CN116487853A - 一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器 - Google Patents

一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器 Download PDF

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张波
薛婉茹
李道通
牛中乾
欧祖强
乔进财
唐家成
余冬喜
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    • H01P1/00—Auxiliary devices
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Abstract

本发明涉及环形器设计领域，具体涉及一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器；包括：开关模块A、开关模块B、延迟线A和延迟线B；开关模块A连接端口1和端口3，且开关模块A与延迟线A、延迟线B连接；开关模块B连接端口2，且开关模块B与延迟线A、延迟线B连接；延迟线A与延迟线B均采用矩形铜基空气微同轴结构；所述矩形铜基空气微同轴结构包括外层金属壁、内层金属导体和支撑条；本发明采用了矩形空气微同轴延迟线结构，极大程度上缩小了延迟线的体积，实现了小型化。

Description

一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环 形器
技术领域
本发明涉及环形器设计领域，具体涉及一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器。
背景技术
近些年来，随着5G技术的发展，同时同频全双工(CCFD)通信技术受到了人们的广泛关注，同时同频全双工通信技术是在同一时刻以相同的频率发送和接收信号的一种传输方式，跟与现有的频分双工(FDD)或时分双工(TDD)相比，同时同频全双工技术能够将无线资源的使用效率提升近一倍，从而显著提高系统吞吐量和容量，在频谱资源异常紧张的情况下，显得尤为关键。该技术在雷达、微波感知、无线通信以及无线局域网系统中，起着重要作用。但是在射频端，存在着严重的自干扰问题，如何解决发射通道和接收通道之间的干扰问题十分重要。为了解决这一问题提出了相应的解决办法，如天线隔离、天线对消等技术，然而这些技术只能抵消部分的干扰。而环形器在解决自干扰这一问题上有非常显著的效果。
环形器的其工作原理为：当环形器的三个端口为发射端、天线端和接收端，发射端发出的微波信号只能到天线端发送出去，而不能泄漏到接收端口；天线端接收到的微波信号只能传递到接收端口，从而避免了微波信号的相互影响，所以电磁波在环行器的各端口间的传输是非互易的，环行器的性能直接影响收发信机的整体性能。在通信或雷达系统中环形器通常用于隔离发射和接收通道。它连接天线和收、发链路，通过环形传输信号的功能使信号的收发可由一副天线完成，大大提高了系统效率，减小了部件的尺寸，节约了成本。环行器可有效解决雷达系统的级间隔离、阻抗以及共用等一系列实际问题，极大的提高了雷达系统的性能，是系统中的关键器件。
通常情况下，使用铁氧体材料实现器件的非互易特性，可铁氧体材料复杂的处理操作与现有的集成工艺不兼容，且铁氧体需要极高的温度和氧化程度，这与半导体制造是不兼容的。因此，铁氧体环行器和隔离器往往是笨重和昂贵的设备，目前不适合低成本、重量轻、小型化的应用。在近十年，一种基于时空调制的非互易环形器被提出，这种环形器虽然在隔离和插入损耗上达到较好的参数指标，但其各端口的回波损耗性能较差。具体来说，基于时空调制的非互易环形器为了获得较大的延迟时间，延迟线尺寸为130*130mm，过大的尺寸导致其小型化程度和集成度不够高；同时，该技术虽然在一定程度上增大了环形器的带宽，但仍不能解决微带慢波延迟线的在半波长处的反射问题，且其带宽仅为0.8GHz。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器，通过空气铜基微同轴技术，大大缩小了延迟线的尺寸，实现了小型化，且该技术有非常强的屏蔽形，提高了环形器的隔离度，解决微带结构的近端串扰与远端串扰所造成的最强信号反射的问题，从而拓宽环形器的带宽。
