差分环行器的研究进展

张冰滨，吴昭晔，高 杨,,3

(1.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010；
2. 特殊环境机器人技术 四川省重点实验室，四川 绵阳 621010；

3.西南科技大学 微系统中心，四川 绵阳 621010)

环行器是一种多端口非互易器件，能单向环行传输(顺时针或逆时针)高频信号，可用于雷达、基站等的接收发系统[1-3]，实现发射信号和接收信号间的隔离。目前，商用环行器大部分为基于磁偏置的铁氧体环行器，这种环行器存在体积大，价格高，难以集成等缺点[4-8]。基于时空调制角动量(STM-AM)偏置的环行器是一种新型无磁环行器，其实现不需要铁氧体材料和强偏置磁场，具有小型化、平面化、与CMOS工艺兼容等优势[9-11]。但单端STM-AM环行器的主要缺陷为，射频输入和相对较低频率的调制信号之间的混合所产生的互调产物(IMP)不仅会对相邻通道造成干扰，还需要较大的调制参数才能实现良好的性能，更重要的是，IMP会将最小插入损耗(IL)限制在3 dB左右[11-12]。，远高于铁氧环行器，这削弱了无磁环行器的优势。因此，抑制IMP至关重要。差分环行器将两个单端环行器与反相时空调制(STM)偏置相结合，能够克服单端架构的限制，有效地消除IMP，从而改善IL和带宽[13]，降低对调制幅度和调制频率的要求，有助于在商用系统中使用STM-AM无磁环行器[14]。

本文描述了差分环行器的基本原理，从电路结构和调制方式两方面总结了差分无磁环行器的研究现状，介绍了差分环行器的常用测试方法，最后初步探讨了差分环行器的发展方向。

单端STM-AM环行器的基本物理原理与磁环行器相同，即谐振结中两个反向旋转模式之间的简并性被施加的偏置打破。这是通过用具有相同频率和振幅、120°相位差的相移周期信号调制谐振器的自然振荡频率来实现，以体声波(BAW)环行器为例，单端BAW环行器的STM-AM偏置示意图如图1所示[15]，其中第n个BAW谐振器(BAWR)的频率被调制[11]为

fn=f0+kVmcos(ωmt+φn)

(n=1,2,3)

(1)

式中：f0为BAWR的静态未调制谐振频率；
Vm，ωm=2πfm分别为调制幅度和调制角频率；
k为常数，量化调制电压对BAWR谐振频率的影响；
φn=(n-1)α，α=120°，根据定义，角动量偏置方向是调制信号相位增加的方向[14]。

图1 BAWR的STM-AM示意图

无调制信号时，顺时针和逆时针两种旋转模式是同频反相的，STM使两种模式分离。将图1中第n个谐振器的电流表示为

in=i+ej(n-1)α+i-e-j(n-1)α

(2)

式中i+ej(n-1)α、i-e-j(n-1)α是两种反向旋转模式，这两种模式的相位分别按顺时针和逆时针方向增加，在一个周期内增加至360°[12]。一般还存在一个公共模式i0，但施加调制信号后公共模式为0，这也是实现STM-AM环行器的必要条件之一。

差分环行器在原有条件下，要求两个单端环行器的调制频率具有180°相位差，假设在式(1)中调制信号增加一个恒定的相位θ，即φn=(n-1)α+θ，增加相位后，旋转模式的基本组成不变，而频率为ω±ωm的IMP变为[14]：

V±(ω∓ωm,ω)=V±(ω∓ωm,ω)|θ=0°e±jθ

(3)

I±(ω∓ωm,ω)=I±(ω∓ωm,ω)|θ=0°e±jθ

(4)

式中V±(ω∓ωm,ω)，I±(ω∓ωm,ω)分别是输入信号频率为ω的IMP的傅里叶变换。构成差分环行器的两个单端BAW环行器完全相同，但两个BAW环行器的调制信号相位差为180°。通过设计电流模式差分结构和电压模式差分结构，使得IMP能够在端口处相互抵消。因此，从端口处看，差分环行器就是一个“线性时不变(LTI)”系统，使得由IMP产生的损耗变得很小[16]。

