袁 靖,高 楊,任萬(wàn)春

1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué) 微系統(tǒng)中心，四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

環(huán)行器能夠?qū)⑦M(jìn)入其任一個(gè)端口的入射電磁波按照偏置(磁場(chǎng)偏置或角動(dòng)量偏置)確定的方向傳入下一個(gè)端口，反向則不能傳輸，因此可以控制電磁波沿某一方向進(jìn)行環(huán)行傳輸[1]。在現(xiàn)代無(wú)線射頻領(lǐng)域和雷達(dá)通信系統(tǒng)中可用環(huán)行器作為雙工器，實(shí)現(xiàn)了收發(fā)機(jī)共用一副天線,并能充分利用空間資源，成倍提高信道容量[2]。

迄今為止，環(huán)行器的非互易性幾乎都是通過(guò)磁場(chǎng)偏置條件下的鐵磁材料來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。但這種結(jié)構(gòu)的環(huán)行器存在體積大，價(jià)格貴，與IC工藝集成難度高等缺點(diǎn)。環(huán)行器在無(wú)線通信系統(tǒng)中越來(lái)越重要，為了解決鐵磁環(huán)行器在應(yīng)用中的難題，研究人員開始探索無(wú)磁環(huán)行器[4]。同時(shí)，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)促進(jìn)了微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，使得制造體聲波(BAW)器件不再困難[5]。BAW環(huán)行器憑借其小尺寸、低成本及與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已成為射頻前端中非互易性器件的研究熱點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

BAW環(huán)行器主要由3個(gè)完全相同的調(diào)制電路和體聲波諧振器(BAWR)以Y型連接構(gòu)成[6]，如圖1(a)所示。BAWR用于提供電路的固有諧振頻率，調(diào)制電路主要用于對(duì)變?nèi)萜魇┘臃迪嗟取⑾辔徊?20°的調(diào)制信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)BAWR的時(shí)空調(diào)制(STM)。該調(diào)制方式涉及調(diào)制信號(hào)的相位隨時(shí)間和空間(φ方向)變化。由圖1(b)可見，高通濾波器(HPF)為了阻止高電壓的調(diào)制信號(hào)進(jìn)入射頻端口損壞矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機(jī)，LC帶通濾波器(bpf)有線性的帶寬可用來(lái)挑選不同頻率和幅值的調(diào)制信號(hào)，第二個(gè)bpf和泄露電阻(Rb)用來(lái)阻止調(diào)制信號(hào)進(jìn)入BAWR網(wǎng)絡(luò)。

圖1 BAW環(huán)行器的結(jié)構(gòu)和調(diào)制電路示意圖

1.2 工作原理

BAW環(huán)行器的原理可簡(jiǎn)述為[7]：通過(guò)對(duì)3個(gè)強(qiáng)耦合的BAWR進(jìn)行STM，將有效的角動(dòng)量偏置引入到BAWR諧振網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而改變調(diào)制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，有效地實(shí)現(xiàn)了非互易性的功能。BAW環(huán)行器的STM工作原理如圖2所示。

圖2 BAW環(huán)行器的STM示意圖

對(duì)BAWR進(jìn)行STM調(diào)制，使得其諧振頻率隨時(shí)間變化分別為

ω1(t)=ω0+δωmcos(ωmt)

(1)

ω2(t)=ω0+δωmcos(ωmt+2π/3)

(2)

ω3(t)=ω0+δωmcos(ωmt+4π/3)

(3)

式中：ω0為諧振器固有諧振頻率；ωm為調(diào)制信號(hào)頻率；δωm為調(diào)制信號(hào)幅值。

當(dāng)調(diào)制信號(hào)為0，即δωm=0時(shí)，系統(tǒng)支持兩種方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)：

(4)

ω±=ω0+κ

(5)

式中：a±為系統(tǒng)的狀態(tài)向量，它的狀態(tài)變量為3個(gè)BAWR的復(fù)振幅,a+為系統(tǒng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)向量，角頻率為ω+,a-為系統(tǒng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)向量，角頻率為ω-；κ為諧振器之間的耦合系數(shù)。

當(dāng)調(diào)制信號(hào)不為0時(shí)，調(diào)制會(huì)混合這些狀態(tài)產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

由式(6)～(10)可看出，兩種轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)被Δω分離，調(diào)節(jié)調(diào)制頻率能夠改變系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，為BAW環(huán)行器的非互易性提供了直接證據(jù)。與傳統(tǒng)鐵氧體環(huán)行器相似，只是使用STM引入的角動(dòng)量偏置代替Δω。

