本发明涉及半导体技术，具体的讲是一种非互易性功分器及电磁波传输装置。
背景技术：
在移动通信系统中，射频非互易性器件是必不可少的系统组件。非互易性是指电磁波在某媒质中沿相反的两个方向传输会呈现出不同的电磁波传输特性。
常见的射频非互易性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。现有技术中的非互易性器件通常采用磁性材料和外加磁场偏置的方式来打破时间反演对称性从而实现电磁波传输的非互易性，这些非互易器件由于磁性材料的使用往往存在损耗高、体积大、造价高和无法与电路集成等缺点。
随着5g通信的快速发展，移动通信所采用的频谱越来越高，对器件的小型化和集成化要求越来越高。现有技术的非互易性射频器件几乎均需要采用铁氧体等磁性材料来打破时间反演对称性，而磁性材料晶格上与cmos(complementarymetal-oxide-semiconductor)集成电路加工工艺的不兼容，造成这些射频器件难以与系统电路集成在一起，不利于实现设备的小型化。
技术实现要素：
本发明提供一种无需磁性材料偏置的能够与电路集成的非互易性功分器。本发明提供的非互易性功分器包括：介质基板，至少一威尔金森功分器；所述威尔金森功分器的端口作为所述非互易性功分器的射频端口；其中，
所述威尔金森功分器设置于介质基板的顶面，所述威尔金森功分器的各分支包括一滤波器，所述滤波器由至少两个谐振器构成；
所述介质基板的背面设有多个变容二极管、多个信号馈入电路、多个金属化通孔及多个调制端口；所述调制端口用于接收调制信号，各调制端口分别通过一信号馈入电路连接到一金属化通孔，所述各变容二极管的一端分别通过一金属化通孔连接到一谐振器的一端，各变容二极管的另一端接地。
本发明实施例中，所述各滤波器的谐振器交错配置。
本发明实施例中，所述的威尔金森功分器为微带结构的威尔金森功分器。
本发明实施例中，所述的介质基板的背面还设有多个电感，各信号馈入电路分别通过一电感连接到金属化通孔。
本发明实施例中，所述的各信号馈入电路为共面波导结构的电路。
本发明实施例中，所述的调制信号包括：直流偏置电压信号和/或低频调制信号。
本发明实施例中，所述的谐振器为微带谐振器。
同时，本发明还一种非互易性的电磁波传输装置，所述的装置前所述的非互易性功分器、直流电压源及低频信号源；
所述的直流电压源、低频信号源通过所述调制端口为所述非互易性功分器提供调制信号。
本发明的非互易性功分器无需任何的磁性材料偏置，采用时空调制的控制来打破时间反演对称性，实现非互易性的功分器，并且控制直流偏置电压的数值可以实现工作频率可调节的非互易性功分器。无需任何磁性材料偏置并且与滤波器集成在一起，具有成本低、小型化、能够与电路集成等优势，在具备功分器能量分配的功能外还具有对带外干扰信号滤波抑制的能力。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的非互易功分器的结构图顶视图。
图2为本发明的非互易功分器的结构图底视图；
图3为本发明实施例中非互易功分器中金属化通孔的局部放大图；
图4为本发明实施例中不加载低频调制信号仅加载直流偏置电压信号时的功分器散射参数试验测试曲线；
图5为本发明实施例中加载调制信号后的非互易性功分器散射参数试验测试曲线；
图6为本发明实施例中改变调制信号相位关系后非互易性功分器散射参数试验测试曲线；
图7为本发明实施例中减小直流偏置电压后非互易性功分器散射参数试验测试曲线；
图8为本发明实施例中增大直流偏置电压后非互易性功分器散射参数试验测试曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种非互易性功分器，其包括：介质基板，至少一威尔金森功分器；威尔金森功分器的端口作为非互易性功分器的射频端口；其中，
所述威尔金森功分器设置于介质基板的顶面，所述威尔金森功分器的各分支包括一滤波器，所述滤波器由至少两个谐振器构成；
所述介质基板的背面设有多个变容二极管、多个信号馈入电路、多个金属化通孔及多个调制端口；所述调制端口用于接收调制信号，各调制端口分别通过一信号馈入电路连接到一金属化通孔，所述各变容二极管的一端分别通过一金属化通孔连接到一谐振器的一端，各变容二极管的另一端接地。
