CN116259944A - 一种基于宇称时间对称原理的环形器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于宇称时间对称原理的环形器，其由两组宇称时间(PT)对称模块串联构成，每组PT对称模块包括：电感‑电容‑正电阻并联谐振的损耗谐振器，可调耦合模块,以及电感‑电容‑负电阻并联的增益谐振器；其中损耗谐振器与增益谐振器通过可调电容耦合连接构成PT对称模块。其中一组PT对称模块的增益谐振器与另一组的损耗谐振器相连，构成环形器的输入输出端口。其中一组PT对称模块剩余的损耗谐振器构成环形器的输入端口，另一组剩余的增益谐振器构成环形器的输出端口。通过改变可调耦合电容实现传输频率调谐。该系统具有高非互易比，低插入损耗等优点。
Description
技术领域
本发明涉及具有单向传输特性的多端口系统领域，尤其涉及一种基于宇称时间(PT)对称原理的三端口环形器。
背景技术
环形器是将进入其任一端口的入射波，按照器件确定的方向顺序传入下一个端口的，具有数个端的非可逆器件，其突出特点是可以单向传输高频信号能量。在近代雷达和微波多路通信系统中都要用单方向环行特性的器件。例如，在收发设备共用一副天线的雷达系统中常用环形器作双工器；在微波多路通信系统中，用环形器可以把不同频率的信号分隔开。当前常用的环形器的原理是磁场偏置铁氧体旋磁材料各向异性特性，这种材料在外加高频波场与恒定直流磁场的作用下产生旋磁特性(张量磁导率特性)。正是这种旋磁现象，会使在铁氧体中传播的电磁波发生极化的旋转，因此可以制作出具有环行特性的环形器。如果改变偏置磁场的方向，环行方向就会改变。
然而当前常用的环形器往往受到各种因素的限制，在使用中有各种不便之处，且其性能(如插入损耗等)也有着不令人满意的地方。体积较大；不易安装；易锈蚀；成本较高；抗干扰能力弱；对安装环境、铁氧体材料特性及偏置磁场的稳定度要求都较高；在严峻环境(如粉尘浓度高，湿度较低等情况)下效果不理想。因此，打破传统环形器对铁氧体材料的依赖以解决上述问题，提出一种新的具有高非互易比，低插入损耗的环形器构造思路是非常有必要的。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对上述背景技术的不足，提出了一种基于PT对称原理的环形器，消除了环形器设计中对铁氧体旋磁材料的高度依赖，解决了当前环形器在使用中成本较大，抗干扰能力弱，对环境要求较高，插入损耗不理想等技术问题。
技术方案：为了实现上述目的，本发明提供一种基于宇称时间对称原理的环形器，该环形器由两组宇称时间对称模块即第一耦合模块和第二耦合模块串联构成，每个宇称时间对称模块都包含了一个损耗谐振器，一个增益谐振器，以及连接它们的可调电容；其中，第一组宇称时间对称模块的第一增益谐振器与第二组PT对称模块的第二损耗谐振器相连，该连接端构成环形器的输入/输出端口；第一组宇称时间对称模块的第一损耗谐振器的输入端构成环形器的输入端口，第二组宇称时间对称模块的第二增益谐振器构成环形器的输出端口；每组宇称时间对称模块中的损耗谐振器和增益谐振器都通过可调电容耦合在一起，通过改变可调电容来改变损耗谐振器与增益谐振器之间的耦合系数，从而实现传输频率调谐。
所述第一耦合模块中的第一损耗谐振器由第一电感、第一电容和第一正电阻并联组成；其中一端接地，另一端接输入端口。
所述第二耦合模块中的第二损耗谐振器由第三电感、第三电容和第二正电阻并联组成；其中一端接地，另一端接输入/输出端口。
所述第一耦合模块中的第一增益谐振器由第二电感、第二电容和第一负电阻并联组成；其中一端接地，另一端接输入/输出端口。
所述第二耦合模块中的第二增益谐振器由第四电感、第四电容和第二负电阻并联组成；其中一端接地，另一端接输出端口。
所述第一增益谐振器中的第一负电阻以及第二增益谐振电路中的第二负电阻都是由跨阻放大器构成；当跨阻放大器工作在线性区时，负电阻呈不随输入电压变化的定值负电阻；当跨阻放大器工作在负饱和区时，负电阻阻值为受输入电压控制的负电阻。
