CN114826322B - 一种能量选择自适应非互易二端口器件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种能量选择自适应非互易器件。所述器件包括：通过由信号发射端口、信号接收端口、环形器、能量高通器件和匹配负载构成的拓扑结构，在信号从信号发射端口输入进行正向传输时，能够使信号正常低损耗地传输到信号接收端口，在信号从信号接口端口输入进行反向传输时，根据能量高通器件对低能量进行反射，对高能量进行透射的特性，使信号低于能量高通器件阈值时，能量选择自适应非互易二端口器件处于互易状态，而信号高于能量高通器件阈值时，能量选择自适应非互易二端口器件处于非互易状态。本发明具有收发兼容、高功率容量、适用频段广、工作带宽大、插入损耗低、隔离效能高等优点。

Description

一种能量选择自适应非互易二端口器件
技术领域
本申请涉及器件设计领域，特别是涉及一种能量选择自适应非互易二端口器件。
背景技术
近年来随着电子技术发展，射频前端链路不断向小型化、集成化的方向发展，各类设备额定工作功率大小各异难免相互影响，电磁兼容问题日益严峻，加之未来电磁空间强电磁脉冲的威胁，对射频前端的保护需求日益迫切。尤其在一些需要大功率发射的射频前端链路中，既要保证正常工作时链路低插损的发射，又要解决链路中各组件的保护问题。
非互易二端口器件目前已知的有两大类：一是隔离器，二是基于有源放大器的非互易二端口器件。其中，隔离器的原理是通过在环形器的三个端口中的一个端口处添加匹配负载，另外两个端口正向传输时可以低插损传输，反向传输则被匹配负载吸收，实现了非互易传输特性，该方案仅适用于“只发不收”的场景。基于有源放大器的非互易二端口器件则是利用有源放大器单向增益的非互易特性实现二端口的防护。隔离器方案的缺点在于只有一种状态，即任何功率的信号都无法反向传输，只能用于发射通道。基于有源放大器的非互易二端口器件缺点在于结构较为复杂，需要外加直流馈电，且发射与接收功率受限，不适用于高功率的应用场景，整体成本较高且性能一般。因此，现有技术存在适应性不佳的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够适用于高功率应用场景的能量选择自适应非互易二端口器件。
一种能量选择自适应非互易二端口器件，所述二端口器件包括：
信号发射端口、信号接收端口、环形器、能量高通器件和匹配负载；
所述信号发射端口和所述信号接收端口分别与所述环形器的第一端口和第二端口连接；
所述环形器的第三端口与所述能量高通器件的一端连接，所述能量高通器件的另一端与所述匹配负载连接；其中，所述环形器的信号传输方向为第一端口、第二端口、第三端口的环形方向；能量高通器件为具有低能量反射、高能量透射特性的器件。
在其中一个实施例中，还包括：当信号从所述信号发射端口输入时，所述能量选择自适应非互易二端口器件处于互易状态，能够使任意功率大小的信号低插损传输到所述信号接收端口。
在其中一个实施例中，还包括：当信号从所述信号接收端口输入时，若其能量低于所述能量高通器件的阈值，则所述信号被所述能量高通器件全反射回到所述环形器，并耦合至所述信号发射端口，所述能量选择自适应非互易二端口器件处于互易状态。
在其中一个实施例中，还包括：若所述信号的能量高于所述能量高通器件的阈值，则所述信号经过所述能量高通器件低插损传输至所述匹配负载，不能传输至所述信号发射端口，所述能量选择自适应非互易二端口器件处于非互易状态。
在其中一个实施例中，还包括：所述匹配负载用于大功率信号吸收。
上述能量选择自适应非互易二端口器件，通过由信号发射端口、信号接收端口、环形器、能量高通器件和匹配负载构成的拓扑结构，在信号从信号发射端口输入进行正向传输时，能够使信号正常低损耗地传输到信号接收端口，在信号从信号接口端口输入进行反向传输时，根据能量高通器件对低能量进行反射，对高能量进行透射的特性，使信号低于能量高通器件阈值时，能量选择自适应非互易二端口器件处于互易状态，而信号高于能量高通器件阈值时，能量选择自适应非互易二端口器件处于非互易状态。本发明具有收发兼容、高功率容量、适用频段广、工作带宽大、插入损耗低、隔离效能高等优点。
附图说明
图1为一个实施例中能量选择自适应非互易器件拓扑结构图；
图2为一个实施例中使用的能量高通器件的整体结构图；
图3为一个实施例中能量选择自适应非互易器件原理图；
图4为另一个实施例中从信号接收端口输入不同能量信号的传输系数结果图；
图5为另一个实施例中以1.6GHz对非互易二端口器件进行功率注入实验的结果图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种能量选择自适应非互易二端口器件，包括：端口1、端口2、环形器、能量高通器件和匹配负载；其中，端口1对应于信号发射端口，端口2对应于信号接收端口，图中标记1、2、3分别为环形器的第一端口、第二端口和第三端口。
端口1和端口2分别与环形器的第一端口和第二端口连接；