Estep N A等[10]首先提出了一种基于STM-AM偏置的三角型LC环行器，通过对3个LC谐振网络施加120°相位差的调制信号实现非互易性，能取得较高的隔离度，但该结构需要双工器实现调制信号和输入信号的隔离，这使设计复杂化，并影响整体性能。随后，Estep N A等[11]以Y型拓扑连接LC谐振器，解决了三角型架构存在的主要问题。但LC环行器存在一个固有缺陷：由于LC谐振器的品质因数Q较低，为了实现高隔离度环行器，对调制幅值和调制频率的要求很高，增加了功耗，导致了低功率容量。Torunbalci M M等[17]用薄膜体声波谐振器(FBAR)提供固有振荡频率，首次实现了基于STM-AM偏置的BAW环行器，BAWR的Q值高于LC谐振器，这放宽了对调制信号的要求，与LC环行器相比，BAW环行器仅需较低的调制频率即可实现高隔离度。单端的LC环行器和BAWR都面临一个共同问题：调制信号和输入信号混合产生的IMP会对环行器的性能造成影响，特别是环行器的插入损耗。

为了消除IMP，Kord等[13]提出了一种差分LC环行器：将两个单端的STM-AM环行器结合，每个环行器由3个一阶的LC带阻滤波器组成，以三角型拓扑连接，如图2所示[13]。利用相位差为120°的调制信号分别对每个一阶LC带阻滤波器进行时间调制，且两个单端环行器的调制信号保持180°的相位差。与单端的环行器相比，本文所提出的差分环行器消除了偶次IMP，在一定程度上改善了插入损耗和带宽。

图2 差分无磁环行器结构

在上述差分结构的基础上，Kord等[14]提出了电压模式和电流模式差分LC无磁环行器，如图3所示[14]，电压模式差分环行器为带阻三角型连接，电流模式差分电路为带通Y型连接。与传统的差分时变电路不同，传统的差分时变电路只能抑制偶数或奇数IMP，本文报道的差分结构消除了所有的IMP。这种特性克服了单端架构的局限性，改善了环行器的插入损耗、带宽和噪声系数，且放宽了对调制频率和调制幅度的要求。此外，为了增大差分环行器的带宽，Kord等[18]将电流模式差分环行器与3个相同的带通滤波器相结合构成宽带无磁环行器，带通滤波器分别位于差分环行器的3个端口。这一结构将20 dB隔离带宽增加到中心频率的14%。

图3 电流模式和电压模式结构

虽然差分LC环行器已取得了较好的性能，但仍需相对较大的调制频率。Yao Yu等[19]提出了一种基于氮化铝(AlN)轮廓模式谐振器(CMR)的差分环行器。差分电路为电流模式拓扑结构，由2个CMR单端环行器直接连接构成。Yao Yu等[20]随后提出了基于FBAR的差分环行器，采用高Q值的FBAR不仅进一步改善了环行器的插入损耗和隔离度，还减小了功率损耗，如图4所示[20]，电路包含两个相位差Δφ为180°的分支，每个单端分支中，FBAR与电感并联，以使FBAR在中心频率附近具有更高的机电耦合系数。

图4 差分式BAW环行器电路结构

为了进一步降低差分环行器的尺寸和成本，使其能够应用于小型化设备，Kord等[21]基于改进的电流模式差分结构实现了集成的无磁环行器，该结构将Y型电感转换为三角型连接，并将开关电容并联在电路中调制谐振频率，减小了电路寄生，提高了环行器的线性度和功率容量，从而使电路易于集成，封装的CMOS芯片尺寸仅为36 mm2。Torunbalci M M等[22]针对BAWR提出了一种纯微机电系统(MEMS)的差分环行器，通过消除对片外有源器件的需要，缩减了环行器尺寸。Changting Xu等[23]提出了一种MEMS可集成环行器的实现方案：采用RF开关参数调制由MEMS滤波器构成的线性时不变网络，如图5所示[22]，电路由2个参数调制的LTI网络构成，每个LTI网络中，3个1.2 GHz的MEMS滤波器以三角型结构连接。MEMS滤波器和RF开关均与CMOS技术兼容，且MEMS滤波器本身可提供良好的带通滤波，因此不需要使用额外的滤波器。表1为几种差分环行器实测性能对比。

图5 MEMS滤波器构成的差分环行器电路结构

表1 几种差分环行器实测的性能对比

2013年，Sounas等[24]首次引入了有效角动量(AM)偏置的概念来设计环行器：用具有适当相位关系的信号在3个或更多等间距点调制环形谐振器的介电常数，这种调制方式消除了反向谐振态间的简并性，从而实现了强非互易性。2014年，Fleury等[25]在声学中应用了AM偏置，使用3个以120°间隔放置的风扇，通过机械旋转圆柱形波导管内的空气实现AM偏置。同年，Estep等[10]用120°相移信号分别调制3个LC谐振电路的自然振荡频率，进一步将AM概念扩展到无线电频率。Kord等[14, 16, 18]将这一概念发展为一套更严谨的理论——STM-AM偏置，为实现几个性能卓越的新型无磁环行器奠定了基础[26]。

