一种紧凑型超宽带人工表面等离激元环形器

本发明属于微波毫米波射频器件，特别涉及一种紧凑型超宽带人工表面等离激元（spoof surface plasmon polaritons, sspp）环形器。

背景技术：

1、环形器是一种实现非互易信号传输的三端口微波器件，广泛应用于雷达、基站、收发前端等系统中。传统铁氧体环形器利用外加磁场下的旋磁效应实现单向传输，具有隔离度高、插损低的优点，但其存在以下固有缺陷：

2、（1）需要铁氧体材料和永磁体，体积大、重量重，难以集成；

3、（2）与标准半导体工艺不兼容，无法实现片上系统；

4、（3）工作带宽较窄，通常为窄带或倍频程有限。

5、为克服上述问题，研究者提出了有源准环形器、时间调制环形器、非线性环形器等无磁化方案。然而，这些方案分别存在噪声系数差、功耗高、线性度差、控制电路复杂或功率敏感等问题。另一方面，sspp波导具有亚波长场束缚、低串扰及色散可调等优点，但现有基于sspp的环形器仍依赖铁氧体实现非互易性，未能充分发挥sspp的集成优势。

技术实现思路

1、本发明的目的，在于提供一种紧凑型超宽带人工表面等离激元环形器，无需铁氧体和外加磁场，同时实现宽带工作、薄型化结构、良好隔离度和平面集成能力。

2、为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

3、一种紧凑型超宽带人工表面等离激元环形器，包含结构相同的第一至第三功分器和结构相同的第一至第三sspp波导，其中，第一功分器的第一、第二输出端口分别连接第一sspp波导的第一端和第三sspp波导的第二端，第二功分器的第一、第二输出端口分别连接第二sspp波导的第一端和第一sspp波导的第二端，第三功分器的第一、第二输出端口分别连接第三sspp波导的第一端和第二sspp波导的第二端；

4、各所述功分器的输出端口加载有第一贴片电阻和第二贴片电阻，各所述sspp波导加载有低噪声放大器，且3个低噪声放大器的相邻夹角均为120度。

5、其中，各所述sspp波导采用刃形金属结构，其外侧形成有周期性排列的金属凹槽。

6、其中，所述sspp波导中，通过调节凹槽深度、宽度和/或周期参数，控制色散特性和截止频率。

7、其中，各所述功分器为威尔金森功分器，其输入端口分别连接第一阻抗变换枝节的两个输入端，第一阻抗变换枝节的两个输出端分别对应连接第二阻抗变换枝节的两个输入端，第二阻抗变换枝节的两个输出端分别连接至第一、第二输出端口，该第一、第二输出端口延伸至不同方向，并分别连接对应sspp波导的端口；第一、第二阻抗变换枝节的两个输出端分别跨接有阻值不同的第一、第二贴片电阻。

8、其中，所述第一至第三sspp波导均印制有焊盘，用以焊接低噪声放大器，通过金丝键合的方式将低噪声放大器的输入输出端口与对应的sspp波导相连接。

9、其中，各所述功分器为威尔金森功分器。

10、其中，各所述sspp波导的工作频段覆盖2-20ghz，小信号增益≥11.6db，其偏置电路通过跳线或印制在介质基板边缘的铜线统一供电。

11、其中，所述环形器制作在厚度为0.787mm的fr4介质基板上，相对介电常数εr=2.2，顶层为铜金属图形。

12、采用上述方案后，本发明提供了一种无磁超宽带环形器，利用低噪声放大器（lna）的单向放大特性实现非互易传输，无需铁氧体材料及外加偏置磁场，厚度仅为1.787mm，适合平面集成。经实测，该环形器工作带宽达5-13ghz（相对带宽约88%），为超宽带器件，隔离度>10db、回波损耗>10db，插入损耗约为2db，并可利用sspp波导的色散调控能可进一步扩展至更高频段。本发明兼具超宽带、低剖面、无磁化、易平面集成等优点，为现代射频系统提供了一种紧凑、宽带的解决方案。

1.一种紧凑型超宽带人工表面等离激元环形器，其特征在于：包含结构相同的第一至第三功分器和结构相同的第一至第三sspp波导，其中，第一功分器的第一、第二输出端口分别连接第一sspp波导的第一端和第三sspp波导的第二端，第二功分器的第一、第二输出端口分别连接第二sspp波导的第一端和第一sspp波导的第二端，第三功分器的第一、第二输出端口分别连接第三sspp波导的第一端和第二sspp波导的第二端；

2.如权利要求1所述的环形器，其特征在于：各所述sspp波导采用刃形金属结构，其外侧形成有周期性排列的金属凹槽。

3.如权利要求1所述的环形器，其特征在于：所述sspp波导中，通过调节凹槽深度、宽度和/或周期参数，控制色散特性和截止频率。

4.如权利要求1所述的环形器，其特征在于：各所述功分器为威尔金森功分器，其输入端口分别连接第一阻抗变换枝节的两个输入端，第一阻抗变换枝节的两个输出端分别对应连接第二阻抗变换枝节的两个输入端，第二阻抗变换枝节的两个输出端分别连接至第一、第二输出端口，该第一、第二输出端口延伸至不同方向，并分别连接对应sspp波导的端口；第一、第二阻抗变换枝节的两个输出端分别跨接有阻值不同的第一、第二贴片电阻。

5.如权利要求1所述的环形器，其特征在于：所述第一至第三sspp波导均印制有焊盘，用以焊接低噪声放大器，通过金丝键合的方式将低噪声放大器的输入输出端口与对应的sspp波导相连接。

6.如权利要求1所述的环形器，其特征在于：各所述sspp波导的工作频段覆盖2-20ghz，小信号增益≥11.6db，其偏置电路通过跳线或印制在介质基板边缘的铜线统一供电。

7.如权利要求1所述的环形器，其特征在于：所述环形器制作在厚度为0.787mm的fr4介质基板上，相对介电常数εr=2.2，顶层为铜金属图形。