所述跨阻放大器包括正反馈电阻、运算放大器、负反馈电阻、接地电阻，其中，运算放大器的输出端通过正反馈电阻接运算放大器的正输入端，运算放大器的输出端通过负反馈电阻接运算放大器的负输入端，运算放大器的负输入端通过接地电阻接地。
所述第一损耗谐振器和第一增益谐振器通过第一可调电容耦合在一起；第二损耗谐振器和第二增益谐振器通过第二可调电容耦合在一起。
所述第一损耗谐振器中的第一电感、第一电容分别与第一增益谐振电路中的第二电感、第二电容相等；第一损耗谐振器中的第一正电阻的阻值与第一增益谐振器中第一负电阻工作在线性区时的电阻值的绝对值相等；所述第二损耗谐振器中的第三电感、第三电容分别与第二增益谐振电路中的第四电感、第四电容相等；所述第二损耗谐振器中的第二正电阻的阻值与第二增益谐振器中第二负电阻工作在线性区时的电阻值的绝对值相等。
该环形器工作过程为：
步骤1，调节构成第一负电阻的跨阻放大器的电阻值，使该跨阻放大器线性区等效负阻值的绝对值等于第一损耗谐振器的第一正电阻的绝对值；调节构成第一负电阻的跨阻放大器的电阻值，使该跨阻放大器线性区等效负阻值的绝对值等于第二损耗谐振器的第二正电阻的绝对值，以使两组宇称时间对称模块均处于宇称时间对称状态；
步骤2，调节第一可调电容和第二可调电容的电容值，使其值在
之间，此时两个宇称时间对称系统均处于宇称时间对称破缺区；其中CL是第一损耗谐振器中的第一电容或第二损耗谐振器中的第三电容，RL是第一损耗谐振器中的第一正电阻或第二损耗谐振器中的第二正电阻，LL是第一损耗谐振器中的第一电感或第二损耗谐振器中的第三电感；
步骤3，调节输入信号的幅值，使其略大于第一负电阻和第二负电阻的线性区与饱和区的临界点；当信号从输入端口输入时，从输入/输出端口、输出端口输出；当信号从输入/输出端口输入时，只能从输出端口输出；信号从输出端口输入时，输入端口与输入/输出端口均没有输出；
步骤4，在
之间调节第一可调电容和第二可调电容的电容值，改变系统信号传输频率，形成传输频率可调谐的单向传输特性的三端口环形器系统即基于宇称时间对称原理的环形器。
有益效果：本发明的基于宇称时间(PT)对称原理的环形器具有以下优点：
本发明利用两组PT对称系统的信号非互易传输实现环形器的环形单向传输特性，通过改变每组PT对称系统中损耗谐振电路与增益谐振电路之间的可调电容耦合模块改变损耗模块与增益模块之间的耦合系数实现系统的传输频率可调谐。相较于当前常用的铁氧体材料三端口环形器，该系统具有成本低、体积小、抗干扰能力强、材料易制备、高非互易比，低插入损耗的优点。
附图说明
图1为本发明的一种基于PT对称原理的环形器的示意图；
图2为本发明的一种基于PT对称原理的环形器的等效电路图；
图3为本发明中使用跨阻放大器构成PT对称系统中负电阻的等效电路图；
图中有：输入端口IN、输入/输出端口IO、输出端口OUT；第一耦合模块A、第二耦合模块B；第一损耗谐振器1、第一增益谐振器2、第二损耗谐振器3、第二增益谐振器4；第一电感L1、第一电容C1、第一正电阻R1；第三电感L22、第三电容C22、第二正电阻R3；第二电感L21、第二电容C21、第一负电阻-R2；第四电感L3、第四电容C3、第二负电阻-R4；第一可调电容CC1、第二可调电容CC2；正反馈电阻Ra、运算放大器F、负反馈电阻Rb、接地电阻RC。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于PT对称原理的环形器做进一步详细的描述。
如图1所示，一种基于PT对称原理的环形器是一个三端口非可逆信号传输的器件。输入端口IN为信号输入端口，输出端口OUT为信号输出端口，而输入/输出端口IO为既可以作为信号输入端口又可以作为信号输出端口。当信号由输入端口IN输入，经过环形器中的第一组PT对称模块的正向传输，信号可由输入/输出端口IO进行输出；而当信号由输入/输出端口IO输入时，经由环形器中的第二组PT对称模块的正向传输，信号可由输出端口OUT进行输出。而此时由于PT对称模块的反向传输系数相对于正向传输系数很小，信号经由第一组PT对称模块的反向泄露可以忽略不记，即输入端口IN将没有信号输出，这就是基于PT对称原理的环形器实现单向信号传输的效果。