具体方案包括：开关模块A、开关模块B、延迟线A和延迟线B；开关模块A连接端口1和端口3，且开关模块A与延迟线A、延迟线B连接；开关模块B连接端口2，且开关模块B与延迟线A、延迟线B连接；延迟线A与延迟线B均采用矩形铜基空气微同轴结构；所述矩形铜基空气微同轴结构包括外层金属壁、内层金属导体和支撑条。
进一步的，所述外层金属壁为内部空心的矩形柱，且矩形柱的四条棱边的中间部位分别设有一个释放孔。
进一步的，所述支撑条为矩形薄板，且所述支撑条固定在外层金属壁内部，用于支撑内层金属导体。
进一步的，所述内层金属导体为实心矩形柱。
进一步的，延迟线1和延迟线2中均设有输入单元和输出单元。
进一步的，输入单元包括依次连接的横向导体部位、竖向导体部位和空心部位；输出单元与输入单元的结构相同。
本发明的有益效果：
本发明采用了矩形空气微同轴延迟线结构，实现延迟时间在10.1ns左右，延迟模块尺寸缩小约为55*55mm，尺寸缩小了80％，极大程度上缩小了延迟线的体积，实现了小型化。
本发明在实现小型化的同时，其他参数性能也有明显的提升。其频带宽度提升至0-1GHz，带宽扩展了20％，且解决了在半波长处的最强反射问题，其各端口的回波损耗也提升至30dB左右，且隔离在40dB左右，其参数性能优异。
附图说明
图1为本发明的基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器示意图；
图2为本发明的开关模块1的示意图；
图3为本发明的铜基空气填充同轴传输线示意图；
图4为本发明的矩形铜基空气微同轴结构立体图；
图5为本发明的矩形铜基空气微同轴结构平面剖视图；
图6为本发明的输入单元示意图；
图7为本发明的仿真结果图；
其中，1-外层金属壁，2-内层金属导体，3-支撑条，4-释放孔，5-输入单元，6-矩形凹槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器，如图1所示，包括：开关模块A、开关模块B、延迟线A和延迟线B；开关模块A连接端口1和端口3，且开关模块A与延迟线A、延迟线B连接；开关模块B连接端口2，且开关模块B与延迟线A、延迟线B连接；延迟线A与延迟线B均采用矩形铜基空气微同轴结构；所述矩形铜基空气微同轴结构包括外层金属壁、内层金属导体和支撑条。
具体地，开关模块A和开关模块B均采用了MSW 2-20+的单极双掷开关，MSW 2-20+的单极双掷开关的工作频率为0-2GHz，其开断时间极短，仅有2ns，损耗较小；MSW 2-20+的单极双掷开关的打开与闭合使用脉冲信号进行控制，脉冲信号为方波，占空比50％，周期为T。
具体地，开关模块A由4个MSW 2-20+的单极双掷开关组成，其结构布局具有对称性，如图2所示，以保证具有相同的延迟。开关模块A中的额外接地开关增强端口1和端口3间的隔离，整体由脉冲信号SM1和SM2控制开关的断开与闭合。
具体地，开关模块B采用单个MSW 2-20+的单极双掷开关。
传统的微带慢波延迟线由于近端串扰与远端串扰的影响，会产生信号反射的问题，这种信号反射在半波长处累计达到最大,这两种串扰致使产生截止频率。为此，本发明对延迟线进行设计改进，主要采用矩形铜基空气微同轴结构实现直线或折现的铜基空气填充同轴传输线，即将多个矩形铜基空气微同轴结构连接成直线或折线矩形铜基空气微同轴传输线，如图3所示。矩形铜基空气微同轴结构具有非常强的屏蔽作用，一定程度上消除微带结构的近端串扰与远端串扰的造成的最强信号反射的问题，拓宽了延迟线与无磁非互易性网络延迟线环形器的带宽。
具体地，如图4所示，所述矩形铜基空气微同轴结构包括外层金属壁1、内层金属导体2和支撑条3。其中，内层金属导体2的作用是传输微波信号，调制内层金属导体2的宽度是改变传输线阻抗的主要方法。
具体的，如图5所示，所述外层金属壁1为内部空心的矩形柱，且所述矩形柱的厚度为0.1mm；在矩形柱的四条棱边的中间部位分别设有一个释放孔4，用于释放光刻胶。
具体的，四个释放孔4的大小形状一样，都是尺寸为0.1mm×0.1mm×0.1mm的立方槽。
