差分環(huán)行器的研究進(jìn)展

張冰濱，吳昭曄，高 楊,,3

(1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2. 特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù) 四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010； 3.西南科技大學(xué) 微系統(tǒng)中心，四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

環(huán)行器是一種多端口非互易器件，能單向環(huán)行傳輸(順時(shí)針或逆時(shí)針)高頻信號(hào)，可用于雷達(dá)、基站等的接收發(fā)系統(tǒng)[1-3]，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)間的隔離。目前，商用環(huán)行器大部分為基于磁偏置的鐵氧體環(huán)行器，這種環(huán)行器存在體積大，價(jià)格高，難以集成等缺點(diǎn)[4-8]?；跁r(shí)空調(diào)制角動(dòng)量(STM-AM)偏置的環(huán)行器是一種新型無(wú)磁環(huán)行器，其實(shí)現(xiàn)不需要鐵氧體材料和強(qiáng)偏置磁場(chǎng)，具有小型化、平面化、與CMOS工藝兼容等優(yōu)勢(shì)[9-11]。但單端STM-AM環(huán)行器的主要缺陷為，射頻輸入和相對(duì)較低頻率的調(diào)制信號(hào)之間的混合所產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物(IMP)不僅會(huì)對(duì)相鄰?fù)ǖ涝斐筛蓴_，還需要較大的調(diào)制參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)良好的性能，更重要的是，IMP會(huì)將最小插入損耗(IL)限制在3 dB左右[11-12]。，遠(yuǎn)高于鐵氧環(huán)行器，這削弱了無(wú)磁環(huán)行器的優(yōu)勢(shì)。因此，抑制IMP至關(guān)重要。差分環(huán)行器將兩個(gè)單端環(huán)行器與反相時(shí)空調(diào)制(STM)偏置相結(jié)合，能夠克服單端架構(gòu)的限制，有效地消除IMP，從而改善IL和帶寬[13]，降低對(duì)調(diào)制幅度和調(diào)制頻率的要求，有助于在商用系統(tǒng)中使用STM-AM無(wú)磁環(huán)行器[14]。

本文描述了差分環(huán)行器的基本原理，從電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制方式兩方面總結(jié)了差分無(wú)磁環(huán)行器的研究現(xiàn)狀，介紹了差分環(huán)行器的常用測(cè)試方法，最后初步探討了差分環(huán)行器的發(fā)展方向。

1 原理

單端STM-AM環(huán)行器的基本物理原理與磁環(huán)行器相同，即諧振結(jié)中兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)模式之間的簡(jiǎn)并性被施加的偏置打破。這是通過(guò)用具有相同頻率和振幅、120°相位差的相移周期信號(hào)調(diào)制諧振器的自然振蕩頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)，以體聲波(BAW)環(huán)行器為例，單端BAW環(huán)行器的STM-AM偏置示意圖如圖1所示[15]，其中第n個(gè)BAW諧振器(BAWR)的頻率被調(diào)制[11]為

fn=f0+kVmcos(ωmt+φn)

(n=1,2,3)

(1)

式中：f0為BAWR的靜態(tài)未調(diào)制諧振頻率；Vm，ωm=2πfm分別為調(diào)制幅度和調(diào)制角頻率；k為常數(shù)，量化調(diào)制電壓對(duì)BAWR諧振頻率的影響；φn=(n-1)α，α=120°，根據(jù)定義，角動(dòng)量偏置方向是調(diào)制信號(hào)相位增加的方向[14]。

圖1 BAWR的STM-AM示意圖

無(wú)調(diào)制信號(hào)時(shí)，順時(shí)針和逆時(shí)針兩種旋轉(zhuǎn)模式是同頻反相的，STM使兩種模式分離。將圖1中第n個(gè)諧振器的電流表示為

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是兩種反向旋轉(zhuǎn)模式，這兩種模式的相位分別按順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蛟黾?，在一個(gè)周期內(nèi)增加至360°[12]。一般還存在一個(gè)公共模式i0，但施加調(diào)制信號(hào)后公共模式為0，這也是實(shí)現(xiàn)STM-AM環(huán)行器的必要條件之一。