2 研究現(xiàn)狀

環(huán)行器作為非互易性射頻器件中最重要的器件之一，在通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。幾十年來(lái)，人們已經(jīng)提出了多種打破互易性的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)行器功能。環(huán)行器主要分為鐵氧體環(huán)行器和無(wú)磁環(huán)行器兩大類。

傳統(tǒng)鐵氧體環(huán)行器通過(guò)向鐵磁材料施加強(qiáng)的偏置磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)非互易性[8]；盡管其可用性很成熟并廣泛，但鐵氧體環(huán)行器因其尺寸龐大，且磁性材料與IC技術(shù)的不兼容性，在很大程度上限制了其集成[9]。因此，無(wú)磁環(huán)行器的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)低成本、小規(guī)模、集成化的無(wú)線射頻前端系統(tǒng)非常必要[10]。

1989年，Ayasli Y等[11]利用晶體管固有的非互易性，提出了一類無(wú)磁的有源環(huán)行器。但這類環(huán)行器的噪聲系數(shù)和功率處理性能都很差[12]，并未得到廣泛使用。

近年來(lái)，線性周期時(shí)變(LPTV)電路被提出作為實(shí)現(xiàn)無(wú)磁非互易性的另一種方法，該方法具有低損耗、小噪聲、瓦特級(jí)功率處理等優(yōu)點(diǎn)，成為無(wú)磁環(huán)行器的研究主流[13]。

2014年，Estep N A等[14]利用LPTV提出了一種LC環(huán)行器，通過(guò)STM角動(dòng)量矢量偏置原理能提供低噪聲和高隔離度。LC環(huán)行器有三角型和Y型兩種結(jié)構(gòu)，如圖3所示。LC諧振器由于具有較低的品質(zhì)因數(shù)Q，需要環(huán)行器具有較高的調(diào)制幅值，導(dǎo)致了低的功率容量。此外，該環(huán)行器使用固態(tài)變?nèi)萜鱽?lái)實(shí)現(xiàn)BAWR諧振頻率的調(diào)制，從根本上限制了環(huán)行器的線性度，使調(diào)制網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化。

圖3 三角型和Y型LC環(huán)行器電路示意圖

在LC環(huán)行器的基礎(chǔ)上，2018年,Torunbalci M M等[6]首次提出了BAW環(huán)行器。其結(jié)構(gòu)、原理與LC環(huán)行器基本相同，僅用薄膜體聲波諧振器(FBAR)替代了LC諧振器(見圖1(a))。FBAR也屬于BAW器件中的一類。因?yàn)镕BAR比LC諧振器有更高的Q值，因此，僅需較低調(diào)制頻率即可實(shí)現(xiàn)高隔離度[15]。但BAW環(huán)行器的調(diào)制電路需要多個(gè)濾波器，這會(huì)導(dǎo)致器件的插入損耗和尺寸均增大。

上述單端的LC環(huán)行器和BAW環(huán)行器都存在一個(gè)缺陷：射頻(RF)信號(hào)和調(diào)制頻率信號(hào)之間的混合會(huì)引起互調(diào)分量變高，導(dǎo)致該問(wèn)題的主要原因是調(diào)制參數(shù)與互調(diào)分量、插入損耗等性能之間的關(guān)聯(lián)。為了降低插入損耗，需要同時(shí)增加調(diào)制信號(hào)的頻率和幅值，但此時(shí)會(huì)產(chǎn)生高的互調(diào)分量；反之，當(dāng)降低互調(diào)分量時(shí)，需要增加調(diào)制信號(hào)的頻率或幅值，但又會(huì)出現(xiàn)高的插入損耗。因此，單端BAW環(huán)行器需要在互調(diào)分量和調(diào)制參數(shù)之間折衷考慮。

為了解決調(diào)制參數(shù)與互調(diào)分量、插入損耗等性能之間的關(guān)聯(lián)問(wèn)題，2018年，Kord等[16]提出了電壓模式和電流模式的差分STM環(huán)行器。通過(guò)匹配兩個(gè)單端環(huán)行器，每個(gè)環(huán)行器由3個(gè)一階帶通或帶阻LC濾波器組成，以Y型或三角型拓?fù)溥B接，如圖4所示。差分環(huán)行器通過(guò)巴倫結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。巴倫(Lrf和Crf)用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)幅值相等、相位相反的輸入信號(hào)，巴倫(Lm和Cm)用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單端環(huán)行器的STM信號(hào),其相位差180°。差分環(huán)行器能夠完全抑制互調(diào)分量，克服單端環(huán)行器結(jié)構(gòu)的限制，改善插入損耗、阻抗匹配、帶寬和噪聲。