环形器的第三端口与能量高通器件的一端连接，能量高通器件的另一端与匹配负载连接。
能量高通器件为具有低能量反射、高能量透射特性的器件。在工程应用中，首先根据工程需要确定所需传输的信号的能量阈值，比设定的阈值低的能量称为低能量，比设定的阈值高的能量称为高能量。根据所需的能量阈值确定能量高通器件参数，使得低能量信号不能被所选的能量高通器件传输，而高能量信号能够被该能量高通器件传输。
图2为本实施例使用的一种能量高通器件的整体结构图。该能量高通器件由微带线结构、金属贴片、二极管、电感、电容、金属化过孔及其连接构成，通过在微带线左右两端分别对称地构建两个金属贴片，其中第一金属贴片通过两个并联的、方向相反的二极管与微带线连接，同时通过一个电感与第二金属贴片连接，而第二金属贴片一方面通过一个电容与微带线连接，另一方面通过一个金属化过孔穿过介质基板与背面的金属地连接。当高能量信号入射时，二极管导通使得该拓扑结构表现为高阻抗的并联谐振状态，从而使得能量得以正常传输；当低能量信号入射时，二极管保持断开状态，该拓扑结构表现为低阻抗的串联谐振状态，使得信号全反射。
环形器为三端口器件，其信号传输特性为顺箭头方向传输，逆箭头方向隔离。此处能量高通器件是一种二端口器件，通过加载非线性器件可以实现低能量反射、高能量透射的特性。匹配负载为单端口器件，用于大功率信号吸收。
如图3所示为本发明能量选择自适应非互易器件原理图，当信号从端口1输入时，经过环形器可以直接低插损地耦合至端口2，能量选择自适应非互易器件处于互易状态。当信号从端口2输入时，首先经过环形器耦合至能量高通器件，若信号能量低于能量高通器件阈值，能量高通器件全反射回到环形器，因而再次耦合至端口1，能量选择自适应非互易器件仍处于互易状态；若信号高于能量高通器件阈值，信号经过能量高通器件低插损传输至匹配负载吸收，故不能传输至端口1，能量选择自适应非互易器件转变成非互易状态。
上述能量选择自适应非互易二端口器件，通过由信号发射端口、信号接收端口、环形器、能量高通器件和匹配负载构成的拓扑结构，在信号从信号发射端口输入进行正向传输时，能够使信号正常低损耗地传输到信号接收端口，在信号从信号接口端口输入进行反向传输时，根据能量高通器件对低能量进行反射，对高能量进行透射的特性，使信号低于能量高通器件阈值时，能量选择自适应非互易二端口器件处于互易状态，而信号高于能量高通器件阈值时，能量选择自适应非互易二端口器件处于非互易状态。本发明具有收发兼容、高功率容量、适用频段广、工作带宽大、插入损耗低、隔离效能高等优点。
在其中一个实施例中，对本发明设计的能量选择自适应非互易二端口器件特性进行了仿真模拟：
S参数，也就是散射参数，是微波传输中的一个重要参数。Sij表示i端口反射的电压波振幅与j端口入射的电压波振幅之比。对于二端口器件，S12表示从端口2到端口1的反向传输系数，S21表示从端口1到端口2的正向传输系数。
如图4为端口2输入不同能量信号的传输系数S12，该结构实现了9.85-14.85 GHz的能量选择非互易特性，带宽内低能量插损-1 dB以内，高能量隔离-15 dB以下。
如图5为以1.6GHz对非互易二端口器件进行功率注入实验的结果，可以看到在正向传输时，传输系数与功率无关，保持低插损正向通过；反向传输时，在较低功率下可以保持较低插损传输，但是随着功率增大，其传输系数不断减小最后保持一个较低的稳定值。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种能量选择自适应非互易二端口器件，其特征在于，所述器件包括：信号发射端口、信号接收端口、环形器、能量高通器件和匹配负载；
所述信号发射端口和所述信号接收端口分别与所述环形器的第一端口和第二端口连接；
所述环形器的第三端口与所述能量高通器件的一端连接，所述能量高通器件的另一端与所述匹配负载连接；其中，所述环形器的信号传输方向为第一端口、第二端口、第三端口的环形方向；所述能量高通器件为具有低能量反射、高能量透射特性的器件。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，当信号从所述信号发射端口输入时，所述能量选择自适应非互易二端口器件处于互易状态，能够使任意功率大小的信号低插损传输到所述信号接收端口。
3.根据权利要求2所述的器件，其特征在于，当信号从所述信号接收端口输入时，若其能量低于所述能量高通器件的阈值，则所述信号被所述能量高通器件全反射回到所述环形器，并耦合至所述信号发射端口，所述能量选择自适应非互易二端口器件处于互易状态。
4.根据权利要求3所述的器件，其特征在于，若所述信号的能量高于所述能量高通器件的阈值，则所述信号经过所述能量高通器件低插损传输至所述匹配负载，不能传输至所述信号发射端口，所述能量选择自适应非互易二端口器件处于非互易状态。
5.根据权利要求1至4任一项所述的器件，其特征在于，所述匹配负载用于大功率信号吸收。
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