体声波环行器的研究进展

袁 靖,高 杨,任万春

1.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳 621010；2.西南科技大学 微系统中心，四川 绵阳 621010)

0 引言

环行器能够将进入其任一个端口的入射电磁波按照偏置(磁场偏置或角动量偏置)确定的方向传入下一个端口，反向则不能传输，因此可以控制电磁波沿某一方向进行环行传输[1]。在现代无线射频领域和雷达通信系统中可用环行器作为双工器，实现了收发机共用一副天线,并能充分利用空间资源，成倍提高信道容量[2]。

迄今为止，环行器的非互易性几乎都是通过磁场偏置条件下的铁磁材料来实现[3]。但这种结构的环行器存在体积大，价格贵，与IC工艺集成难度高等缺点。环行器在无线通信系统中越来越重要，为了解决铁磁环行器在应用中的难题，研究人员开始探索无磁环行器[4]。同时，微机电系统(MEMS)促进了微细加工技术的发展，使得制造体声波(BAW)器件不再困难[5]。BAW环行器凭借其小尺寸、低成本及与CMOS工艺兼容等优点，近年来已成为射频前端中非互易性器件的研究热点。

1 结构和工作原理

1.1 结构

BAW环行器主要由3个完全相同的调制电路和体声波谐振器(BAWR)以Y型连接构成[6]，如图1(a)所示。BAWR用于提供电路的固有谐振频率，调制电路主要用于对变容器施加幅值相等、相位差120°的调制信号，进而实现对BAWR的时空调制(STM)。该调制方式涉及调制信号的相位随时间和空间(φ方向)变化。由图1(b)可见，高通滤波器(HPF)为了阻止高电压的调制信号进入射频端口损坏矢量网络分析仪的接收机，LC带通滤波器(bpf)有线性的带宽可用来挑选不同频率和幅值的调制信号，第二个bpf和泄露电阻(Rb)用来阻止调制信号进入BAWR网络。

图1 BAW环行器的结构和调制电路示意图

1.2 工作原理

BAW环行器的原理可简述为[7]：通过对3个强耦合的BAWR进行STM，将有效的角动量偏置引入到BAWR谐振网络，进而改变调制系统的转动状态，有效地实现了非互易性的功能。BAW环行器的STM工作原理如图2所示。

图2 BAW环行器的STM示意图

对BAWR进行STM调制，使得其谐振频率随时间变化分别为

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为谐振器固有谐振频率；ωm为调制信号频率；δωm为调制信号幅值。

当调制信号为0，即δωm=0时，系统支持两种方向相反的转动状态：

(4)

ω±=ω0+κ

(5)

式中：a±为系统的状态向量，它的状态变量为3个BAWR的复振幅,a+为系统逆时针转动状态向量，角频率为ω+,a-为系统顺时针转动状态向量，角频率为ω-；κ为谐振器之间的耦合系数。

当调制信号不为0时，调制会混合这些状态产生新的转动状态：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

由式(6)～(10)可看出，两种转动状态被Δω分离，调节调制频率能够改变系统转动的状态，为BAW环行器的非互易性提供了直接证据。与传统铁氧体环行器相似，只是使用STM引入的角动量偏置代替Δω。

2 研究现状

环行器作为非互易性射频器件中最重要的器件之一，在通信系统中起着至关重要的作用。几十年来，人们已经提出了多种打破互易性的方法实现环行器功能。环行器主要分为铁氧体环行器和无磁环行器两大类。

传统铁氧体环行器通过向铁磁材料施加强的偏置磁场来实现非互易性[8]；尽管其可用性很成熟并广泛，但铁氧体环行器因其尺寸庞大，且磁性材料与IC技术的不兼容性，在很大程度上限制了其集成[9]。因此，无磁环行器的研究对于实现低成本、小规模、集成化的无线射频前端系统非常必要[10]。

1989年，Ayasli Y等[11]利用晶体管固有的非互易性，提出了一类无磁的有源环行器。但这类环行器的噪声系数和功率处理性能都很差[12]，并未得到广泛使用。

近年来，线性周期时变(LPTV)电路被提出作为实现无磁非互易性的另一种方法，该方法具有低损耗、小噪声、瓦特级功率处理等优点，成为无磁环行器的研究主流[13]。

2014年，Estep N A等[14]利用LPTV提出了一种LC环行器，通过STM角动量矢量偏置原理能提供低噪声和高隔离度。LC环行器有三角型和Y型两种结构，如图3所示。LC谐振器由于具有较低的品质因数Q，需要环行器具有较高的调制幅值，导致了低的功率容量。此外，该环行器使用固态变容器来实现BAWR谐振频率的调制，从根本上限制了环行器的线性度，使调制网络复杂化。

