基于时空调制的频率可重构非互易性滤波器*

臧家伟 王守源 安少赓 孟梦

(中国信息通信研究院泰尔系统实验室，北京100191)

0 引言

互易性是电磁、光学和声学等领域内的一个基本物理原则，其源于时间反演对称性。对于滤波器来说，各端口之间正向和反向传输特性将会完全相同。在工程实践中，往往需要打破这种时间反演对称性，使电磁波非互易性传播。电磁非互易性是指电磁波在某介质材料中沿相反的两个方向传输会呈现出不同的电磁损耗或相移等特性，常见的非互易器件有隔离器和环形器等。隔离器可以保护信号源免受高功率反射信号的毁伤，环形器可以使电磁波定向传输，当接收和发射机共用一副天线时，环形器常被用来隔离收发传输路径。现有的非互易性器件几乎均依赖于各向异性磁性材料原子模态分裂或者塞曼效应(Zeeman Effect)来实现，通常采用铁氧体等磁性材料和外加磁场偏置的方式来打破时间反演对称性，实现电磁波的非互易性传输，这些非互易性器件由于磁性材料的使用往往存在损耗高、体积大、成本高和无法与电路集成等缺点。

随着5G的逐渐规模化商用部署和对B5G/6G移动通信研究探索的深入，移动通信系统正不断往集成化和多功能化方向发展，对基础射频器件的集成度要求越来越高。滤波器是移动通信系统中核心的组成器件，系统中往往加装数量众多的滤波器，其已经成为系统能否实现小型化的关键因素。而频率可重构滤波器能够灵活地满足不同的工程应用需求，能够替代固定不可调滤波器，有助于实现系统的小型化。

最近几年，国外的一些学者成功采用时空调制的方法来打破时间反演对称性，从而实现了无需磁性材料偏置就可以集成化的非互易性器件，包括非互易性天线[1-3]、隔离器[4-5]、环形器[6-7]和非互易性超材料[8- 9]。时空调制的一般实施方法为：在某媒质上离散地加载低频时变调制信号，并控制调制信号的频率、幅度和初始相位来实现电磁波的非互易性传播。也就是说，在时间维度上，存在时变调制信号；在空间维度上，各离散调制信号的初始相位不同。

本文提出一种非互易性滤波器的设计理论和实现方法，采用时空调制的方法来打破时间反演对称性，设计实现具有频率可重构特性的可集成化的非互易性滤波器。所设计的非互易性滤波器采用平面耦合微带线结构，通过在各谐振器上加载低频时变调制信号并控制调制信号的相位关系可以实现带内信号定向传输，同时抑制带外杂散信号，犹如“隔离滤波器”，而控制所加载的直流偏置电压则可以实现工作频率的可重构特性。所加工的三阶非互易性滤波器试验测试结果表明：该滤波器频率可重构相对带宽为16%，对带内信号的隔离度(非互易性)大于12 dB，对带外杂散信号的抑制能力优于20 dB。

1 非互易性滤波器结构设计

本文所提出的非互易性滤波器结构如图1所示，其采用平面化的微带结构，滤波器印制在介质基板的上下两侧，结构紧凑有利于实现器件的小型化和集成化。从图1(a)顶视图可见，所设计的非互易性滤波器顶层包括射频输入和射频输出端口(射频端口1、射频端口2)以及3个1/4波长微带谐振器(谐振器1、谐振器2和谐振器3)。射频输入和射频输出端微带线特性阻抗为50 Ω，射频信号f_0由此输入和输出。从图1(b)底视图可见，非互易性滤波器的底层包含低频调制信号输入端(调制端口1、调制端口2和调制端口3)、三组变容二极管和电感。调制信号馈入电路采用共面波导结构，其特性阻抗为50 Ω，电感用作Choke来提高射频信号f_0与调制信号f_m之间的隔离度(大于30 dB)。变容二极管在直流偏置电压的作用下工作在反向偏置状态，起到电容的作用，并且此静态电容值随着偏置电压的改变而发生变化，对变容二极管静态电容值的控制便可以实现滤波器工作频率的可重构。此外，微带线谐振器的末端通过金属通孔与底面金属圆盘连接，底面的金属化圆盘用来连接变容二极管。图1所示结构的参数尺寸如表1所示。需要指出的是，本文仅以三阶滤波器为例，依据具体工程应用需求，采用本文所提出的设计理论可以方便地实现任意阶次和带宽的非互易性滤波器。

2 非互易性滤波器实现机理分析

本文所提出的基于时空调制的非互易性滤波器，在具备滤波性能外，还具有信号隔离的特性，犹如“隔离滤波器”，其工作的基本原理如图2所示。与传统的互易性滤波器类似，图2所示的各谐振器(实心圆)之间会相互进行电磁耦合，从而实现滤波功能。为了实现电磁波的非互易性传输，各调制端口依次加载频率为f_m的低频时变调制信号，并且各调制信号的初始相位各不相同，在此时空调制信号的作用下，各调制谐振器将产生无穷多阶次谐波并发生非互易性能量耦合[10]，从而打破时间反演对称性，实现非互易性(S_21≠S_12)。射频信号f_0可以从射频端口1传输到射频端口2，而当信号从射频端口2输入时却不能传输到射频端口1，实现了电磁波的非互易性传输。

表1 非互易性滤波器的结构参数尺寸(单位：mm)