差分環(huán)行器在原有條件下，要求兩個(gè)單端環(huán)行器的調(diào)制頻率具有180°相位差，假設(shè)在式(1)中調(diào)制信號(hào)增加一個(gè)恒定的相位θ，即φn=(n-1)α+θ，增加相位后，旋轉(zhuǎn)模式的基本組成不變，而頻率為ω±ωm的IMP變?yōu)閇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)分別是輸入信號(hào)頻率為ω的IMP的傅里葉變換。構(gòu)成差分環(huán)行器的兩個(gè)單端BAW環(huán)行器完全相同，但兩個(gè)BAW環(huán)行器的調(diào)制信號(hào)相位差為180°。通過(guò)設(shè)計(jì)電流模式差分結(jié)構(gòu)和電壓模式差分結(jié)構(gòu)，使得IMP能夠在端口處相互抵消。因此，從端口處看，差分環(huán)行器就是一個(gè)“線性時(shí)不變(LTI)”系統(tǒng)，使得由IMP產(chǎn)生的損耗變得很小[16]。

2 電路結(jié)構(gòu)

Estep N A等[10]首先提出了一種基于STM-AM偏置的三角型LC環(huán)行器，通過(guò)對(duì)3個(gè)LC諧振網(wǎng)絡(luò)施加120°相位差的調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)非互易性，能取得較高的隔離度，但該結(jié)構(gòu)需要雙工器實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)和輸入信號(hào)的隔離，這使設(shè)計(jì)復(fù)雜化，并影響整體性能。隨后，Estep N A等[11]以Y型拓?fù)溥B接LC諧振器，解決了三角型架構(gòu)存在的主要問(wèn)題。但LC環(huán)行器存在一個(gè)固有缺陷：由于LC諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q較低，為了實(shí)現(xiàn)高隔離度環(huán)行器，對(duì)調(diào)制幅值和調(diào)制頻率的要求很高，增加了功耗，導(dǎo)致了低功率容量。Torunbalci M M等[17]用薄膜體聲波諧振器(FBAR)提供固有振蕩頻率，首次實(shí)現(xiàn)了基于STM-AM偏置的BAW環(huán)行器，BAWR的Q值高于LC諧振器，這放寬了對(duì)調(diào)制信號(hào)的要求，與LC環(huán)行器相比，BAW環(huán)行器僅需較低的調(diào)制頻率即可實(shí)現(xiàn)高隔離度。單端的LC環(huán)行器和BAWR都面臨一個(gè)共同問(wèn)題：調(diào)制信號(hào)和輸入信號(hào)混合產(chǎn)生的IMP會(huì)對(duì)環(huán)行器的性能造成影響，特別是環(huán)行器的插入損耗。

為了消除IMP，Kord等[13]提出了一種差分LC環(huán)行器：將兩個(gè)單端的STM-AM環(huán)行器結(jié)合，每個(gè)環(huán)行器由3個(gè)一階的LC帶阻濾波器組成，以三角型拓?fù)溥B接，如圖2所示[13]。利用相位差為120°的調(diào)制信號(hào)分別對(duì)每個(gè)一階LC帶阻濾波器進(jìn)行時(shí)間調(diào)制，且兩個(gè)單端環(huán)行器的調(diào)制信號(hào)保持180°的相位差。與單端的環(huán)行器相比，本文所提出的差分環(huán)行器消除了偶次IMP，在一定程度上改善了插入損耗和帶寬。

圖2 差分無(wú)磁環(huán)行器結(jié)構(gòu)

