[发明专利]具有顺序切换延迟线的多端口非互易设备

说明书

本发明提供一种具有顺序切换延迟线(SSDL)的多端口非互易设备。SSDL可通过打破时间反转对称性，在超宽频带上实现用于电磁波的无源、非磁性且非互易部件。在文献中，已提出具有六段传输线和五个单刀双掷(SPDT)开关的SSDL结构，作为三端口环行器。在本公开中，提出仅由两段传输线和两个开关构成的更简单结构，其能够作为具有两个SPDT开关的两端口非互易移相器(回转器)、具有一个DPDT开关和一个SPDT开关的三端口环行器或者具有两个DPDT开关的四端口环行器。在射频下对于一种设计的模拟结果证明了对于上述三种配置从DC至1.5GHz的预期非互易行为。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年1月31日提交的美国临时专利申请第62/452,818号的优先权和权益，其整体通过引用结合于此。本申请要求2017年8月31日提交的U.S.S.N.15/692,091的优先权和权益，其整体通过引用结合于此。

技术

这里提供的技术包括但是不限于以原有形态配备有顺序切换延迟线(SSDL)的两端口、三端口和四端口非互易设备。

技术领域

本申请的技术总体涉及非互易设备，尤其涉及非互易顺序切换延迟线(SSDL)回转器和环行器。

背景技术

由于电性材料属性的时间反转对称性，由电性材料制成的无源部件中普遍观察到互易性(reciprocity)。在过去，无源非互易部件只能利用非互易磁性材料实现，这种材料往往是窄带宽、体积大、价格昂贵，而且与现代集成电路工艺不兼容。

最近，基于晶体管的非互易迁移行为已经实现利用晶体管实施的有源环行器。相比于传统的环行器，这些环行器提供更小的物理尺寸并且与集成电路(IC)技术具有更好的兼容性。

然而，如同在许多其他基于晶体管的器件中，有源环行器往往存在噪声问题并且具有有限的功率性能。这些缺点常常妨碍有源环行器被用在需要宽动态范围的系统中。通过对传输线在时间和空间上的介电属性进行调制以打破时间反转对称性，实现了非互易。对于RF应用，时间调制结构已经被应用于参数耦合谐振器和换向开关电容器器件，以实现无磁性的非互易，然而本质上具有窄隔离带宽。

此外，在基于时变传输线路(TVTL)的单片微波集成电路(MMIC)上已经证明了RF频率下的宽带隔离。然而，尽管提供宽带隔离的能力，但是其最低工作频率由可实施在芯片上的TVTL的最长延迟决定，因此对于低RF频率导致大芯片面积。此外，在宽频带上TVTL隔离器的隔离范围也受到SINC功能的限制。

为了实现非互易性而不限制工作频率的下限，顺序切换延迟线(SSDL)器件被开发以产生在从几乎DC至RF的非常宽频率范围的无源环行器。SSDL结合了时间反转对称性打破了由高速开关提供的复用/解复用，而以无缝方式将沿着相反方向行进的波引导至不同的端口。时间切换策略模拟实时流量控制而没有理论带宽限制。因此，可以构造一种环行器，使电磁波同时发送和接收(STAR)，而不需要停止或反射，但在理论上提供了两者之间的无限隔离。

因此，为了最小化集成电路实际占用空间，存在以减少的部件数量和尺寸实施SSDL器件的需求。

发明内容

对于在无线通信系统或雷达/传感器系统中以相同频率同时分开发送和接收信号以保护接收器免于被发射器干扰的问题，描述了一种可行的方案。

这种技术是基于依次闭合和断开连接到多段延迟线的开关。这种途径类似于人们日常经验，即同步于多个绿灯闭合的单向交通可让所有路通行而不停止，但是其他方向上的交通将遇到延迟。该技术提供了能够使芯片上制成的环行器在频率范围(例如，仅在DC以上至光频率)内工作的真正无源方案。

这种技术提供了实现能够集成在芯片上的高性能环行器的实用、可靠、成本效益高的方法。这种技术可以基本上实现在需要互易性的任何无线发射器和雷达传感器系统中。