该环形器由两组宇称时间对称模块即第一耦合模块(A)和第二耦合模块(B)串联构成，每个宇称时间对称模块都包含了一个损耗谐振器，一个增益谐振器，以及连接它们的可调电容；其中，第一组宇称时间对称模块的第一增益谐振器(2)与第二组PT对称模块的第二损耗谐振器(3)相连，该连接端构成环形器的输入/输出端口(IO)；第一组宇称时间对称模块的第一损耗谐振器(1)的输入端构成环形器的输入端口(IN)，第二组宇称时间对称模块的第二增益谐振器(4)构成环形器的输出端口(OUT)；每组宇称时间对称模块中的损耗谐振器和增益谐振器都通过可调电容耦合在一起，通过改变可调电容来改变损耗谐振器与增益谐振器之间的耦合系数，从而实现传输频率调谐。
如图2所示，一种基于PT对称原理的环形器，该环形器由两组宇称时间对称模块即第一耦合模块A和第二耦合模块B串联构成，每个宇称时间对称模块都包含了一个损耗谐振器，一个增益谐振器，以及连接它们的可调电容；其中，第一组宇称时间对称模块的第一增益谐振器2与第二组PT对称模块的第二损耗谐振器3相连，该连接端构成环形器的输入/输出端口IO；第一组宇称时间对称模块的第一损耗谐振器1的输入端构成环形器的输入端口IN，第二组宇称时间对称模块的第二增益谐振器4构成环形器的输出端口OUT；每组宇称时间对称模块中的损耗谐振器和增益谐振器都通过可调电容耦合在一起，通过改变可调电容来改变损耗谐振器与增益谐振器之间的耦合系数，从而实现传输频率调谐。
第一组PT对称模块由第一损耗谐振电路1、第一增益谐振电路2以及第一可调耦合模块CC1三部分组成，第二组PT对称模块由第二损耗谐振电路3、第二增益谐振电路4以及第二可调耦合模块CC2三部分组成。第一损耗谐振电路1由第一电感L1、第一电容C1和第一正电阻R1并联组成；第一增益谐振电路2由第二电感L21、第二电容C21和第一负电阻-R2并联组成，其中第一负电阻-R2由跨阻放大器构成；当跨阻放大器工作在线性区时，第一负电阻-R2呈不随输入电压变化的定值负电阻；当跨阻放大器工作在负饱和区时，第一负电阻-R2阻值为受输入电压控制的负电阻。第二损耗谐振电路3由第三电感L22、第三电容C22和第二正电阻R3并联组成；第二增益谐振电路4由第四电感L3、第四电容C3和第二负电阻-R4并联组成，其中第二负电阻-R4与第一负电阻-R2同理，也由跨组放大器构成。第一损耗谐振电路1和第一增益谐振电路2通过第一可调电容CC1耦合在一起构成第一耦合模块A，第二损耗谐振电路3和第二增益谐振电路4通过第二可调电容CC2耦合在一起构成第二耦合模块B。通过改第一变可调电容CC2和第二可调电容CC2的电容值来改变损耗谐振电路与增益谐振电路之间的耦合系数，从而改变系统的传输频率。
构成第二负电阻-R4的跨阻放大器电路包括正反馈电阻Ra、运算放大器F、负反馈电阻Rb、接地电阻RC。正反馈电阻Ra连接在运算放大器F同向输入端和输出端之间，负反馈电阻Rb连接在运算放大器F的反向输入端和输出端之间，接地电阻RC一端接地一端接负反馈电阻Rb。构成第一负电阻-R2的跨阻放大器电路同理。
第一损耗谐振电路1中的第一电感L1、第一电容C1分别与第一增益谐振电路2中的第二电感L21、第二电容C21相等；第一损耗谐振电路1中的第一正电阻R1的阻值与第一增益谐振电路2中第一负电阻-R2工作在线性区时的电阻值的绝对值相等。第二损耗谐振电路3中的第三电感L22、第三电容C22分别与第二增益谐振电路4中的第四电感L3、第四电容C3相等；第二损耗谐振电路3中的第二正电阻R3的阻值与第二增益谐振电路4中第二负电阻-R4工作在线性区时的电阻值的绝对值相等。
调节Ra、Rb、RC使其满足公式
其中Ra是正反馈电阻、Rb是负反馈电阻、Rc是接地电阻、RL是对应第二损耗谐振电路3第二正电阻R3。同样地去调节构成第一负电阻-R2的跨阻放大器电路中的各个电阻阻值。
设定电容可调耦合模块的电容变化范围满足公式
其中CL是对应损耗谐振电路电容，LL是对应损耗谐振电路电感。保证两个PT对称系统都工作在PT对称破缺区。
其具体工作过程为：
如图3，运算放大器F和正反馈电阻Ra、负反馈电阻Rb、接地电阻RC构成实现第二负电阻-R4的跨阻放大器，初始状态调节其线性区电阻满足公式