在上述差分結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，Kord等[14]提出了電壓模式和電流模式差分LC無(wú)磁環(huán)行器，如圖3所示[14]，電壓模式差分環(huán)行器為帶阻三角型連接，電流模式差分電路為帶通Y型連接。與傳統(tǒng)的差分時(shí)變電路不同，傳統(tǒng)的差分時(shí)變電路只能抑制偶數(shù)或奇數(shù)IMP，本文報(bào)道的差分結(jié)構(gòu)消除了所有的IMP。這種特性克服了單端架構(gòu)的局限性，改善了環(huán)行器的插入損耗、帶寬和噪聲系數(shù)，且放寬了對(duì)調(diào)制頻率和調(diào)制幅度的要求。此外，為了增大差分環(huán)行器的帶寬，Kord等[18]將電流模式差分環(huán)行器與3個(gè)相同的帶通濾波器相結(jié)合構(gòu)成寬帶無(wú)磁環(huán)行器，帶通濾波器分別位于差分環(huán)行器的3個(gè)端口。這一結(jié)構(gòu)將20 dB隔離帶寬增加到中心頻率的14%。

圖3 電流模式和電壓模式結(jié)構(gòu)

雖然差分LC環(huán)行器已取得了較好的性能，但仍需相對(duì)較大的調(diào)制頻率。Yao Yu等[19]提出了一種基于氮化鋁(AlN)輪廓模式諧振器(CMR)的差分環(huán)行器。差分電路為電流模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由2個(gè)CMR單端環(huán)行器直接連接構(gòu)成。Yao Yu等[20]隨后提出了基于FBAR的差分環(huán)行器，采用高Q值的FBAR不僅進(jìn)一步改善了環(huán)行器的插入損耗和隔離度，還減小了功率損耗，如圖4所示[20]，電路包含兩個(gè)相位差Δφ為180°的分支，每個(gè)單端分支中，F(xiàn)BAR與電感并聯(lián)，以使FBAR在中心頻率附近具有更高的機(jī)電耦合系數(shù)。

圖4 差分式BAW環(huán)行器電路結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步降低差分環(huán)行器的尺寸和成本，使其能夠應(yīng)用于小型化設(shè)備，Kord等[21]基于改進(jìn)的電流模式差分結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了集成的無(wú)磁環(huán)行器，該結(jié)構(gòu)將Y型電感轉(zhuǎn)換為三角型連接，并將開關(guān)電容并聯(lián)在電路中調(diào)制諧振頻率，減小了電路寄生，提高了環(huán)行器的線性度和功率容量，從而使電路易于集成，封裝的CMOS芯片尺寸僅為36 mm2。Torunbalci M M等[22]針對(duì)BAWR提出了一種純微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的差分環(huán)行器，通過(guò)消除對(duì)片外有源器件的需要，縮減了環(huán)行器尺寸。Changting Xu等[23]提出了一種MEMS可集成環(huán)行器的實(shí)現(xiàn)方案：采用RF開關(guān)參數(shù)調(diào)制由MEMS濾波器構(gòu)成的線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示[22]，電路由2個(gè)參數(shù)調(diào)制的LTI網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，每個(gè)LTI網(wǎng)絡(luò)中，3個(gè)1.2 GHz的MEMS濾波器以三角型結(jié)構(gòu)連接。MEMS濾波器和RF開關(guān)均與CMOS技術(shù)兼容，且MEMS濾波器本身可提供良好的帶通濾波，因此不需要使用額外的濾波器。表1為幾種差分環(huán)行器實(shí)測(cè)性能對(duì)比。

圖5 MEMS濾波器構(gòu)成的差分環(huán)行器電路結(jié)構(gòu)