本发明涉及一种基于时空调制的非互易性功分器，无需任何磁性材料偏置来实现电磁波传输的非互易性。通过控制各路低频调制信号的相位关系可以控制电磁波的传输方向；并且通过调节变容二极管所加载的直流偏置电压可以实现工作频率的可重构特性。
本发明提供的非互易性功分器通过对调制端口施加调制信号，实现采用时空调制的方法可以打破时间反演对称性，无需任何磁性材料便可以实现非互易性的射频器件。本发明实施例中，时空调制的一般实施方法为：离散的加载时变调制信号，并控制各路调制信号的频率、幅度和初始相位来实现电磁波的非互易性传播。
随着5g的逐渐规模化商用部署和对b5g/6g移动通信研究的深入，移动通信系统正不断往集成化方向发展，对射频器件的集成度要求越来越高，本发明实施例提供的基于时空调制的非互易性器件无需磁性材料偏置，具有与cmos工艺兼容的特性，能够与系统电路集成在一起，因此，其在电路小型化和集成化方面具有巨大的应用前景。
下面结合一具体的实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本实施例提供的基于时空调制的非互易性功分器由威尔金森功分器和滤波器一体化集成实现。本发明实施例中，非互易性功分器包括：介质基板、若干个微带谐振器、若干个射频端口、若干个调制信号输入端、若干个电感、若干个变容二极管。
图1所示，为本实施例提供的非互易性功分器的结构图的顶视图。本实施例提供的功分器为一分二等功率分配器。
介质基板的顶面包括：三个射频端口，一个一分二的威尔金森功分器102，每一个功分器分支包含一个滤波器。图1的实施例中，滤波器为三阶滤波器，该三阶滤波器由三个交错配置的谐振器1031构成。
本实施例中，威尔金森功分器102采用微带结构实现，其由特性阻抗为50欧姆的微带线结构1021、长度为四分之一波长特性阻抗为70.7欧姆的微带线结构1022、特性阻抗为50欧姆的微带线结构1023以及阻值为100欧姆的电阻1024组成。
威尔金森功分器的两个分支中的微带线结构1023后面分别级联一个三阶微带滤波器，三阶滤波器的耦合输出端为特性阻抗50欧姆的微带线结构1025，分别为射频端口2和射频端口3。
射频端口1、射频端口2、射频端口3为射频信号的输入和输出端口。若射频信号从射频端口1馈入，那么射频端口2和射频端口3为射频信号输出端口；若射频信号从射频端口2和射频端口3馈入，那么射频端口1为射频信号输出端口。
所述的每一个三阶滤波器由三个微带谐振器构成，第一分支包括谐振器1031、谐振器1032和谐振器1033，第二分支包括谐振器1034、谐振器1035和谐振器1036，每一个分支的三个微带谐振器依次交错放置，通过控制微带谐振器彼此间的间距可以有效控制耦合强度，每一个微带谐振器的一端通过金属化通孔与背面的变容二极管相连接。
如图2所示，为本发明实施例中介质基板的底部的示意图，本实施例中介质基板底部包括：六路调制信号馈入电路、六路调制信号端、六个电感及六个变容二极管。
在介质板的背面覆铜板上，六路调制信号馈入电路20，各路低频调制信号和直流偏置电压信号从调制端口馈入到调制信号馈入电路。
六路调制信号馈入电路采用共面波导的结构来传输低频的调制信号和直流偏置电压信号，本实施例中，共面波导的特性阻抗设计为50欧姆。每一路调制信号馈入电路的末端与金属化通孔30间由电感连接，来增加射频信号端口与调制信号端口间的隔离度。
变容二极管的一端与微带谐振器经由金属化通孔相连，变容二极管的另一端与金属地相连，变容二极管工作在反向偏置的状态，起到电容的作用。如图3所示，为本发明实施例中，金属化通孔30与电感40、变容二极管50的连接示意图。
调制端口301馈入带直流偏置电压的低频调制信号后，与变容二极管相连接的微带谐振器1也随之成为时变的谐振器。同样的，调制端口302馈入带直流偏置电压的低频调制信号后，与变容二极管相连接的微带谐振器1032也随之成为时变的谐振器；调制端口303馈入带直流偏置电压的低频调制信号后，与变容二极管相连接的微带谐振器1033也随之成为时变的谐振器；调制端口304馈入带直流偏置电压的低频调制信号后，与变容二极管相连接的微带谐振器1034也随之成为时变的谐振器；调制端口305馈入带直流偏置电压的低频调制信号后，与变容二极管相连接的微带谐振器1035也随之成为时变的谐振器；调制端口306馈入带直流偏置电压的低频调制信号后，与变容二极管相连接的微带谐振器1036也随之成为时变的谐振器。
