料(142)按非限制状态配置。
3.根据权利要求1所述的保护电路(100)，其中：
所述限制器电路(140)选择性地电连接在所述传输线路(130)与地(150)之间；
所述限制状态包括导电状态；并且
当在所述第一端口(110)处接收的所述信号的能量超过所述阈值时，所述相变材料(142)按所述导电状态配置以将在所述第一端口(110)处接收的所述信号的能量的至少一部分重定向至所述地(150)。
4.根据权利要求1所述的保护电路(100)，其中：
所述限制器电路(140)邻近所述传输线路(130)设置；
所述限制状态包括电磁耦合状态；并且
当在所述第一端口(110)处接收的所述信号的能量超过所述阈值时，所述相变材料(142)按电磁耦合状态配置，以使所述第一端口(110)的阻抗相对于所述第二端口(120)的阻抗不匹配。
5.根据权利要求1所述的保护电路(100)，其中，按所述限制状态配置的所述相变材料(142)吸收在所述第一端口(110)处接收的所述信号的能量的至少一些，以限制在所述第二端口(120)处所述信号的能量。
6.根据权利要求1所述的保护电路(100)，所述保护电路还包括间隙芯片(146)，该间隙芯片包括：
密封腔室(160)，其中，所述相变材料(142)设置在所述密封腔室(160)中；
第一导体(162)，该第一导体至少部分地设置在所述密封腔室(160)内并且从所述密封腔室(160)延伸；和
第二导体(164)，该第二导体与所述第一导体(162)间隔开，所述第二导体(164)至少部分地设置在所述密封腔室(160)内并且从所述密封腔室(160)延伸；
其中，所述第一导体(162)和所述第二导体(164)电连接至所述谐振器(144)。
7.根据权利要求1所述的保护电路(100)，其中：
所述谐振器(144)包括缝隙谐振器，该缝隙谐振器包括两个导电部件(147a、147b)之间的间隙(148)；
所述相变材料(142)设置在所述间隙(148)中；并且
所述限制状态包括电连接所述缝隙谐振器的所述两个导电部件(147a、147b)的导电状态。
8.根据权利要求1所述的保护电路(100)，其中：
所述谐振器(144)包括四分之一波长谐振器(149)，该四分之一波长谐振器经由所述相变材料(142)选择性地连接至地(150)；并且
所述限制状态包括将所述四分之一波长谐振器(149)电连接至所述地(150)的导电状态。
9.根据权利要求1所述的保护电路(100)，其中，所述限制器电路(140)还包括偏置连接器(170)，该偏置连接器电连接至所述谐振器(144)，并且其中，所述阈值包括由施加至所述偏置连接器(170)的偏置信号控制的可变阈值。
10.一种保护一个或更多个电子电路(12)免受高功率信号的方法(200)，该方法包括以下步骤：
在传输线路(130)的第一端口(110)处接收(210)信号，所述传输线路(130)包括相反两端上的所述第一端口(110)和第二端口(120)，所述第二端口(120)在操作时连接至所述一个或更多个电子电路(12)；并且
当在所述第一端口(110)处接收的所述信号的能量超过阈值(220)时，利用按限制状态配置的相变材料(142)限制(230)所述第二端口(120)处所述信号的能量，所述相变材料(142)与在操作时连接至所述传输线路(130)的谐振器(144)连通。
11.根据权利要求10所述的方法(200)，所述方法还包括以下步骤：当在所述第一端口处接收的所述信号的能量低于所述阈值(220)时，利用按非限制状态配置的所述相变材料(142)将所述第一端口(110)处所述信号的能量传递(240)至所述第二端口(120)。
12.根据权利要求10所述的方法(200)，其中：
所述限制状态包括导电状态；
与所述谐振器(144)连通的所述相变材料(142)选择性地电连接在所述传输线路(130)与地(150)之间；并且
限制(230)所述第二端口(120)处所述信号的能量的步骤包括以下步骤：响应于在所述第一端口(110)处接收的所述信号的能量超过所述阈值(220)，利用按所述导电状态配置的所述相变材料(142)，将在所述第一端口(110)处接收的所述信号的至少一部分重定向至地(150)。
13.根据权利要求10所述的方法(200)，其中：
所述限制状态包括电磁耦合状态；
与所述谐振器(144)连通的所述相变材料(142)邻近所述传输线路(130)设置；并且
限制(230)所述第二端口(120)处所述信号的能量的步骤包括以下步骤：当在所述第一端口(110)处接收的所述信号的能量超过所述阈值时，利用按所述电磁耦合状态配置的所述相变材料(142)，使所述第一端口(110)的阻抗相对于所述第二端口(120)不匹配。
14.根据权利要求10所述的方法(200)，其中，所述阈值包括可变阈值，所述方法还包括以下步骤：通过控制施加至所述谐振器(144)的偏置信号来控制所述阈值。
15.一种飞行器(10)，该飞行器包括：
一个或更多个电子电路(12)，所述一个或更多个电子电路被配置成控制所述飞行器(10)的操作；和
保护电路(100)，该保护电路包括：
第一端口(110)和第二端口(120)，所述第一端口和所述第二端口电连接至传输线路(130)的相反两端，所述第二端口(120)在操作时连接至所述一个或更多个电子电路(12)；和
限制器电路(140)，该限制器电路在操作时连接至所述传输线路(130)，并且包括与谐振器(144)连通的相变材料(142)，当在所述第一端口(110)处接收的信号的能量超过阈值时，所述相变材料(142)按限制状态配置以限制在所述第二端口(120)处所述信号的能量。
16.根据权利要求15所述的飞行器(10)，其中，所述限制器电路(140)还包括偏置连接器(170)，该偏置连接器电连接至所述谐振器(144)，并且其中，所述阈值包括由施加至所述偏置连接器(170)的偏置信号控制的可变阈值。
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