表1 幾種差分環(huán)行器實(shí)測(cè)的性能對(duì)比

3 調(diào)制方式

2013年，Sounas等[24]首次引入了有效角動(dòng)量(AM)偏置的概念來(lái)設(shè)計(jì)環(huán)行器：用具有適當(dāng)相位關(guān)系的信號(hào)在3個(gè)或更多等間距點(diǎn)調(diào)制環(huán)形諧振器的介電常數(shù)，這種調(diào)制方式消除了反向諧振態(tài)間的簡(jiǎn)并性，從而實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)非互易性。2014年，F(xiàn)leury等[25]在聲學(xué)中應(yīng)用了AM偏置，使用3個(gè)以120°間隔放置的風(fēng)扇，通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)圓柱形波導(dǎo)管內(nèi)的空氣實(shí)現(xiàn)AM偏置。同年，Estep等[10]用120°相移信號(hào)分別調(diào)制3個(gè)LC諧振電路的自然振蕩頻率，進(jìn)一步將AM概念擴(kuò)展到無(wú)線電頻率。Kord等[14, 16, 18]將這一概念發(fā)展為一套更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摗猄TM-AM偏置，為實(shí)現(xiàn)幾個(gè)性能卓越的新型無(wú)磁環(huán)行器奠定了基礎(chǔ)[26]。

實(shí)現(xiàn)STM-AM偏置的一種方式是變?nèi)荻O管直接調(diào)頻，利用變?nèi)荻O管結(jié)電容隨反向偏置電壓變化的特性，將變?nèi)荻O管接入諧振回路中作為可控電容元件，則回路電容隨調(diào)制電壓變化，從而改變振蕩頻率，達(dá)到調(diào)頻的目的[27]。這種調(diào)制方式通常需要在帶通濾波器間連接變?nèi)荻O管，以使交流調(diào)制信號(hào)和直流偏置信號(hào)能通過(guò)單獨(dú)的路徑施加到變?nèi)荻O管上，同時(shí)避免調(diào)制信號(hào)進(jìn)入輸入網(wǎng)絡(luò)分析儀和諧振結(jié)，但該方式需大量的濾波器，增加了電路的復(fù)雜度和印制電路板(PCB)尺寸。Kord A等[12]提出了一種基于LC帶阻濾波器的三角型環(huán)行器，其調(diào)制電路如圖6所示。調(diào)制信號(hào)通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)Lm和Cm施加到變?nèi)荻O管上，該網(wǎng)絡(luò)還充當(dāng)射頻信號(hào)的帶阻濾波器，從而防止其進(jìn)入調(diào)制端口，直流偏置通過(guò)大電阻RB和調(diào)制信號(hào)相結(jié)合。此外，由于對(duì)稱性，調(diào)制信號(hào)在端口處形成虛擬接地，因此，不需額外濾波器來(lái)阻止調(diào)制信號(hào)泄露到輸入輸出端口，降低了調(diào)制電路的復(fù)雜度。隨后Kord A等提出的電壓模式差分環(huán)行器也采取了此調(diào)制電路結(jié)構(gòu)，不同的是為了使兩個(gè)單端環(huán)行器的調(diào)制信號(hào)具有180°相位差，交流調(diào)制信號(hào)通過(guò)巴倫電路(包括一個(gè)輸入端口和兩個(gè)差分端口)輸入電路。

圖6 優(yōu)化的變?nèi)荻O管調(diào)制電路

變?nèi)荻O管直接調(diào)頻的調(diào)諧范圍較大，但限制了環(huán)行器的線性度，且通常需在變?nèi)荻O管的調(diào)制指數(shù)和Q之間進(jìn)行權(quán)衡，使設(shè)計(jì)復(fù)雜化[28]。因此，Yao Yu等[19-20]提出了基于開關(guān)電容調(diào)制的MEMS環(huán)行器，其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖7(a)所示。通過(guò)控制開關(guān)的通斷來(lái)改變氮化鋁輪廓模式諧振器(CMR)的諧振頻率：當(dāng)開關(guān)接通時(shí)，由于短路電容為0，不會(huì)改變CMR的諧振頻率；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電容與CMR串聯(lián)，改變了諧振頻率。RF開關(guān)由具有50%占空比和在特定方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)增加120°相位的方波信號(hào)調(diào)制，調(diào)制信號(hào)間的相位關(guān)系如圖7(b)所示。圖中，T為調(diào)制周期，T0為方波脈沖寬度[22]，T0/T為占空比。與變?nèi)荻O管調(diào)制相比，利用開關(guān)電容調(diào)頻的方法通過(guò)數(shù)字信號(hào)打開和關(guān)閉開關(guān)，因此不需要任何濾波器來(lái)隔離射頻輸入信號(hào)和調(diào)制信號(hào)，最大限度地降低了調(diào)制網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，緩解了與變?nèi)萜飨嚓P(guān)的基本線性度的限制。當(dāng)電容與諧振器串聯(lián)時(shí)，在不增加顯著損耗的情況下提高了調(diào)制效率。