本发明实施例的非互易性功分器是对称的，两个分支是完全相同的，时空调制实施方法为：调制端口301、调制端口302、调制端口303依次馈入带直流偏置的时变低频调制信号；
低频调制信号的频率为：
ωm＝2πfm
相位为
此时各变容二极管的电容值在静态点附近随时间的变化式为：
式中，c0为静态电容值，由直流偏置电压决定，此静态电容值会影响谐振器的谐振频率，从而影响非互易性功分器的工作频率；
工程实际使用中，变容二极管会存在电容值-电压值曲线，即电容值随着偏置电压变化的关系(曲线)，此关系曲线通常由所选用的变容二极管数据手册提供；
其次，静态是指变容二极管上不加载低频时变调制信号(动态信号)，仅加载直流偏置电压，因仅存在直流偏置电压(不随时间变化，我们称为静态)，此时的变容二极管所呈现的电容值称之为静态电容值(不随时间变化)，并且此电容值可由电容值随着偏置电压变化的关系曲线，即具体查阅所选用变容二极管的产品数据手册确定，因此，根据直流偏置电压，就可以确定出静态电容值。
δm＝δc/c0，为调制系数(0<δm<1),δc为电容波动幅值，由调制信号的幅度控制。
同时，调制端口304与调制端口301、调制端口305与调制端口302、调制端口306与调制端口303馈入完全相同的带直流偏置的时变低频调制信号，包括相同的直流偏置电压值，相同的低频调制信号频率、幅度和初始相位。
调制端口所馈入的直流偏置电压由调制端口外接的直流电压源控制；调制端口所馈入的低频调制信号由调制端口外接的低频信号源控制。直流偏置电压作用于变容二极管，偏置电压的大小直接影响到功分器的工作频率，其初始值需要依据所选型号的变容二极管的数据手册来确定；低频调制信号的频率应小于所集成的滤波器的通带带宽；低频调制信号的幅度会影响调制系数δm，调制系数初始值可以设为0.1；低频调制信号的相位初始值可以在30度到120度之间取值。
本发明实施时，依据所需要的非互易性功分器具体的工作频率需求，综合调节直流偏置电压、低频调制信号频率、低频调制信号幅度和低频调制信号相位后，非互易功分器便可以得到最优的响应。通过调整调整端口馈入的低频调制信号的相位实现对射频信号传输的控制。
当控制调制端口301、调制端口302和调制端口303馈入的低频调制信号的相位依次满足
相反，当控制调制端口301、调制端口302和调制端口303馈入的低频调制信号的相位依次满足
上述的
在具体实施例中，若功分器每一支路集成的滤波器为三阶，也就是需要加载三路调制信号，那么i＝1,2,3。
若功分器每一支路集成的滤波器为二阶，那么i＝1,2。
若功分器每一支路集成的滤波器为五阶，那么i＝1,2,3,4,5。
总之，i取值从1开始，最大值为集成的滤波器阶数。
改变调制端口馈入的直流偏置电压的数值，也就改变了变容二极管的静态电容值，从而可以控制非互易性功分器的工作频率。当减小调制端口馈入的直流偏置电压的数值时，变容二极管的静态电容值增大，从而非互易性功分器的工作频率降低；当增大调制端口馈入的直流偏置电压的数值时，变容二极管的静态电容值减小，从而非互易性功分器的工作频率升高。
另外，本发明实施例提供的非易失性功分器，其调制信号端口301、调制信号端口302、调制信号端口303、调制信号端口304、调制信号端口305和调制信号端口306移除低频调制信号后，本发明实施例所提供的功分器内电磁波传输是完全互易的。
本发明实施例的图1及图2仅以一分二威尔金森功分器以及三阶滤波器为例进行说明，采用本发明所述的技术方案，按照实际工程需要可以将任意一分多威尔金森功分器与任意两阶以上的滤波器集成，便可以实现所需要的非互易性功分器，即并不以本发明实施例中所提及的实施方式为限。
本发明实施例所提供的非互易性功分器，无需任何的磁性材料偏置，采用时空调制的方法来打破时间反演对称性，实现非互易性的功分器，并且通过控制直流偏置电压的数值可以实现工作频率可调节的非互易性功分器。
