本發(fā)明涉及微波電路模塊/組件領(lǐng)域，具體涉及一種微波單向器。
背景技術(shù)：
在微波電路模塊/組件技術(shù)領(lǐng)域中，存在一種具有微波單向傳輸特性的非互易性器件或電路(簡稱微波單向器)，其基本特點(diǎn)是：如圖1(a)所示，在規(guī)定的方向上傳輸微波信號時僅有很小的損耗，而在其它方向上傳輸時就有很大的損耗(隔離)。
正因?yàn)槲⒉▎蜗蚱鞯倪@種獨(dú)特特性，其在各種微波電路模塊/組件、分系統(tǒng)、整機(jī)中被廣泛應(yīng)用，用來實(shí)現(xiàn)諸如級間隔離、防止串?dāng)_、阻抗匹配、去耦、收發(fā)雙工等作用，從而達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)，有效地提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，可靠性的目的。常見的應(yīng)用場景如下：
1)射頻鏈路中的前后級之間插入微波單向器，可改善前后級的阻抗匹配，防止后級電路所產(chǎn)生的輸出功率反向傳輸?shù)角凹売绊懬凹壍恼９ぷ鳡顟B(tài)，從而保護(hù)前級電路；
2)在微波收發(fā)電路中，微波單向器被用作雙工器(如下圖1(b)所示)，以將發(fā)射信號直接送到天線發(fā)射出去；同時來自天線的接收信號也會直接進(jìn)入接收機(jī)。而不允許信號直接從發(fā)射機(jī)到達(dá)接收機(jī)，從而保護(hù)接收機(jī)。
3)在功率合成電路中(如下圖1(c)所示)，微波單向器常被用于提高合成系統(tǒng)的隔離度，防止由兩個放大器之間的串?dāng)_所產(chǎn)生的互調(diào)。
上世紀(jì)中葉，微波技術(shù)中的一大突破是鐵氧體的發(fā)現(xiàn)。鐵氧體是由金屬氧化物構(gòu)成的一類陶瓷性磁性材料。由于鐵氧體旋磁材料是一種各向異性磁性物質(zhì)，它的磁導(dǎo)率隨外加磁場而變；這種材料在外加微波場與恒定直流磁場共同作用下，產(chǎn)生旋磁特性(又稱張量磁導(dǎo)率特性)。正是這種旋磁特性，使在鐵氧體中傳播的電磁波發(fā)生極化的旋轉(zhuǎn)(法拉第效應(yīng))，以及電磁波能量強(qiáng)烈吸收(鐵磁共振)。環(huán)行器、隔離器就是利用這種材料在直流磁場和微波場共同作用下呈現(xiàn)出的旋磁特性研制而成的微波單向器(如2圖所示)。
其中圖2(a)為環(huán)行器。微波信號只能向一個方向傳輸，即從1到2,從2到3和從3到1是導(dǎo)通的。反過來信號從2到1，從3到2和從1到3是隔離的；當(dāng)在環(huán)行器的一個端口接50歐姆負(fù)載，就形成了隔離器，如圖2(b)所示。
現(xiàn)有鐵氧體微波單向器存在以下諸多不足：
1)常規(guī)的工作頻率范圍為100mhz～40ghz，理論上低于100mhz也可以實(shí)現(xiàn)，但難點(diǎn)在于要求鐵氧體的磁矩低，偏置磁場要求很低，且外形尺寸很大，不容易甚至無法實(shí)現(xiàn)。同時，上限工作頻率理論上也可達(dá)100ghz，但由于工作頻率高，產(chǎn)品的加工精度難保證，生產(chǎn)調(diào)試?yán)щy，同時，產(chǎn)品尺寸相對于同系統(tǒng)中其他器件的尺寸依然很大，因此，基本上也不采用。
2)產(chǎn)品的相對工作帶寬窄：通?！?0％，不適用于寬帶應(yīng)用；
3)體積大，無法適用于許多空間較小的系統(tǒng)或設(shè)備，且工作頻段越低體積越大，如某公司的12-55mhz鐵氧體單向器的體積80×80×28。
4)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性相對較低。
隨著電子設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，對各類微波單向器的需求比較愈來愈大，同時，對單向器的指標(biāo)要求也越來越高，尺寸要求越來越小，用傳統(tǒng)的氧體技術(shù)體系來實(shí)現(xiàn)單向器已經(jīng)不能滿足很多現(xiàn)代系統(tǒng)的要求。上述問題，亟待解決。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明提出的一種微波單向器，可解決常規(guī)鐵氧體微波單向器存在的一些問題，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大，可靠性相對較低，使用頻率范圍窄，不能滿足很多場合的需求的技術(shù)問題。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