当信号幅值增加，跨阻放大器会进入饱和区；
设置可调耦合模块电容值的取值范围满足
给定合适的输入信号幅值使跨阻放大器模块处于反向传输处于负饱和区，正向传输处于线性区。在
范围内调节可调耦合模块电容值并重复上述步骤，可以实现频率可调的环形器单向传输。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于宇称时间对称原理的环形器，其特征在于，该环形器由两组宇称时间对称模块即第一耦合模块(A)和第二耦合模块(B)串联构成，每个宇称时间对称模块都包含了一个损耗谐振器，一个增益谐振器，以及连接它们的可调电容；其中，第一组宇称时间对称模块的第一增益谐振器(2)与第二组PT对称模块的第二损耗谐振器(3)相连，该连接端构成环形器的输入/输出端口(IO)；第一组宇称时间对称模块的第一损耗谐振器(1)的输入端构成环形器的输入端口(IN)，第二组宇称时间对称模块的第二增益谐振器(4)构成环形器的输出端口(OUT)；每组宇称时间对称模块中的损耗谐振器和增益谐振器都通过可调电容耦合在一起，通过改变可调电容来改变损耗谐振器与增益谐振器之间的耦合系数，从而实现传输频率调谐。
2.根据权利要求1所述的基于宇称时间对称原理的环形器，其特征在于，所述第一耦合模块(A)中的第一损耗谐振器(1)由第一电感(L1)、第一电容(C1)和第一正电阻(R1)并联组成；其中一端接地，另一端接输入端口(IN)。
3.根据权利要求1所述的基于宇称时间对称原理的环形器，其特征在于，所述第二耦合模块(B)中的第二损耗谐振器(3)由第三电感(L22)、第三电容(C22)和第二正电阻(R3)并联组成；其中一端接地，另一端接输入/输出端口(IO)。
4.根据权利要求1所述的基于宇称时间对称原理的环形器，其特征在于，所述第一耦合模块(A)中的第一增益谐振器(2)由第二电感(L21)、第二电容(C21)和第一负电阻(-R2)并联组成；其中一端接地，另一端接输入/输出端口(IO)。
5.根据权利要求1所述的基于宇称时间对称原理的环形器，其特征在于，所述第二耦合模块(B)中的第二增益谐振器(4)由第四电感(L3)、第四电容(C3)和第二负电阻(-R4)并联组成；其中一端接地，另一端接输出端口(OUT)。
6.根据权利要求1所述的基于宇称时间对称原理的环形器，其特征在于，所述第一增益谐振器(2)中的第一负电阻(-R2)以及第二增益谐振电路(4)中的第二负电阻(-R4)都是由跨阻放大器构成；当跨阻放大器工作在线性区时，负电阻呈不随输入电压变化的定值负电阻；当跨阻放大器工作在负饱和区时，负电阻阻值为受输入电压控制的负电阻。
7.根据权利要求6所述的基于宇称时间对称原理的环形器，其特征在于，所述跨阻放大器包括正反馈电阻(Ra)、运算放大器(F)、负反馈电阻(Rb)、接地电阻(RC)，其中，运算放大器(F)的输出端通过正反馈电阻(Ra)接运算放大器(F)的正输入端，运算放大器(F)的输出端通过负反馈电阻(Rb)接运算放大器(F)的负输入端，运算放大器(F)的负输入端通过接地电阻(RC)接地。
8.根据权利要求1所述的基于宇称时间对称原理的环形器，其特征在于，所述第一损耗谐振器(1)和第一增益谐振器(2)通过第一可调电容(CC1)耦合在一起；第二损耗谐振器(3)和第二增益谐振器(4)通过第二可调电容(CC2)耦合在一起。
9.根据权利要求1所述的基于宇称时间对称原理的环形器，其特征在于所述第一损耗谐振器(1)中的第一电感(L1)、第一电容(C1)分别与第一增益谐振电路(2)中的第二电感(L21)、第二电容(C21)相等；第一损耗谐振器(1)中的第一正电阻(R1)的阻值与第一增益谐振器(2)中第一负电阻(-R2)工作在线性区时的电阻值的绝对值相等；所述第二损耗谐振器(3)中的第三电感(L22)、第三电容(C22)分别与第二增益谐振电路(4)中的第四电感(L3)、第四电容(C3)相等；所述第二损耗谐振器(3)中的第二正电阻(R3)的阻值与第二增益谐振器(4)中第二负电阻(-R4)工作在线性区时的电阻值的绝对值相等。
10.根据权利要求1-9任一权利要求所述的基于宇称时间对称原理的环形器，其特征在于该环形器工作过程为：
