毫米波隔离器设计的进步使制造商进入平流层工作频率

隔离器五个关键特性的改进有利于电子制造商走向下一代无线的新道路。

由微谐波知道无线的未来走向何方并不需要一个水晶球。在 5G、6G 及以后的驱动下，需求源源不断；超高清视频；自动驾驶汽车；安全应用程序；和物联网，天空是利用电磁（EM）频谱高端的极限。

满足这一需求需要能够利用毫米波 (mmWave) 频段的产品，该频段目前覆盖 30 GHz 和 500 GHz 之间的频率。然而，这些更高的频率提出了一个设计工程师必须解决的重大问题：驻波问题。如果没有控制，这些不需要的波会衰减功率输出，扭曲载波上的数字信息，并且在极端情况下会损坏内部组件。

为了解决较低微波频率下的驻波问题，工程师们依靠法拉第旋转隔离器——通常简称为隔离器。在最基本的层面上，隔离器是一个双端口（输入和输出）组件，它允许 EM 信号在一个方向上通过，但在相反方向上吸收它们。然而，传统隔离器无法满足下一代无线应用所需的更高频率。

问题的很大一部分是，第一批隔离器是在半个多世纪前设计的，自最初的概念以来几乎没有修改。然而，随着最近的进步，处于毫米波技术前沿的公司正在获得推出在平流层频率下最佳运行的产品的能力。

Virginia Diodes, Inc. 首席技术官 Jeffrey Hesler 博士说：“新系列波导隔离器是 VDI [Virginia Diodes, Inc.] 的一项关键支持技术，与以前可用的技术相比有了很大进步。

VDI 是一家位于弗吉尼亚州的先进测试和测量设备制造商——例如矢量网络分析仪、频谱分析仪和信号发生器扩展模块——用于毫米波和太赫兹应用。

“紧凑的尺寸、极低的插入损耗和宽带宽使我们能够在比以前更广泛的系统中使用隔离器，并显着改善了关键系统性能指标，例如源功率和灵敏度，”说赫斯勒。

通过了解隔离器功能的五个特性中的每一个的这些进步，设计人员可以更好地利用隔离器来改进他们的毫米波产品。

1. 高隔离度

隔离度衡量反向传播的信号有多少通过隔离器返回。因为隔离器旨在防止或尽量减少这种情况的发生，所以隔离度越高越好。

“毫米波系统设计人员面临的问题是阻抗失配以及由此产生的组件之间的反射，” Micro Harmonics Corporation (MHC) 创始人兼首席执行官 David Porterfield 说。

MHC 总部位于弗吉尼亚州，专门为毫米波产品中使用的组件设计解决方案。根据 2015 年授予的两阶段 NASA 合同，该公司成功开发了用于 WR-15 至 WR-3.4（50-GHz 至 330-GHz）应用的先进隔离器系列。

“在毫米波系统中，组件之间的距离通常超过一个波长，从而使反射信号异相，”波特菲尔德说。“异相反射信号会扰乱上游组件的工作点。当您扫描频率时，相位会发生变化，您会得到零点、下降和性能下降。但是，当您在组件之间插入隔离器时，反射信号会被吸收，问题就会消失。”

当反向波恰好旋转 45° 进入隔离器的电阻层平面时，可能会出现最高的隔离。当信号旋转仅偏离 1° 时，隔离度可能会降低多达 10 dB。

“确认这种精度的唯一方法是对矢量网络分析仪上的每个隔离器进行全面表征，”Porterfield 说。“这验证了完全合规性，而不是仅仅在频段中的几个频率上进行抽查。”

2. 低插入损耗

虽然隔离是这些组件的同名，但反向波的抑制不能以衰减正向输入信号为代价。插入损耗是信号在正向通过隔离器时所产生的损耗量的量度。

对于传统风格的隔离器，微波频段的插入损耗较低，但在毫米波频率下，损耗变得越来越成问题。例如，在 WR-10 频段（75-110 GHz）中，插入损耗可能超过 3 dB，这意味着损失了一半的信号功率。在 WR-5.1 频段 (140–220 GHz) 中，损耗攀升至 5 dB 以上。由于高损耗，传统隔离器通常无法用于毫米波系统。

“设计师主要担心隔离器会显着降低最终输出的强度，”Porterfield 说。“工程师尝试调整每个系统的驻波可能会令人沮丧，但通常收效甚微。所使用的许多 [替代] 方法本质上都是窄带的，因此该解决方案可能仅适用于不够窄的频带。”

法拉第旋转隔离器通过使用铁氧体圆盘旋转信号来工作。然而，制造它们的传统方法一直是使用比最小所需长度长得多的铁氧体，然后调整偏磁场以实现最佳性能。这提供了良好的隔离，但插入损耗要高得多。

Porterfield 指出了这种变通方法的两个问题。首先，信号路径中有更多的有损铁氧体，其次，铁氧体损耗参数在磁化强度较低时增加。

为了最大限度地减少损耗，必须尽可能减少铁氧体长度。为 NASA 开发的设计使铁氧体充满强偏磁场，从而使铁氧体的长度尽可能短，以实现理想的 45° 旋转。这将插入损耗降低到 75–110 GHz 时小于 1 dB，而 220–330 GHz 时仅为 2 dB。

“将隔离器技术扩展到 220 GHz 以上是一项令人印象深刻的技术壮举，也是一项关键技术，它使我们能够以比以前更高的灵敏度提供准确的测量结果，”VDI 的 Hesler 说。

3. 低端口反射

一个好的隔离器还必须具有低端口反射。电压驻波比 (VSWR) 是输入和输出端口反射的量度。毫米波频率的良好范围为 1.5:1 或更小；1:1 等于没有反射。

低端口反射的重要性经常被忽视。具有高端口反射的隔离器会产生一组备用驻波。相邻组件仍会受到反射回其端口的异相信号的不利影响。如果端口反射很大，那么高隔离度和低插入损耗就没有什么价值了。

4. 高额定

功率反向传播信号中的功率被隔离器吸收，从而产生热量。它可以处理的热量越多，额定功率就越高。从历史上看，高温不是问题，因为在毫米波频率下可用的功率非常小。然而，随着更高功率的电源变得可用，额定功率的重要性增加。

为了解决高热负荷的问题，一些较新的隔离器已经在其设计中加入了金刚石散热器。金刚石是最终的热导体，接近 2,200 瓦每米开尔文 (W/mK)，比铜高 5 倍以上。金刚石有效地将热量从隔离器中的电阻层引导到金属波导块，从而降低工作温度以提高可靠性。

5. 占用空间小

最小化毫米波组件的尺寸和重量在当今的无线应用中尤为重要。

“WR10 频段中的标准传统式隔离器长约 3 英寸，中心有一个直径约 1.3 英寸的圆柱形部分，”Porterfield 说。“但最新的设计形状是矩形的，每边可以小到 0.75 英寸，厚 0.45 英寸。”

用于减少插入损耗的相同技术——利用尽可能短的铁氧体长度——也部分地解释了占位面积的减少。

除了五个关键特性之外，现代隔离器的其他特性还提高了它们在毫米波频率下的效用——例如，宽带宽。标准波导频带通常在中心频率的任一侧延伸至 40%。更新的高性能隔离器在超过中心频率 50% 的扩展带宽上运行，使设计人员能够更自由地在系统中构建更多带宽。

其他进步包括在低温条件下运行的隔离器，这很关键，因为为室温运行而设计的传统隔离器在冷却时会表现不佳。


审核编辑：刘清