隔離器五個關鍵特性的改進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 及以后的驅動下，需求源源不斷；超高清視頻；自動駕駛汽車；安全應用程序；和物聯網，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，扭曲載波上的數字信息，并且在極端情況下會損壞內部組件。

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，傳統隔離器無法滿足下一代無線應用所需的更高頻率。

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

Virginia Diodes, Inc. 首席技術官 Jeffrey Hesler 博士說：“新系列波導隔離器是 VDI [Virginia Diodes, Inc.] 的一項關鍵支持技術，與以前可用的技術相比有了很大進步。

VDI 是一家位于弗吉尼亞州的先進測試和測量設備制造商——例如矢量網絡分析儀、頻譜分析儀和信號發生器擴展模塊——用于毫米波和太赫茲應用。

“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中使用隔離器，并顯著改善了關鍵系統性能指標，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步，設計人員可以更好地利用隔離器來改進他們的毫米波產品。

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生，所以隔離度越高越好。

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

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

“在毫米波系統中，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。“異相反射信號會擾亂上游組件的工作點。當您掃描頻率時，相位會發生變化，您會得到零點、下降和性能下降。但是，當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。”

當反向波恰好旋轉 45° 進入隔離器的電阻層平面時，可能會出現最高的隔離。當信號旋轉僅偏離 1° 時，隔離度可能會降低多達 10 dB。

“確認這種精度的唯一方法是對矢量網絡分析儀上的每個隔離器進行全面表征，”Porterfield 說。“這驗證了完全合規性，而不是僅僅在頻段中的幾個頻率上進行抽查。”

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生的損耗量的量度。

對于傳統風格的隔離器，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，傳統隔離器通常無法用于毫米波系統。

“設計師主要擔心隔離器會顯著降低最終輸出的強度，”Porterfield 說。“工程師嘗試調整每個系統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。”

法拉第旋轉隔離器通過使用鐵氧體圓盤旋轉信號來工作。然而，制造它們的傳統方法一直是使用比最小所需長度長得多的鐵氧體，然后調整偏磁場以實現最佳性能。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 開發的設計使鐵氧體充滿強偏磁場，從而使鐵氧體的長度盡可能短，以實現理想的 45° 旋轉。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。

“將隔離器技術擴展到 220 GHz 以上是一項令人印象深刻的技術壯舉，也是一項關鍵技術，它使我們能夠以比以前更高的靈敏度提供準確的測量結果，”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 或更小；1:1 等于沒有反射。

低端口反射的重要性經常被忽視。具有高端口反射的隔離器會產生一組備用駐波。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。

為了解決高熱負荷的問題，一些較新的隔離器已經在其設計中加入了金剛石散熱器。金剛石是最終的熱導體，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到金屬波導塊，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今的無線應用中尤為重要。

“WR10 頻段中的標準傳統式隔離器長約 3 英寸，中心有一個直徑約 1.3 英寸的圓柱形部分，”Porterfield 說。“但最新的設計形狀是矩形的，每邊可以小到 0.75 英寸，厚 0.45 英寸。”

用于減少插入損耗的相同技術——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。

除了五個關鍵特性之外，現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。標準波導頻帶通常在中心頻率的任一側延伸至 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，使設計人員能夠更自由地在系統中構建更多帶寬。

其他進步包括在低溫條件下運行的隔離器，這很關鍵，因為為室溫運行而設計的傳統隔離器在冷卻時會表現不佳。


審核編輯：劉清