一種微波單向器，包括非互易半導(dǎo)體器件與前后級的衰減網(wǎng)絡(luò)；
所述前級衰減網(wǎng)絡(luò)作為單向器的輸入級與前級鏈路連接；
所述后級衰減網(wǎng)絡(luò)作為單向器的輸出級與后級鏈路連接；
從輸入級到輸出級形成的射頻鏈路為信號傳輸通道；
所述輸入級到輸出級形成的射頻鏈路兩側(cè)設(shè)置電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步的，所述非互易半導(dǎo)體器件的輸入/輸出端之間也設(shè)置電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步的，所述非互易半導(dǎo)體器件可以是適合其應(yīng)用場合的具有信號傳輸非互易特性的任何器件，如微波放大器、混頻器、運(yùn)算放大器等等。。
進(jìn)一步的，所述傳輸通道為n個，n為大于等于1的自然數(shù)；
每個傳輸通道由單向器輸入衰減網(wǎng)絡(luò)與前級鏈路相連接，所述非互易半導(dǎo)體器件的輸出端經(jīng)輸出衰減網(wǎng)絡(luò)與后級電路連接；
所述n個傳輸通道共用一個前級鏈路作為輸入端，然后通過功分器再分別與對應(yīng)的后級連接。
進(jìn)一步的，所述傳輸通道個數(shù)n＝2。
進(jìn)一步的，所述衰減網(wǎng)絡(luò)可以是適用于其應(yīng)用場合的具有信號衰減作用的任何衰減電路，如分立電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的π型或t型衰減網(wǎng)絡(luò)，固定衰減器芯片等等。
進(jìn)一步的，多級微波單向器可以直接級聯(lián)應(yīng)用，以提高系統(tǒng)的單向傳輸特性。
進(jìn)一步的，所述前級鏈路與后級鏈路可以是適合其應(yīng)用場合的任何微波信號電路，如放大鏈路、混頻鏈路或?yàn)V波器等等。
由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的微波單向器利用具有微波傳輸非互易特性的微波半導(dǎo)體器件來設(shè)計(jì)微波單向器。
當(dāng)頻段較高時(如≥100mhz)時，利用微波放大器、混頻器等本身具有微波傳輸非互易特性的半導(dǎo)體器件，配合簡單而適當(dāng)?shù)耐鈬娐芳纯蓪?shí)現(xiàn)所需的微波單向傳輸特性；
當(dāng)頻段較低時(如<100mhz)時，可利用運(yùn)算放大器及其外圍電路來實(shí)現(xiàn)信號傳輸?shù)姆腔ヒ仔浴?/span>
當(dāng)單向電路的單向指標(biāo)要求很高時，可以選用以下幾種方式：
1)多級具有微波傳輸非互易特性的微波半導(dǎo)體器件進(jìn)行級聯(lián)使用；
2)在具有微波傳輸非互易特性的微波半導(dǎo)體器件前后串聯(lián)適當(dāng)?shù)乃p網(wǎng)絡(luò)；
3)還可以通過其它電磁屏蔽結(jié)構(gòu)的輔助，以防止由于空間耦合等因素惡化微波單向傳輸特性。
由于本發(fā)明所涉及的這種微波單向電路設(shè)計(jì)中不涉及鐵氧體材料，因此，不具有背景技術(shù)中所介紹的鐵氧體單向器所具有的先天缺陷。
該方法的優(yōu)勢在于：
1)采用半導(dǎo)體器件，不再采用鐵氧體技術(shù)，有利于系統(tǒng)集成度與產(chǎn)品可靠性的提高；
2)采用半導(dǎo)體器件，產(chǎn)品工作頻率范圍寬，相對帶寬也寬，適用范圍更廣。從某種程度上來說，本發(fā)明所涉及的這種微波單向電路的工作頻率范圍幾乎沒有限制，可以覆蓋dc-太赫茲,只要此類半導(dǎo)體芯片支持多高的工作頻率，它就可以適用多高的頻率范圍。
3)采用半導(dǎo)體器件，設(shè)計(jì)方案的自由度大，更容易實(shí)現(xiàn)；
因此，本發(fā)明所涉及的這種微波單向電路具有工作頻率范圍寬，相對工作帶寬寬，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)。可以很好的順應(yīng)微型化電子器件的發(fā)展需求。
附圖說明
圖1是現(xiàn)有微波單向器存在特點(diǎn)示意圖；
圖2是現(xiàn)有環(huán)行器、隔離器的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明實(shí)施例π型或t型電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7是本發(fā)明實(shí)施例的放大器信號傳輸特性曲線圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例所述的微波單向器，包括非互易半導(dǎo)體器件與前后級的衰減網(wǎng)絡(luò)；
