隔離器五個關(guān)鍵特性的改進(jìn)有利于電子制造商走向下一代無線的新道路。

由微諧波知道無線的未來走向何方并不需要一個水晶球。在 5G、6G 及以后的驅(qū)動下，需求源源不斷；超高清視頻；自動駕駛汽車；安全應(yīng)用程序；和物聯(lián)網(wǎng)，天空是利用電磁（EM）頻譜高端的極限。

滿足這一需求需要能夠利用毫米波 (mmWave) 頻段的產(chǎn)品，該頻段目前覆蓋 30 GHz 和 500 GHz 之間的頻率。然而，這些更高的頻率提出了一個設(shè)計工程師必須解決的重大問題：駐波問題。如果沒有控制，這些不需要的波會衰減功率輸出，扭曲載波上的數(shù)字信息，并且在極端情況下會損壞內(nèi)部組件。

為了解決較低微波頻率下的駐波問題，工程師們依靠法拉第旋轉(zhuǎn)隔離器——通常簡稱為隔離器。在最基本的層面上，隔離器是一個雙端口（輸入和輸出）組件，它允許 EM 信號在一個方向上通過，但在相反方向上吸收它們。然而，傳統(tǒng)隔離器無法滿足下一代無線應(yīng)用所需的更高頻率。

問題的很大一部分是，第一批隔離器是在半個多世紀(jì)前設(shè)計的，自最初的概念以來幾乎沒有修改。然而，隨著最近的進(jìn)步，處于毫米波技術(shù)前沿的公司正在獲得推出在平流層頻率下最佳運行的產(chǎn)品的能力。

Virginia Diodes, Inc. 首席技術(shù)官 Jeffrey Hesler 博士說：“新系列波導(dǎo)隔離器是 VDI [Virginia Diodes, Inc.] 的一項關(guān)鍵支持技術(shù)，與以前可用的技術(shù)相比有了很大進(jìn)步。

VDI 是一家位于弗吉尼亞州的先進(jìn)測試和測量設(shè)備制造商——例如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀和信號發(fā)生器擴展模塊——用于毫米波和太赫茲應(yīng)用。

“緊湊的尺寸、極低的插入損耗和寬帶寬使我們能夠在比以前更廣泛的系統(tǒng)中使用隔離器，并顯著改善了關(guān)鍵系統(tǒng)性能指標(biāo)，例如源功率和靈敏度，”說赫斯勒。

通過了解隔離器功能的五個特性中的每一個的這些進(jìn)步，設(shè)計人員可以更好地利用隔離器來改進(jìn)他們的毫米波產(chǎn)品。

1. 高隔離度

隔離度衡量反向傳播的信號有多少通過隔離器返回。因為隔離器旨在防止或盡量減少這種情況的發(fā)生，所以隔離度越高越好。

“毫米波系統(tǒng)設(shè)計人員面臨的問題是阻抗失配以及由此產(chǎn)生的組件之間的反射，” Micro Harmonics Corporation (MHC) 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官 David Porterfield 說。

MHC 總部位于弗吉尼亞州，專門為毫米波產(chǎn)品中使用的組件設(shè)計解決方案。根據(jù) 2015 年授予的兩階段 NASA 合同，該公司成功開發(fā)了用于 WR-15 至 WR-3.4（50-GHz 至 330-GHz）應(yīng)用的先進(jìn)隔離器系列。

“在毫米波系統(tǒng)中，組件之間的距離通常超過一個波長，從而使反射信號異相，”波特菲爾德說?！爱愊喾瓷湫盘枙_亂上游組件的工作點。當(dāng)您掃描頻率時，相位會發(fā)生變化，您會得到零點、下降和性能下降。但是，當(dāng)您在組件之間插入隔離器時，反射信號會被吸收，問題就會消失?！?/p>

當(dāng)反向波恰好旋轉(zhuǎn) 45° 進(jìn)入隔離器的電阻層平面時，可能會出現(xiàn)最高的隔離。當(dāng)信號旋轉(zhuǎn)僅偏離 1° 時，隔離度可能會降低多達(dá) 10 dB。

“確認(rèn)這種精度的唯一方法是對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上的每個隔離器進(jìn)行全面表征，”Porterfield 說?！斑@驗證了完全合規(guī)性，而不是僅僅在頻段中的幾個頻率上進(jìn)行抽查。”