圖4 電壓和電流差分STM環(huán)行器的電路示意圖

在差分環(huán)行器的基礎(chǔ)上，2018年，Yao Yu等[17]首次提出了一種RF微電子機(jī)械諧振環(huán)行器(MIRC)，該成果也申請(qǐng)了一項(xiàng)發(fā)明專利[18]。無(wú)磁非互易性是通過(guò)將有效的角動(dòng)量偏置引入到MEMS諧振電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。角動(dòng)量偏置是通過(guò)3個(gè)強(qiáng)耦合的高Q(>1 000)AlN輪廓模式諧振器(CMR)的STM來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MIRC結(jié)構(gòu)的原理圖如圖5(a)所示。CMR也是BAW器件中的一種，它利用了體聲波的橫向振動(dòng)。該環(huán)行器采用開關(guān)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制，最大限度地降低了調(diào)制網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，提高了調(diào)制效率，緩解了與變?nèi)萜飨嚓P(guān)的基本線性度的限制。為了降低插入損耗，還使用了巴倫耦合兩個(gè)BAW環(huán)行器結(jié)構(gòu)，如圖5(b)所示。

圖5 MIRC和差分MIRC的結(jié)構(gòu)示意圖

2019年，Torunbalci M M等[19]最先提出了一種全MEMS BAW環(huán)行器，調(diào)制電路中不需要任何變?nèi)萜骱烷_關(guān)。使用了差分BAW環(huán)行器結(jié)構(gòu)，利用自身的彎曲振動(dòng)模式機(jī)械調(diào)節(jié)FBAR諧振頻率，差分BAW環(huán)行器結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示。FBAR的彈性順度(用Cx1等效)是彎曲模式的運(yùn)動(dòng)電荷(qm)的函數(shù)。圖6(b)為1個(gè)FBAR支路的等效電路模型，包括了FBAR和彎曲模式對(duì)應(yīng)的兩個(gè)BVD分支。圖6(c)為3個(gè)FBAR組成的1個(gè)單端BAW環(huán)行器。

圖6 機(jī)械調(diào)制的BAW環(huán)行器結(jié)構(gòu)框圖

表1為上述幾種BAW環(huán)行器的性能總結(jié)和比較。由表可見，差分結(jié)構(gòu)BAW環(huán)行器具有更低的插損。

表1 幾種BAW環(huán)行器的結(jié)果總結(jié)和比較

3 印制電路板(PCB)布局和測(cè)試

3.1 PCB布局

圖7(a)為單端BAW環(huán)行器的PCB布局圖[6]，其面積為96 mm2。中心的FBAR芯片組占最小的分量，98%的面積由圍繞變?nèi)莨艿恼{(diào)制電路占據(jù)。圖7(b)為差分BAW環(huán)行器的PCB布局圖[19]。差分BAW環(huán)行器PCB中99.99%的體積被SMA連接器所占據(jù)，用于提供3路RF和6路調(diào)制信號(hào)，以及RF功分器T線。每個(gè)FBAR芯片為0.5 mm×0.5 mm×0.2 mm，芯片總體積為0.1 mm3。

圖7 單端和差分BAW環(huán)行器的PCB布局

3.2 測(cè)試

BAW環(huán)行器實(shí)驗(yàn)所需裝置如圖8(a)所示，包括了兩個(gè)鎖相的射頻信號(hào)發(fā)生器用以產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，電源為變?nèi)萜魈峁┲绷鞯钠秒妷?。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量待測(cè)器件(DUT)的散射參數(shù)，示波器測(cè)量電路中的電壓、電流、功率等參數(shù)。

圖8 BAW環(huán)行器測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

BAW環(huán)行器目前仍處于研發(fā)起步階段，國(guó)外的研究主要集中在美國(guó)的Northeastern University、Purdue University、Texas University等高校，國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)這方向的報(bào)道。但因BAW環(huán)行器具有小尺寸、低成本及與CMOS工藝兼容等優(yōu)異的性能，故該技術(shù)擁有非常大的發(fā)展?jié)摿?，在先進(jìn)無(wú)線通信系統(tǒng)中將具有廣闊的市場(chǎng)前景。

BAW環(huán)行器的研究主要集中于對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)和調(diào)制電路的優(yōu)化，以達(dá)到更好的性能。差分環(huán)行器需要6個(gè)相位的調(diào)制時(shí)鐘，雖然這些可以由CMOS振蕩器芯片提供，但實(shí)施較復(fù)雜，未來(lái)的設(shè)計(jì)將探索利用行波超聲波傳遞調(diào)制時(shí)鐘的不同相位[19]。目前，BAW環(huán)行器在邁向工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中還存在帶寬、功率容量和線性度等技術(shù)難題，尚有很大的研究探索空間，而這些問(wèn)題也將引領(lǐng)BAW環(huán)行器的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。