所述前級衰減網(wǎng)絡(luò)作為單向器的輸入級與前級鏈路連接；
所述后級衰減網(wǎng)絡(luò)作為單向器的輸出級與后級鏈路連接；
從輸入級到輸出級形成的射頻鏈路為信號傳輸通道；
所述單向器輸入級到輸出級形成的射頻鏈路兩側(cè)設(shè)置電磁屏蔽結(jié)構(gòu)；
所述非互易半導(dǎo)體器件的輸入/出端之間也設(shè)置電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。
其中，所述的非互易半導(dǎo)體器件可以是微波放大器、混頻器、運(yùn)算放大器及其其它具有非互易傳輸特性的半導(dǎo)體器件。
所述的衰減網(wǎng)絡(luò)可以是由分立電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的π型或t型衰減網(wǎng)絡(luò)，也可以是固定的衰減器芯片，或其它形式的具有衰減作用電路或網(wǎng)絡(luò)等。
以下結(jié)合具體應(yīng)用來說明：
實(shí)施例1：
實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖見圖1。此實(shí)施例用于在不改變其它鏈路特性指標(biāo)的前提下，改善射頻鏈路中輸出到輸入的反向隔離度。
圖中①為射頻鏈路中的前級電路；②④為可選衰減網(wǎng)絡(luò)；③微波放大器電路或運(yùn)算放大器電路(含外圍電路)；⑤為射頻鏈路中的后級電路；⑥射頻鏈路兩側(cè)的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)；⑦跨越該微波單向器的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。
其中②④所示的可選衰減網(wǎng)絡(luò)與③所示的微波放大器電路或運(yùn)算放大器電路(含外圍電路)構(gòu)成了該結(jié)構(gòu)中的微波單向器。
其中，根據(jù)該微波單向器的工作頻率，可以選擇采用微波放大器或運(yùn)算放大器。通常工作頻率≥100mhz時，選用微波放大器；當(dāng)工作頻率<100mhz時，選用運(yùn)算放大器。
其中②④所示的可選衰減網(wǎng)絡(luò)具有三個作用：1)前后級的阻抗匹配；2)調(diào)節(jié)射頻鏈路的功率電平或動態(tài)特性，防止射頻鏈路中的電路工作在非線性狀態(tài)；3)盡管衰減網(wǎng)絡(luò)不具有單向傳輸特性，但它確為反向器提供了附加反向隔離度。
根據(jù)所需的電性能指標(biāo)要求，并綜合整個鏈路的單向傳輸特性要求、前后級有源器件的動態(tài)范圍、及放大器自身的反向傳輸特性等諸多因素來設(shè)計(jì)其中②④所示衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減量及③所示的微波放大器電路。
其中⑥所示的射頻鏈路兩側(cè)的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)及⑦所示的跨越該微波單向器的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，均是為了防止由于空間耦合而惡化鏈路的單向傳輸特性。
實(shí)施例2：
實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖見圖2。此實(shí)施例用于在不改變其它鏈路特性指標(biāo)的前提下，改善任意輸出到輸入，及兩個輸出端口(輸出i與輸出ii)之間的互相隔離度。
該實(shí)施例2與實(shí)施例1相比，實(shí)施例1僅能改善輸出到輸入的單向隔離度；而實(shí)施例2能改善輸出到輸入的單向隔離度，同時還能改善兩個輸出端口之間的雙向隔離度。
其中①所示是射頻鏈路的前級鏈路；②所示是功分器；③所示是兩個微波單向器的前級衰減網(wǎng)絡(luò)；④所示是兩個微波單向器的非互易半導(dǎo)體器件；⑤所示是兩個微波單向器的后級衰減網(wǎng)絡(luò)；⑥所示是射頻鏈路的后級鏈路；⑦所示是射頻鏈路兩側(cè)的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)；⑧所示是跨越兩個微波單向器的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。
其中，每個微波單向器電路的設(shè)計(jì)原則與實(shí)例1中相同。
設(shè)衰減網(wǎng)絡(luò)③⑤的衰減量為10db,每個微波單向器電路的非互易半導(dǎo)體器件④的反向隔離度為20db。