2. 低插入損耗

雖然隔離是這些組件的同名，但反向波的抑制不能以衰減正向輸入信號為代價。插入損耗是信號在正向通過隔離器時所產(chǎn)生的損耗量的量度。

對于傳統(tǒng)風(fēng)格的隔離器，微波頻段的插入損耗較低，但在毫米波頻率下，損耗變得越來越成問題。例如，在 WR-10 頻段（75-110 GHz）中，插入損耗可能超過 3 dB，這意味著損失了一半的信號功率。在 WR-5.1 頻段 (140–220 GHz) 中，損耗攀升至 5 dB 以上。由于高損耗，傳統(tǒng)隔離器通常無法用于毫米波系統(tǒng)。

“設(shè)計師主要擔(dān)心隔離器會顯著降低最終輸出的強度，”Porterfield 說?！肮こ處焽L試調(diào)整每個系統(tǒng)的駐波可能會令人沮喪，但通常收效甚微。所使用的許多 [替代] 方法本質(zhì)上都是窄帶的，因此該解決方案可能僅適用于不夠窄的頻帶?！?/p>

法拉第旋轉(zhuǎn)隔離器通過使用鐵氧體圓盤旋轉(zhuǎn)信號來工作。然而，制造它們的傳統(tǒng)方法一直是使用比最小所需長度長得多的鐵氧體，然后調(diào)整偏磁場以實現(xiàn)最佳性能。這提供了良好的隔離，但插入損耗要高得多。

Porterfield 指出了這種變通方法的兩個問題。首先，信號路徑中有更多的有損鐵氧體，其次，鐵氧體損耗參數(shù)在磁化強度較低時增加。

為了最大限度地減少損耗，必須盡可能減少鐵氧體長度。為 NASA 開發(fā)的設(shè)計使鐵氧體充滿強偏磁場，從而使鐵氧體的長度盡可能短，以實現(xiàn)理想的 45° 旋轉(zhuǎn)。這將插入損耗降低到 75–110 GHz 時小于 1 dB，而 220–330 GHz 時僅為 2 dB。

“將隔離器技術(shù)擴展到 220 GHz 以上是一項令人印象深刻的技術(shù)壯舉，也是一項關(guān)鍵技術(shù)，它使我們能夠以比以前更高的靈敏度提供準(zhǔn)確的測量結(jié)果，”VDI 的 Hesler 說。

3. 低端口反射

一個好的隔離器還必須具有低端口反射。電壓駐波比 (VSWR) 是輸入和輸出端口反射的量度。毫米波頻率的良好范圍為 1.5:1 或更??；1:1 等于沒有反射。

低端口反射的重要性經(jīng)常被忽視。具有高端口反射的隔離器會產(chǎn)生一組備用駐波。相鄰組件仍會受到反射回其端口的異相信號的不利影響。如果端口反射很大，那么高隔離度和低插入損耗就沒有什么價值了。

4. 高額定

功率反向傳播信號中的功率被隔離器吸收，從而產(chǎn)生熱量。它可以處理的熱量越多，額定功率就越高。從歷史上看，高溫不是問題，因為在毫米波頻率下可用的功率非常小。然而，隨著更高功率的電源變得可用，額定功率的重要性增加。

為了解決高熱負(fù)荷的問題，一些較新的隔離器已經(jīng)在其設(shè)計中加入了金剛石散熱器。金剛石是最終的熱導(dǎo)體，接近 2,200 瓦每米開爾文 (W/mK)，比銅高 5 倍以上。金剛石有效地將熱量從隔離器中的電阻層引導(dǎo)到金屬波導(dǎo)塊，從而降低工作溫度以提高可靠性。

5. 占用空間小

最小化毫米波組件的尺寸和重量在當(dāng)今的無線應(yīng)用中尤為重要。

“WR10 頻段中的標(biāo)準(zhǔn)傳統(tǒng)式隔離器長約 3 英寸，中心有一個直徑約 1.3 英寸的圓柱形部分，”Porterfield 說?！暗钚碌脑O(shè)計形狀是矩形的，每邊可以小到 0.75 英寸，厚 0.45 英寸?！?/p>

用于減少插入損耗的相同技術(shù)——利用盡可能短的鐵氧體長度——也部分地解釋了占位面積的減少。

除了五個關(guān)鍵特性之外，現(xiàn)代隔離器的其他特性還提高了它們在毫米波頻率下的效用——例如，寬帶寬。標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)頻帶通常在中心頻率的任一側(cè)延伸至 40%。更新的高性能隔離器在超過中心頻率 50% 的擴展帶寬上運行，使設(shè)計人員能夠更自由地在系統(tǒng)中構(gòu)建更多帶寬。

其他進(jìn)步包括在低溫條件下運行的隔離器，這很關(guān)鍵，因為為室溫運行而設(shè)計的傳統(tǒng)隔離器在冷卻時會表現(xiàn)不佳。


審核編輯：劉清