图3 三角型和Y型LC环行器电路示意图

在LC环行器的基础上，2018年,Torunbalci M M等[6]首次提出了BAW环行器。其结构、原理与LC环行器基本相同，仅用薄膜体声波谐振器(FBAR)替代了LC谐振器(见图1(a))。FBAR也属于BAW器件中的一类。因为FBAR比LC谐振器有更高的Q值，因此，仅需较低调制频率即可实现高隔离度[15]。但BAW环行器的调制电路需要多个滤波器，这会导致器件的插入损耗和尺寸均增大。

上述单端的LC环行器和BAW环行器都存在一个缺陷：射频(RF)信号和调制频率信号之间的混合会引起互调分量变高，导致该问题的主要原因是调制参数与互调分量、插入损耗等性能之间的关联。为了降低插入损耗，需要同时增加调制信号的频率和幅值，但此时会产生高的互调分量；反之，当降低互调分量时，需要增加调制信号的频率或幅值，但又会出现高的插入损耗。因此，单端BAW环行器需要在互调分量和调制参数之间折衷考虑。

为了解决调制参数与互调分量、插入损耗等性能之间的关联问题，2018年，Kord等[16]提出了电压模式和电流模式的差分STM环行器。通过匹配两个单端环行器，每个环行器由3个一阶带通或带阻LC滤波器组成，以Y型或三角型拓扑连接，如图4所示。差分环行器通过巴伦结构来实现。巴伦(Lrf和Crf)用来实现两个幅值相等、相位相反的输入信号，巴伦(Lm和Cm)用来实现两个单端环行器的STM信号,其相位差180°。差分环行器能够完全抑制互调分量，克服单端环行器结构的限制，改善插入损耗、阻抗匹配、带宽和噪声。

图4 电压和电流差分STM环行器的电路示意图

在差分环行器的基础上，2018年，Yao Yu等[17]首次提出了一种RF微电子机械谐振环行器(MIRC)，该成果也申请了一项发明专利[18]。无磁非互易性是通过将有效的角动量偏置引入到MEMS谐振电路来实现的。角动量偏置是通过3个强耦合的高Q(>1 000)AlN轮廓模式谐振器(CMR)的STM来实现的。MIRC结构的原理图如图5(a)所示。CMR也是BAW器件中的一种，它利用了体声波的横向振动。该环行器采用开关电容来实现频率调制，最大限度地降低了调制网络的复杂性，提高了调制效率，缓解了与变容器相关的基本线性度的限制。为了降低插入损耗，还使用了巴伦耦合两个BAW环行器结构，如图5(b)所示。

图5 MIRC和差分MIRC的结构示意图

2019年，Torunbalci M M等[19]最先提出了一种全MEMS BAW环行器，调制电路中不需要任何变容器和开关。使用了差分BAW环行器结构，利用自身的弯曲振动模式机械调节FBAR谐振频率，差分BAW环行器结构如图6(a)所示。FBAR的弹性顺度(用Cx1等效)是弯曲模式的运动电荷(qm)的函数。图6(b)为1个FBAR支路的等效电路模型，包括了FBAR和弯曲模式对应的两个BVD分支。图6(c)为3个FBAR组成的1个单端BAW环行器。

图6 机械调制的BAW环行器结构框图

表1为上述几种BAW环行器的性能总结和比较。由表可见，差分结构BAW环行器具有更低的插损。

表1 几种BAW环行器的结果总结和比较

3 印制电路板(PCB)布局和测试

3.1 PCB布局

图7(a)为单端BAW环行器的PCB布局图[6]，其面积为96 mm2。中心的FBAR芯片组占最小的分量，98%的面积由围绕变容管的调制电路占据。图7(b)为差分BAW环行器的PCB布局图[19]。差分BAW环行器PCB中99.99%的体积被SMA连接器所占据，用于提供3路RF和6路调制信号，以及RF功分器T线。每个FBAR芯片为0.5 mm×0.5 mm×0.2 mm，芯片总体积为0.1 mm3。

图7 单端和差分BAW环行器的PCB布局

3.2 测试

BAW环行器实验所需装置如图8(a)所示，包括了两个锁相的射频信号发生器用以产生调制信号，电源为变容器提供直流的偏置电压。采用矢量网络分析仪测量待测器件(DUT)的散射参数，示波器测量电路中的电压、电流、功率等参数。

图8 BAW环行器测试

4 结束语

BAW环行器目前仍处于研发起步阶段，国外的研究主要集中在美国的Northeastern University、Purdue University、Texas University等高校，国内目前尚无这方向的报道。但因BAW环行器具有小尺寸、低成本及与CMOS工艺兼容等优异的性能，故该技术拥有非常大的发展潜力，在先进无线通信系统中将具有广阔的市场前景。

BAW环行器的研究主要集中于对结构改进和调制电路的优化，以达到更好的性能。差分环行器需要6个相位的调制时钟，虽然这些可以由CMOS振荡器芯片提供，但实施较复杂，未来的设计将探索利用行波超声波传递调制时钟的不同相位[19]。目前，BAW环行器在迈向工业应用过程中还存在带宽、功率容量和线性度等技术难题，尚有很大的研究探索空间，而这些问题也将引领BAW环行器的技术发展趋势。