CN114039179A - 一种基于cmos工艺的太赫兹有源准环形器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CMOS工艺的太赫兹有源准环形器，包括与天线端口连接的威尔金森功分器、有源隔离器A、有源隔离器B和有源单向电路，有源隔离器A和有源隔离器B的结构相同，其中有源隔离器A通过微带线与发射端口和威尔金森功分器的一侧支路连接，有源隔离器B通过微带线与接收端口和威尔金森功分器的另一侧支路连接，有源隔离器A和有源隔离器B分别连接有有源单向电路。本发明通过微结构耦合环与单向电路结合，通过感应出的顺时针和逆时针信号的耦合环表现出不同的谐振特性而达到隔离的效果，并通过威尔金森功分器实现了发射端和接收端之间很高的隔离度。
Description
技术领域
本发明涉及毫米波通信技术领域，具体涉及一种基于CMOS工艺的太赫兹有源准环形器。
背景技术
随着5G技术的商用化，面向6G的太赫兹通讯技术成为了研究的热点。为了提高频谱利用率，全双工的双工器将会逐渐取代半双工，而环形器作为全双工器的关键组成部分，具有很高的研究价值。传统的铁氧体环形器几乎都是通过磁光材料实现的。尽管在光学和微波领域进行了大量的研究，但这些材料仍然需要永久磁偏置才能获得最佳性能，且体积大不可集成，与商业集成电路技术不兼容，不利于太赫兹通信系统的小型化设计。因此，片上无磁非互易技术的研究是至关重要的。
无磁非互易元件可以通过晶体管、非线性材料和时变技术实现。然而，它们的工作频率基本上局限于低频范围。随着频率的增加，电路的性能在损耗、线性度和噪声方面将显著下降，使它们无法适应未来面向6G的太赫兹频段。2017年公开了基于45nm SOI CMOS工艺的环形器，其工作频率在18.3GHz-21.2GHz。然而太赫兹频段的有源准环形器，还未有报道。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种可工作于太赫兹频段的基于CMOS工艺的有源准环形器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于CMOS工艺的太赫兹有源准环形器，包括与天线端口连接的威尔金森功分器、有源隔离器A、有源隔离器B和有源单向电路，有源隔离器A和有源隔离器B的结构相同，其中有源隔离器A通过微带线与发射端口和威尔金森功分器的一侧支路连接，有源隔离器B通过微带线与接收端口和威尔金森功分器的另一侧支路连接，有源隔离器A和有源隔离器B分别连接有有源单向电路。
进一步地，所述有源隔离器A和有源隔离器B包括微带线和与之耦合的方形折叠开口谐振环，所述方形折叠开口谐振环外侧开口处的端口A通过通孔与单向电路的端口C连接,方形折叠开口谐振环内侧开口处的端口B通过通孔与单向电路的端口D连接，信号从端口C输入时能从端口D输出，从端口D输入时则不能从端口C输出。
进一步地，所述威尔金森功分器包括隔离电阻。
进一步地，所述隔离电阻为55Ω。
本发明通过微结构耦合环与单向电路结合，通过感应出的顺时针和逆时针信号的耦合环表现出不同的谐振特性而达到隔离的效果，并通过威尔金森功分器实现了发射端和接收端之间很高的隔离度。此外，本发明结构简单，方便与其他片上太赫兹通信系统集成，且工艺成熟，适合批量加工。
附图说明
图1为本发明所述的太赫兹有源准环形器环形器的结构示意图。
图2为本发明所述的有源隔离器的结构示意图。
图3为本发明所述的有源单向电路的示意图。
图4为实施例所述的有源单向电路仿真中的S参数图。
图5为实施例所述的太赫兹有源准环形器传输仿真中的S参数图。
图中标记：1、威尔金森功分器；2、有源隔离器A；3、有源隔离器B；21、微带线；22、方形折叠开口谐振环；4、隔离电阻。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地描述。
