[论文解读] Non-reciprocal Components Based on Switched Transmission Lines

Aravind Nagulu, Tolga Dinç+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2018

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 38被引用 8

一句话总结

本文提出了一种非磁性、与CMOS工艺兼容的非互易元件（如隔离器、环形器和双工器）实现方法，采用具有时空电导率调制的开关传输线。通过在传输线上实现高对比度的晶体管开关，该方法实现了宽带、低损耗、紧凑的非互易性，实验验证了在45 nm SOI CMOS工艺中实现的25 GHz环形器及离散元件原型。

ABSTRACT

Non-reciprocal components, such as isolators and circulators, are critical to wireless communication and radar applications. Traditionally, non-reciprocal components have been implemented using ferrite materials, which exhibit non-reciprocity under the influence of an external magnetic field. However, ferrite materials cannot be integrated into IC fabrication processes, and consequently are bulky and expensive. In the recent past, there has been strong interest in achieving non-reciprocity in a non-magnetic IC-compatible fashion using spatio-temporal modulation. In this paper, we present a general approach to non-reciprocity based on switched transmission lines. Switched transmission lines enable broadband, lossless and compact non-reciprocity, and a wide range of non-reciprocal functionalities, including non-reciprocal phase shifters, ultra-broadband gyrators and isolators, frequency-conversion isolators, and high-linearity/high-frequency/ultra-broadband circulators. We present a detailed theoretical analysis of the various non-idealities that impact insertion loss and provide design guidelines. The theory is validated by experimental results from discrete-component-based gyrators and isolators, and a 25GHz circulator fabricated in 45nm SOI CMOS technology.

研究动机与目标

• 开发与集成电路兼容的非互易元件，以克服基于铁氧体的系统在尺寸和与CMOS制造工艺不兼容方面的局限性。
• 解决现有无磁性非互易设计中插入损耗、带宽和线性度之间的固有权衡。
• 利用开关传输线实现高性能、紧凑且宽带的非互易电路，适用于全双工无线和雷达系统。
• 为估计开关线非互易元件的插入损耗和性能权衡提供全面的理论框架。

提出的方法

• 该方法通过在传输线上开关晶体管实现电导率的时空调制，产生时变阻抗分布，从而打破互易性。
• 采用开关传输线通过延迟线上相移开关的晶体管实现宽带、无损耗的非互易行为。
• 理论分析通过考虑开关和滤波器的Q因子等非理想性，以及非互易元件的有效品质因数，对插入损耗进行建模。
• 设计并制造了45 nm SOI CMOS工艺中的双平衡环形器拓扑结构，时钟信号以交错的180°相位偏移配置施加，以实现信号的定向传输。
• 使用矢量网络分析仪配合毫米波探针进行版图后仿真和测量，通过去嵌入混频器（baluns）提取S参数。
• 通过级联Q因子近似和截断傅里叶级数展开，推导出理论损耗模型，以估计频率响应和隔离度。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在完全与CMOS兼容、紧凑且宽带的前提下，不依赖铁氧体材料实现非互易性？
• RQ2 影响基于开关传输线的非互易元件插入损耗的主要非理想因素是什么？如何实现精确建模？
• RQ3 能否在标准CMOS工艺中通过开关线调制实现高线性度、高频环形器？
• RQ4 开关线非互易元件的性能与理论预测和仿真结果相比如何？
• RQ5 时钟相位噪声和阻抗失配在实际实现中对隔离度和插入损耗的限制程度如何？

主要发现

• 在45 nm SOI CMOS工艺中制造的25 GHz环形器，实测S21和S32插入损耗分别为-3.3 dB和-3.2 dB，与版图后仿真和理论估算结果高度一致。
• 实测反向隔离度S31为-18.9 dB，主要受限于毫米波探针端接的回波损耗，而非环形器本身的固有性能。
• 基于级联Q因子和截断傅里叶级数的理论插入损耗模型与仿真和实测结果高度吻合，验证了分析框架的正确性。
• 该设计实现了10%的分数带宽，表现出宽带非互易性，适用于超宽带（UWB）和毫米波应用。
• 环形器的性能在关键指标上得到优化：TX-ANT损耗（S21）、ANT-RX损耗（S32）和TX-RX隔离度（S31），且未进行端口阻抗调谐。
• 本研究证实，由于信号路径中无有源器件，开关传输线可实现高线性度和高频工作，从而减少失真和噪声。