具体地，外层金属壁与内层金属导体之间存在空气介质，并不直接接触，因此需要涂覆光刻胶以达到支撑内层金属导体的作用，后续还需剥离光刻胶并采用其他支撑结构支撑内层金属导体，故在外层金属壁内部固定有支撑条，用于支撑内层金属导体；所述支撑条为矩形薄板，其尺寸大小为0.66mm×0.1mm×0.02mm。
具体地，延迟线A和延迟线B结构相同，且两者的尺寸大小均为55mm×55mm×0.5mm，其中还均设有输入单元和输出单元。如图6所示，输入单元5包括依次连接的横向导体部位、竖向导体部位和空心部位。
具体地，输入单元也采用类似的矩形铜基空气微同轴结构；其中横向导体部位只包括外层金属壁1和内层金属导体2；竖向导体部位也只包括外层金属壁1和内层金属导体2，但是内层金属导体2的放置状态不同，其为竖直放置，竖直放置为了连接后续加工实物，进行实测时与探头连接，即可以将竖直放置的内层金属导体理解为探针；空心部位只包括外层金属壁1。
具体地，横向导体部位和空心部位的外层金属壁形状大小相同，而竖向导体部位的外层金属壁的尺寸要小一些；横向导体部位、竖向导体部位和空心部位依次连接在一起后，在竖向导体部位形成两个相同大小的矩形凹槽6，如图6所示。
具体地，输出单元与输入单元的结构相同。
本发明在ADS中对基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器进行了仿真，开关模块由ADS中的四个电压脉冲信号控制，信号的上升和下降时间设置为2ns，以模拟MSW 2-20+的开关时间。在HFSS中对改进后的SMDL进行仿真，对S参数提取，数据导入ADS的联合仿真电路图中，并对每个端口加以信号源进行仿真测试，测试结果如图7所示。S11为端口1的回波损耗，其值约为27dB左右；S21为端口1的插入损耗，其值约为4.7dB左右；S31为端口1的隔离，其值约为42dB左右。S12为端口2的隔离，其值约为41dB左右；S22为端口2的回波损耗，其值约为27dB左右；S32为端口2的插入损耗，其值约为4.8dB左右。S13为端口3的插入损耗，其值约为4.7dB左右；S23为端口3的隔离，其值约为42dB左右；S33为端口3的回波损耗，其值约为27dB左右。从这些结果可知，该发明有更小的尺寸，实现了小型化。与现有技术相比，该技术有更好的屏蔽作用，减小了串扰，拓宽了带宽宽度，有更好的回波损耗，隔离度。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器，其特征在于，包括：开关模块A、开关模块B、延迟线A和延迟线B；开关模块A连接端口1和端口3，且开关模块A与延迟线A、延迟线B连接；开关模块B连接端口2，且开关模块B与延迟线A、延迟线B连接；延迟线A与延迟线B均采用矩形铜基空气微同轴结构；所述矩形铜基空气微同轴结构包括外层金属壁、内层金属导体和支撑条。
2.根据权利要求1所述的一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器，其特征在于，所述外层金属壁为内部空心的矩形柱，且矩形柱的四条棱边的中间部位分别设有一个释放孔。
3.根据权利要求2所述的一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器，其特征在于，所述释放孔是尺寸为0.1mm×0.1mm×0.1mm的立方槽。
4.根据权利要求2所述的一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器，其特征在于，所述支撑条为矩形薄板，且所述支撑条固定在外层金属壁内部，用于支撑内层金属导体。
5.根据权利要求1所述的一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器，其特征在于，所述内层金属导体为实心矩形柱。
6.根据权利要求1所述的一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器，其特征在于，延迟线A和延迟线B中均设有输入单元和输出单元。
7.根据权利要求6所述的一种基于空气微同轴延迟线的小型无磁非互易性三端口环形器，其特征在于，输入单元包括依次连接的横向导体部位、竖向导体部位和空心部位；输出单元与输入单元的结构相同。
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