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有源准环形器研究

2020-12-25

移动电子产品对高速数据需求的日益增长促使通信电路与系统必须具有更宽的带宽和更高的数据传输速率。多频带无线通信系统由于能够以更高数据速率实现大数据传输,在现代通信系统中得到了广泛应用。环形器作为三端口非互易元件通常用在射频和微波系统中,实现发射信号与接收信号的隔离。环形器作为多频带无线通信系统的天线接口模块,应具有在多个频率下工作的能力,即具有在宽带下工作的能力,同时还需要提高发射端至接收端的高隔离度,以降低发射信号对接收信号的干扰。传统无源环形器通常基于铁氧体设计,铁氧体价格昂贵、体积大、难以集成,设计有源环形器可以提高通信系统的集成度,减小体积和价格。有源准环形器是有源环形器的一种,不存在接收端至发射端的传输路径。目前有源环形器的研究主要集中在有源准环形器上,已有的研究成果多为窄带有源准环形器,在宽带上实现发射端至接收端的高隔离度是有源准环形器的设计难点之一。

为了突破有源准环形器宽带和高隔离度不可兼得的瓶颈,西安交通大学耿莉教授课题组的唐炳俊博士提出并设计实现了反馈结构、双路结构和改进型双路结构有源准环形器。首先,在基本的有源环形器结构上增加负反馈通路,设计的负反馈有源准环形器的带宽达到了6 GHz,隔离度提高至27 dB。为了进一步提高隔离度、降低插损,课题组又提出了双路有源准环形器结构,增加了一条与已有抵消路径结构一致的抵消路径,该结构不仅拓宽了有源准环形器的宽带、提高了隔离度,同时也提升了工艺、电压及温度(PVT)鲁棒性。芯片测试结果表明,隔离度相较于反馈结构提升了9 dB,而插入损耗降低了3 dB。随后,进一步将应用于低噪声放大器的噪声抵消技术运用到有源准环形器的设计中,降低了噪声,同时,加入了对称隔离缓冲器,有效降低了插入损耗。芯片测试结果表明,在隔离度保持不变的情况下,该有源准环形器的插入损耗比双路结构降低了6 dB,噪声系数降低了8 dB,工作带宽提升了1 GHz。三款有源准环形器分别在国际会议IEEE国际无线会议 (IWS)和国际期刊IEEE微波和无线元件通讯(MWCL)上发表,同时申请了国家发明专利。

有源环形器芯片的开发和应用将进一步减小通信系统的体积和成本。开发具有我国自主知识产权、面向5G和多频带无线通信应用的有源环形器芯片,对提高我国通信产品的竞争力具有重要的意义。

A survey of active quasi-circulators

Bingjun Tang, Li Geng

J. Semicond. 2020, 41(11): 111406

doi: 10.1088/1674-4926/41/11/111406

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/41/11/111406?pageType=en

 

 



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