圖7 開關(guān)電容調(diào)制的MEMS差分環(huán)行器

針對(duì)FBAR，Torunbalci M M等[22]提出了一種機(jī)械調(diào)制方法，提出的差分電路包含2個(gè)并聯(lián)的FBAR芯片，每個(gè)FBAR芯片包括3個(gè)相同的FBAR，單個(gè)FBAR采用BVD等效電路建模，如圖8所示，該電路具有彎曲模式和FBAR對(duì)應(yīng)的兩個(gè)分支。在調(diào)制信號(hào)作用下驅(qū)動(dòng)彎曲振動(dòng)模式，在諧振器中產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力，進(jìn)而改變FBAR壓電層的剛度，導(dǎo)致FBAR的串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率發(fā)生變化，從而達(dá)到調(diào)頻的目的。與前兩種調(diào)制方式相比，這種方式不需要任何片外調(diào)諧元件，不僅簡(jiǎn)化了電路，還改善了線性度和功率容量。

圖8 機(jī)械調(diào)制的FBAR環(huán)行器等效電路模型

4 測(cè)試

圖9為差分環(huán)行器的測(cè)試裝置。射頻信號(hào)發(fā)生器輸入3個(gè)具有相同振幅和120°相位差的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)差分端口產(chǎn)生2個(gè)幅值相同，相位相差180°的信號(hào)。在測(cè)量環(huán)行器的S參數(shù)時(shí)，2個(gè)射頻端口連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)，第三個(gè)端口連接50 Ω負(fù)載[13]。對(duì)于開關(guān)電容調(diào)制的差分環(huán)行器，可通過(guò)反相器產(chǎn)生相位相反的方波[22]，六反相器具有3個(gè)輸入信號(hào)和3對(duì)輸出信號(hào)，每對(duì)輸出信號(hào)中，其中一個(gè)與輸入信號(hào)相同，另一個(gè)與輸入信號(hào)相位相反。

圖9 差分環(huán)行器的測(cè)試裝置

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)差分環(huán)行器的原理、結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式和測(cè)試方法進(jìn)行了總結(jié)和討論。從電路結(jié)構(gòu)看，差分結(jié)構(gòu)能克服單端缺陷，有效改善了環(huán)行器的性能。由表1可看出，在插入損耗和隔離度相差小時(shí)，差分BAW環(huán)行器所需調(diào)制頻率遠(yuǎn)低于LC差分環(huán)行器，能直接降低環(huán)行器的總功耗，因此差分BAW環(huán)行器可能成為STM-AM環(huán)行器的主要發(fā)展方向。從調(diào)制方式看，基于變?nèi)荻O管調(diào)制的差分環(huán)行器中，調(diào)制電路占據(jù)了大部分面積，為了減小環(huán)行器的尺寸，一種解決方案是使用開關(guān)電容代替變?nèi)荻O管，用數(shù)字時(shí)鐘取代了正弦調(diào)制信號(hào)，這種調(diào)制方式不需復(fù)雜的偏置網(wǎng)絡(luò)，能顯著地減小電路尺寸，同時(shí)提高調(diào)制效率。從近期的研究成果看，差分STM-AM環(huán)行器仍具有巨大的潛力和研究空間，在保持現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，未來(lái)的研究需要進(jìn)一步降低插入損耗，提升差分環(huán)行器的帶寬、隔離度和功率容量，才能確保STM-AM差分環(huán)行器在無(wú)線通信、雷達(dá)系統(tǒng)等實(shí)際應(yīng)用中滿足嚴(yán)格的性能要求。