图1 三阶非互易性滤波器结构图

图2 非互易性滤波器工作示意图

所采用的时空调制为弱调制，对低频调制信号能量消耗低，这种弱调制在实际应用中很有意义，仅需较弱的低频信号能量即可实现较强的非互易性。对各谐振器加载时变调制信号后，变容二极管的瞬态电容值可以表达为：C_i (t)=C_0 [1+Δ_m cos(ω_m t+φ_n )]。

其中，ω_m=2πf_m为调制信号角频率，C_0为静态电容值取决于直流偏置电压，Δ_m=ΔC/Δ_0 为调制系数([0<]Δ]_m<1)，ΔC为电容波动幅值取决于调制信号的强度。可以发现，各变容二极管上所加载的调制信号的频率和幅度是相同的，但是各调制信号的相位是不同的，即φ_n=(n-1) Δ_φ，Δ_φ为步进相位，n为滤波器阶数，此处n=1、2、3，对调制信号的相位控制是实现电磁波非互易性传输的关键。

需要指出的是，当各路调制信号相位满足φ_n=(n-1)Δ_φ时，那么电磁波传播如图2所示。而当调制信号相位满足φ_n=-(n-1) Δ_φ时，电磁波则可以从射频端口2往射频端口1传输，而不能由射频端口1传输到射频端口2，可见通过控制所加载的各路低频调制信号的相位关系就可以灵活地控制滤波器内电磁波定向传输的方向。

3 试验测试结果

为验证所提出的非互易性滤波器设计理论和实现方法，采用平面微带工艺，加工并试验测试了非互易性滤波器样件，样件如图3所示。滤波器样件采用的介质基板为Rogers RT/duriod 5880，介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009，厚度为1.575 mm。所选用的变容二极管的型号为Skyworks公司的SMV1232，电感为贴片电感值为100 nH。所设计的非互易性滤波器结构紧凑，无需任何磁性材料偏置，可以与通信系统射频电路高度集成。在试验测试过程中，滤波器调制信号端口连接到信号发生器(Rigol DG4202，带直流偏置)上，矢量网络分析仪(安捷伦，E8362B)的两路端口连接滤波器射频端口1和2来实时测量滤波器的散射参数(S参数)。

当调制端口1、调制端口2和调制端口3仅加载直流偏置电压而不加载低频调制信号时，所设计的滤波器为互易的，散射参数试验测试曲线如图3所示。此时，信号可以从射频端口1传输到射频端口2，同时信号也可以从射频端口2传输到射频端口1，即S_21=S_12。从图3可见，所设计的滤波器S_11在工作频率1.56 GHz附近小于-10 dB，具有良好的回波特性。

图3 未加载时空调制信号时滤波器静态响应曲线

图4 加载时空调制信号时滤波器散射参数测试曲线

图4为直流偏置电压为2.7V时的滤波器散射参数试验测试曲线，试验测试中的调制信号其他参数如下：低频调制信号频率f_m=40 MHz，调制系数Δ_m=0.09，步进相位Δ_φ=50度。从图4可见，S_21≠S_12，电磁波传播具有非互易性，电磁波可以从射频端口1传输到射频端口2，而电磁波却不能从射频端口2传输到射频端口1。同时，可以发现在中心频率1.56 GHz附近滤波器匹配良好，具有良好的回波损耗特性，并且电磁波传输非互易性高达38 dB。

控制直流偏置电压，可以实现非互易性滤波器工作频率的可重构。当直流偏置电压减小到1.4V时，非互易性滤波器散射参数试验测试曲线如图5所示。从图5可见，S_21≠S_12，电磁波传播具有非互易性，电磁波可以从射频端口1传输到射频端口2，而电磁波却不能从射频端口2传输到射频端口1。同时，可以发现在中心频率1.46 GHz附近滤波器匹配良好，具有良好的回波损耗特性，并且具有良好的电磁波传输非互易性(19 dB)。可见减小直流偏置电压，滤波器的工作频率降低。

图5 减小直流偏置电压时滤波器散射参数测试曲线

图6 增大直流偏置电压时滤波器散射参数测试曲线

控制直流偏置电压，使其增大为4.0 V时，滤波器散射参数试验测试曲线如图6所示。从图6可见，S_21≠S_12，电磁波传播具有非互易性，电磁波可以从射频端口1传输到射频端口2，而电磁波却不能从射频端口2传输到射频端口1。同时，可以发现在中心频率1.63 GHz附近滤波器匹配良好，具有良好的回波损耗特性，并且电磁波传输非互易性大于12 dB。可见增大直流偏置电压，滤波器的工作频率升高，实现了工作频率的可重构。从图3～图6可以发现，所设计的滤波器对带外杂散信号具有良好的抑制能力，优于20 dB。

4 结束语

本文提出并测试验证了一种基于时空调制的可集成化的非互易性滤波器。该滤波器无需磁性材料偏置，解决了现有非互易性器件所存在的无法与集成电路加工工艺兼容难以实现集成化等问题。所设计的非互易性滤波器具有工作频率可重构特性，该多功能性滤波器有助于实现移动通信系统的集成化和小型化。样件试验测试结果表明，频率可重构相对带宽为16%，带内电磁波传输的非互易性大于12 dB，对带外杂散信号抑制能力优于20 dB。本文所提出的非互易性滤波器设计理论和实现方法可以为未来B5G/6G非对称网络提供基础支撑，应用前景广泛。