如图1～3所示，本实施例提供的基于CMOS工艺的太赫兹有源准环形器，包括威尔金森功分器1、有源隔离器A2、有源隔离器B3和有源单向电路，从天线端口引出的微带线与威尔金森功分器1的输入端相连接，威尔金森功分器1主要用于提供发射端口与接收端口之间的隔离。所述有源隔离器A2和有源隔离器B3的结构相同，其结构如图2所示，包括微带线和与之耦合的方形折叠开口谐振环，有源隔离器A2通过微带线与发射端口和威尔金森功分器1的左侧支路连接，有源隔离器B3通过微带线与接收端口和威尔金森功分器1的右侧支路连接。
所述有源隔离器A和有源隔离器B分别连接有有源单向电路，具体是方形折叠开口谐振环外侧开口处的端口A通过通孔与有源单向电路的端口C连接,方形折叠开口谐振环内侧开口处的端口B通过通孔与有源单向电路的端口D连接。由单向电路引入的非互易性在谐振环上具体表现为对环上顺时针信号的支持和对逆时针型号的阻断。当信号从左边的端口C输入微带线时，会在环上感应出顺时针信号，不影响信号从右侧的端口D输出；当信号从右侧的端口D输入时，环上感应出的逆时针信号被阻断从而产生谐振，因此左侧的端口C将没有信号输出。
所述有源单向电路的拓扑原理图如图3所示，其使用共源连接的MOS管放大电路，作为产生非互易性的主要的途径，能达到信号从端口C输入、端口D输出，而从端口D输入、端口C不输出的效果。其中的电容C用于隔离直流偏置对输入输出信号的影响，电感L用于隔离交流信号对直流偏置源的影响。
本实施例中威尔金森功分器1包含隔离电阻4，隔离电阻4的阻值为55Ω。
图4所示的为有源单向电路的S参数图，从图中可以看出在0.141THz附近，S21＝-2.62dB，S12＝-14.64dB，有较好的单向传输效果。
图5所示为本实施例环形器传输仿真中的S参数图。从图中可以看出在0.141THz附近，天线接收到的信号从天线端口进入环形器，S21＝-16.81dB，S31＝-4.95dB，然后传到接收端口而不是发射端口，从而被成功接收；当信号从发射端口进入环形器时，S12＝-4.77dB，S32＝-28.12dB，信号会传输到天线端口而不是被接收端口接收，信号成功发射。整体来看，在0.137THz-0.153THz范围内，该准环形器有10dB以上的隔离度。
本实施例整体结构设计采用TSMC 65nm CMOS工艺，微带线结构设计在M9层上，微带线的宽度为5.3um。
通过仿真证明，本实施例所述基于CMOS工艺的太赫兹有源准环形器在0.137THz-0.153THz附近具有很好的发射和接收的传输效果，发射端和接收端之间能实现很高的隔离度，此外，本实施例结构简单，易于与其他太赫兹片上通信系统集成，所用工艺成熟便于生产和加工。
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于CMOS工艺的太赫兹有源准环形器，其特征在于：包括与天线端口连接的威尔金森功分器、有源隔离器A、有源隔离器B和有源单向电路，有源隔离器A和有源隔离器B的结构相同，其中有源隔离器A通过微带线与发射端口和威尔金森功分器的一侧支路连接，有源隔离器B通过微带线与接收端口和威尔金森功分器的另一侧支路连接，有源隔离器A和有源隔离器B分别连接有有源单向电路。
2.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的太赫兹有源准环形器，其特征在于：所述有源隔离器A和有源隔离器B包括微带线和与之耦合的方形折叠开口谐振环，所述方形折叠开口谐振环外侧开口处的端口A通过通孔与有源单向电路的端口C连接,方形折叠开口谐振环内侧开口处的端口B通过通孔与有源单向电路的端口D连接，信号从端口C输入时能从端口D输出，从端口D输入时则不能从端口C输出。
3.根据权利要求1所述的基于CMOS工艺的太赫兹有源准环形器，其特征在于：所述威尔金森功分器包括隔离电阻。
4.根据权利要求3所述的基于CMOS工艺的太赫兹有源准环形器，其特征在于：所述隔离电阻为55Ω。
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