其中衰減網(wǎng)絡(luò)，在工作頻率不是太高的情況下，可以采用型或t型電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，如可以采用如圖6所示的型或t型電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)衰減量為10db的衰減網(wǎng)絡(luò)。
其中非互易半導(dǎo)體器件需要根據(jù)特定的應(yīng)用場合來選擇適合的器件，在實(shí)施例1中采用放大器，某一個產(chǎn)品中選用了美國qorvo的sbb-5089，其信號傳輸特性如圖7所示。左圖為s21表示正向傳輸增益；s12表示反向隔離。因此，應(yīng)用該型器件在dc-4ghz范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)的反向隔離度≥22.5db。
在有些場合需要采用混頻器等其它具有非互易傳輸特性的器件。
實(shí)施例中的前級電路可以是放大鏈路或混頻鏈路，后級電路可以是放大鏈路，或?yàn)V波器等。具有電路形式需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求來比較終確定。
則該實(shí)例的每個輸出到輸入的反向隔離度較未采用該微波單向器的原鏈路增加40db。兩個輸出之間的互相隔離度也均增加40db。
以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
技術(shù)特征：
1.一種微波單向器，其特征在于：包括非互易半導(dǎo)體器件與前后級的衰減網(wǎng)絡(luò)；
所述前級衰減網(wǎng)絡(luò)作為單向器的輸入級與前級鏈路連接；
所述后級衰減網(wǎng)絡(luò)作為單向器的輸出級與后級鏈路連接；
從輸入級到輸出級形成的射頻鏈路為信號傳輸通道；
所述輸入級到輸出級形成的射頻鏈路兩側(cè)設(shè)置電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波單向器，其特征在于：所述非互易半導(dǎo)體器件的輸入端與輸出端之間也設(shè)置電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波單向器，其特征在于：所述非互易半導(dǎo)體器件是微波放大器、混頻器、運(yùn)算放大器之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波單向器，其特征在于：所述傳輸通道為n個，n為大于等于1的自然數(shù)；
每個傳輸通道由單向器輸入衰減網(wǎng)絡(luò)與前級鏈路相連接，所述非互易半導(dǎo)體器件的輸出端經(jīng)輸出衰減網(wǎng)絡(luò)與后級電路連接；
所述n個傳輸通道共用一個前級鏈路作為輸入端，然后通過功分器再分別與對應(yīng)的后級連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微波單向器，其特征在于：所述傳輸通道個數(shù)n=2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的微波單向器，其特征在于：所述衰減網(wǎng)絡(luò)是分立電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的π型或t型衰減網(wǎng)絡(luò)或者固定衰減器芯片之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微波單向器，其特征在于：所述前級鏈路與后級鏈路是放大鏈路、混頻鏈路或?yàn)V波器之一。
技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明的一種微波單向器，可解決常規(guī)鐵氧體微波單向器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大，可靠性較低，使用頻率范圍窄，不能滿足需求的技術(shù)問題。包括前級衰減網(wǎng)絡(luò)、非互易半導(dǎo)體器件和后級衰減網(wǎng)絡(luò)；前級衰減網(wǎng)絡(luò)作為單向器的輸入級與前級鏈路進(jìn)行連接；后級衰減網(wǎng)絡(luò)作為單向器的輸出級與后級鏈路進(jìn)行連接；從輸入級到輸出級形成的射頻鏈路為傳輸通道；非互易半導(dǎo)體器件輸入/出端之間，及單向器輸入級到輸出級形成的射頻鏈路兩側(cè)設(shè)置電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用半導(dǎo)體器件，產(chǎn)品工作頻率范圍寬，相對帶寬也寬，適用范圍更廣；本發(fā)明的工作頻率范圍幾乎沒有限制，可以覆