实现STM-AM偏置的一种方式是变容二极管直接调频，利用变容二极管结电容随反向偏置电压变化的特性，将变容二极管接入谐振回路中作为可控电容元件，则回路电容随调制电压变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的[27]。这种调制方式通常需要在带通滤波器间连接变容二极管，以使交流调制信号和直流偏置信号能通过单独的路径施加到变容二极管上，同时避免调制信号进入输入网络分析仪和谐振结，但该方式需大量的滤波器，增加了电路的复杂度和印制电路板(PCB)尺寸。Kord A等[12]提出了一种基于LC带阻滤波器的三角型环行器，其调制电路如图6所示。调制信号通过匹配网络Lm和Cm施加到变容二极管上，该网络还充当射频信号的带阻滤波器，从而防止其进入调制端口，直流偏置通过大电阻RB和调制信号相结合。此外，由于对称性，调制信号在端口处形成虚拟接地，因此，不需额外滤波器来阻止调制信号泄露到输入输出端口，降低了调制电路的复杂度。随后Kord A等提出的电压模式差分环行器也采取了此调制电路结构，不同的是为了使两个单端环行器的调制信号具有180°相位差，交流调制信号通过巴伦电路(包括一个输入端口和两个差分端口)输入电路。

图6 优化的变容二极管调制电路

变容二极管直接调频的调谐范围较大，但限制了环行器的线性度，且通常需在变容二极管的调制指数和Q之间进行权衡，使设计复杂化[28]。因此，Yao Yu等[19-20]提出了基于开关电容调制的MEMS环行器，其电路结构示意图如图7(a)所示。通过控制开关的通断来改变氮化铝轮廓模式谐振器(CMR)的谐振频率：当开关接通时，由于短路电容为0，不会改变CMR的谐振频率；
当开关断开时，电容与CMR串联，改变了谐振频率。RF开关由具有50%占空比和在特定方向(顺时针或逆时针)增加120°相位的方波信号调制，调制信号间的相位关系如图7(b)所示。图中，T为调制周期，T0为方波脉冲宽度[22]，T0/T为占空比。与变容二极管调制相比，利用开关电容调频的方法通过数字信号打开和关闭开关，因此不需要任何滤波器来隔离射频输入信号和调制信号，最大限度地降低了调制网络的复杂性，缓解了与变容器相关的基本线性度的限制。当电容与谐振器串联时，在不增加显著损耗的情况下提高了调制效率。

图7 开关电容调制的MEMS差分环行器

针对FBAR，Torunbalci M M等[22]提出了一种机械调制方法，提出的差分电路包含2个并联的FBAR芯片，每个FBAR芯片包括3个相同的FBAR，单个FBAR采用BVD等效电路建模，如图8所示，该电路具有弯曲模式和FBAR对应的两个分支。在调制信号作用下驱动弯曲振动模式，在谐振器中产生动态应力，进而改变FBAR压电层的刚度，导致FBAR的串联和并联谐振频率发生变化，从而达到调频的目的。与前两种调制方式相比，这种方式不需要任何片外调谐元件，不仅简化了电路，还改善了线性度和功率容量。

图8 机械调制的FBAR环行器等效电路模型

图9为差分环行器的测试装置。射频信号发生器输入3个具有相同振幅和120°相位差的信号，信号经过差分端口产生2个幅值相同，相位相差180°的信号。在测量环行器的S参数时，2个射频端口连接到矢量网络分析仪(VNA)，第三个端口连接50 Ω负载[13]。对于开关电容调制的差分环行器，可通过反相器产生相位相反的方波[22]，六反相器具有3个输入信号和3对输出信号，每对输出信号中，其中一个与输入信号相同，另一个与输入信号相位相反。

图9 差分环行器的测试装置

本文对差分环行器的原理、结构、调制方式和测试方法进行了总结和讨论。从电路结构看，差分结构能克服单端缺陷，有效改善了环行器的性能。由表1可看出，在插入损耗和隔离度相差小时，差分BAW环行器所需调制频率远低于LC差分环行器，能直接降低环行器的总功耗，因此差分BAW环行器可能成为STM-AM环行器的主要发展方向。从调制方式看，基于变容二极管调制的差分环行器中，调制电路占据了大部分面积，为了减小环行器的尺寸，一种解决方案是使用开关电容代替变容二极管，用数字时钟取代了正弦调制信号，这种调制方式不需复杂的偏置网络，能显著地减小电路尺寸，同时提高调制效率。从近期的研究成果看，差分STM-AM环行器仍具有巨大的潜力和研究空间，在保持现有优势的基础上，未来的研究需要进一步降低插入损耗，提升差分环行器的带宽、隔离度和功率容量，才能确保STM-AM差分环行器在无线通信、雷达系统等实际应用中满足严格的性能要求。