本发明实施例所提供的非互易性功分器无需任何磁性材料偏置并且与滤波器集成在一起，具有成本低、小型化、能够与电路集成等优势，在具备功分器能量分配的功能外还具有对带外干扰信号滤波抑制的能力。
本发明实施例中，所采用的介质基板为f4b基板，其相对介电常数为2.55，损耗角正切值为0.0015，厚度1.27mm，尺寸为l1＝114mm，w1＝69.4mm。如图1的顶视图所示，本发明所述的非互易性功分器在结构上是对称的。
本发明实施例中所集成的威尔金森功分器的参数如下：
威尔金森功分器微带结构第一部分1021特性阻抗为50欧姆，长度l2＝15mm，宽度为3.4mm；
威尔金森功分器的过渡带1022特性阻抗为70.7欧姆，长度l3＝20.4mm，宽度为1.85mm，间距g3＝1.65mm；
威尔金森功分器的微带结构第三部分1023特性阻抗为50欧姆，长度l4＝43.7mm，l5＝6.7mm，宽度为3.4mm；
威尔金森功分器的两分支中间焊接的电阻1024其电阻值为100欧姆。
本发明所集成的三阶滤波器结构内的微带结构的谐振器1031和谐振器1033长度相同为l8＝25mm，谐振器1032的长度为l9＝24.4mm，微带谐振器的宽度均为1.6mm。
微带线滤波器优化设计时需要注意调节各谐振器间的间距以实现良好的阻抗匹配，本优选实例中间距g1＝0.5mm，g2＝2.4mm。
微带谐振器末端的金属化通孔直径为0.5mm。
射频端口2和射频端口3采用特性阻抗为50欧姆的微带线结构，即w2＝3.4mm，微带线结构的长度尺寸l6＝28.3mm和l7＝16.7mm。
本发明实施例中，变容二极管的型号为smv1232，电感为贴片电感值为52nh。共面波导特性阻抗为50欧姆，即g4＝0.22mm，w3＝3mm，共面波导的长度尺寸l10＝10.3mm，l11＝8mm。
如图3所示，金属底板上去除掉直径φ1＝2mm的圆面，并且放置直径φ2＝1mm的金属圆面用来固定焊接变容二极管和电感。
射频信号从射频端口1或者射频端口2和3馈入，直流偏置电压和低频调制信号由调制端口301、调制端口302、调制端口303依次馈入，并且确保调制端口304与调制端口301、调制端口305与调制端口302、调制端口306与调制端口303馈入的直流偏置电压和低频调制信号完全相同。通过控制低频调制信号的频率、幅度和相位关系来实现电磁波传输的非互易性。
当调制端口301、调制端口302、调制端口303、调制端口304、调制端口305和调制端口306仅加载直流偏置电压信号而不加载低频调制信号时，所设计的功分器为互易的，其试验测试数据如图4所示，功分器回波损耗s11在带内工作频段2.4ghz附近小于-10db，具有良好的回波损耗特性，而同时功分器对带外干扰信号具有较好的滤波抑制作用。
从图4可见，此时射频信号从射频端口1等功率分配传输到射频端口2和射频端口3，同时射频信号也可以从射频端口2和射频端口3传输到射频端口1，即s21＝s12、s31＝s13，由于是等功分，所以s21＝s31。由于变容二极管和电感等集总器件的能量损耗，带来了额外的2.5db的插入损耗。
当调制端口301、调制端口302和调制端口303依次馈入带直流偏置的低频调制信号时，并且三路调制信号相位依次满足
从图5可见，非互易性功分器回波损耗s11在带内工作频段2.4ghz附近小于-10db，具有良好的回波损耗特性，而同时对带外干扰信号具有较好的滤波抑制作用。此外从图3可知,s21≠s12、s31≠s13，电磁波传播具有10db左右的非互易性，电磁波可以从射频端口1传输到射频端口2和射频端口3，而电磁波却不能从射频端口2和射频端口3传输到射频端口1。所发明的非互易性功分器具有良好的端口隔离度s32优于30db。
当调制端口301、调制端口302和调制端口303依次馈入带直流偏置的低频调制信号时，并且调节三路调制信号相位依次满足
从图6可见,非互易性功分器回波损耗s11在带内工作频段2.4ghz附近小于-10db，具有良好的回波损耗特性，而同时对带外干扰信号具有较好的滤波抑制作用。此外从图4可知,s12≠s21、s13≠s31，电磁波传播具有10db左右的非互易性，此时电磁波可以从射频端口2和射频端口3传输到射频端口1，而电磁波却不能从射频端口1传输到射频端口2和射频端口3。