步骤1，调节构成第一负电阻(-R2)的跨阻放大器的电阻值，使该跨阻放大器线性区等效负阻值的绝对值等于第一损耗谐振器(1)的第一正电阻(R1)的绝对值；调节构成第二负电阻(-R4)的跨阻放大器的电阻值，使该跨阻放大器线性区等效负阻值的绝对值等于第二损耗谐振器(3)的第二正电阻(R3)的绝对值，以使两组宇称时间对称模块均处于宇称时间对称状态；
步骤2，调节第一可调电容(CC1)和第二可调电容(CC2)的电容值，使其值在
之间，此时两个宇称时间对称系统均处于宇称时间对称破缺区；其中CL是第一损耗谐振器(1)中的第一电容(C1)或第二损耗谐振器(3)中的第三电容(C22)，RL是第一损耗谐振器(1)中的第一正电阻(R1)或第二损耗谐振器(3)中的第二正电阻(R3)，LL是第一损耗谐振器(1)中的第一电感(L1)或第二损耗谐振器(3)中的第三电感(L22)；
步骤3，调节输入信号的幅值，使其略大于第一负电阻(-R2)和第二负电阻(-R4)的线性区与饱和区的临界点；当信号从输入端口(IN)输入时，从输入/输出端口(IO)、输出端口(OUT)输出；当信号从输入/输出端口(IO)输入时，只能从输出端口(OUT)输出；
信号从输出端口(OUT)输入时，输入端口(IN)与输入/输出端口(IO)均没有输出；
步骤4，在
之间调节第一可调电容(CC1)和第二可调电容(CC2)的电容值，改变系统信号传输频率，形成传输频率可调谐的单向传输特性的三端口环形器系统即基于宇称时间对称原理的环形器。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0100274A1 (fr) * | 1982-07-27 | 1984-02-08 | Alcatel Thomson Faisceaux Hertziens | Dispositif d'adaptation et d'isolement comportant un circulateur à ferrites |
| JP2014239349A (ja) * | 2013-06-07 | 2014-12-18 | 株式会社東芝 | 位相可変装置、アンテナ装置、ダイプレクサ及びマルチプレクサ |
| CN104701594A (zh) * | 2015-03-29 | 2015-06-10 | 王少夫 | 一种环行器装置 |
| CN115425964A (zh) * | 2022-09-15 | 2022-12-02 | 东南大学 | 基于pt对称原理的频率可调非互易传输系统及其检测方法 |
-
2023
- 2023-02-22 CN CN202310147244.1A patent/CN116259944B/zh active Active
- 2023-03-20 WO PCT/CN2023/082625 patent/WO2024159590A1/zh unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0100274A1 (fr) * | 1982-07-27 | 1984-02-08 | Alcatel Thomson Faisceaux Hertziens | Dispositif d'adaptation et d'isolement comportant un circulateur à ferrites |
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| CN115425964A (zh) * | 2022-09-15 | 2022-12-02 | 东南大学 | 基于pt对称原理的频率可调非互易传输系统及其检测方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024159590A1 (zh) | 2024-08-08 |
| CN116259944B (zh) | 2024-01-30 |
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