当调制端口301、调制端口302和调制端口303依次馈入带直流偏置的低频调制信号时，并且三路调制信号相位依次满足
从图7可见,非互易性功分器回波损耗s11在带内工作频段2.2ghz附近小于-10db，具有良好的回波损耗特性，而同时对带外干扰信号具有较好的滤波抑制作用。此外从图5可知,s21≠s12、s31≠s13，电磁波传播具有10db左右的非互易性，电磁波可以从射频端口1传输到射频端口2和射频端口3，而电磁波却不能从射频端口2和射频端口3传输到射频端口1。可见，调制端口馈入的直流偏置电压的数值减小时，非互易性功分器的工作频率降低，实现了工作频率的可调节特性。
当调制端口301、调制端口302和调制端口303依次馈入带直流偏置的低频调制信号时，并且三路调制信号相位依次满足
从图8可见,非互易性功分器回波损耗s11在带内工作频段2.6ghz附近小于-10db，具有良好的回波损耗特性，而同时对带外干扰信号具有较好的滤波抑制作用。此外从图8可知,s21≠s12、s31≠s13，电磁波传播具有10db左右的非互易性，电磁波可以从射频端口1传输到射频端口2和射频端口3，而电磁波却不能从射频端口2和射频端口3传输到射频端口1。可见，调制端口馈入的直流偏置电压的数值增大时，非互易性功分器的工作频率升高，实现了工作频率的可调节特性。
此外，从图4至图8可以发现，由于变容二极管和电感等集总器件的使用，以及调制谐振器间部分能量耦合转化到高阶次的谐波上
从上述实施例可见，与现有的射频非互易性器件依赖于铁氧体等磁性材料偏置不同，本发明所提供的非互易性功分器，能够采用时空调制的方式，也就是通过在谐振器上离散地加载带直流偏置电压的低频调制信号并控制调制信号的相位关系来打破时间反演对称性，从而实现电磁波的非互易性传输。本发明提供的非互易性功分器不再需要铁氧体等磁性材料偏置，也就不存在磁性材料晶格上与cmos集成电路加工工艺的不兼容的问题。
以上参照附图描述了本发明的优选实施方式。这些实施方式的许多特征和优点根据该详细的说明书是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施方式的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施方式限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种非互易性功分器，其特征在于，所述的非互易性功分器包括：介质基板，至少一威尔金森功分器；所述威尔金森功分器的端口作为所述非互易性功分器的射频端口；其中，
所述威尔金森功分器设置于介质基板的顶面，所述威尔金森功分器的各分支包括一滤波器，所述滤波器由至少两个谐振器构成；
所述介质基板的背面设有多个变容二极管、多个信号馈入电路、多个金属化通孔及多个调制端口；所述调制端口用于接收调制信号，各调制端口分别通过一信号馈入电路连接到一金属化通孔，所述各变容二极管的一端分别通过一金属化通孔连接到一谐振器的一端，各变容二极管的另一端接地。
2.如权利要求1所述的非互易性功分器，其特征在于，所述各滤波器的谐振器交错配置。
3.如权利要求1所述的非互易性功分器，其特征在于，所述的威尔金森功分器为微带结构的威尔金森功分器。
4.如权利要求1所述的非互易性功分器，其特征在于，所述的介质基板的背面还设有多个电感，各信号馈入电路分别通过一电感连接到金属化通孔。
5.如权利要求1所述的非互易性功分器，其特征在于，所述的信号馈入电路为共面波导结构的电路。
6.如权利要求1所述的非互易性功分器，其特征在于，所述的调制信号包括：直流偏置电压信号和/或低频调制信号。
7.如权利要求3所述的非互易性功分器，其特征在于，所述的谐振器为微带谐振器。
8.一种非互易性的电磁波传输装置，所述的装置包括权利要求1-6中任一项所述的非互易性功分器、直流电压源及低频信号源；
所述的直流电压源、低频信号源通过所述调制端口为所述非互易性功分器提供调制信号。
技术总结