本發(fā)明設(shè)計一種二端口單向信號傳輸領(lǐng)域，尤其涉及一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器。

背景技術(shù)：

1、近年來，非互易傳輸器件作為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的核心組件，在微波工程、射頻系統(tǒng)及量子信息處理等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。傳統(tǒng)隔離器主要基于鐵氧體材料的磁光效應(yīng)實現(xiàn)信號單向傳輸，然而這類器件存在工作頻段受限、體積龐大、難以與平面化集成電路兼容等固有缺陷。盡管基于非線性效應(yīng)的聲學(xué)/光學(xué)隔離器方案在微型化方面取得進(jìn)展，但其對高功率激勵源的依賴性及動態(tài)穩(wěn)定性問題嚴(yán)重制約了實際應(yīng)用。

2、隨著非厄米量子物理與拓?fù)涔庾訉W(xué)理論的發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)通過引入增益/損耗調(diào)控機(jī)制可在非互易系統(tǒng)中實現(xiàn)拓?fù)溥吔鐟B(tài)的定向激發(fā)。特別是一維非厄米拓?fù)滏溎Ｐ?，其獨特的?fù)數(shù)能帶結(jié)構(gòu)為打破洛倫茲互易定理提供了新途徑。現(xiàn)有實驗已證明非厄米趨膚效應(yīng)對電磁波傳播方向具有顯著調(diào)控能力，但相關(guān)研究多集中于理論驗證階段，尚未形成具有工程實用價值的器件設(shè)計方案。因此解決上述應(yīng)用問題，提出一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器是非常有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對上述背景技術(shù)的不足，提出了一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，消除了傳統(tǒng)隔離器對于鐵氧體材料的依賴，相對于其他技術(shù)路線的隔離器，引入了拓?fù)潆娐返聂敯粜裕行岣吡烁綦x器的抗干擾能力，同時得益于非厄米拓?fù)潆娐汾吥w效應(yīng)，提高了隔離器的隔離度。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

3、一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，該隔離器由n個周期單元u通過耦合電容cb串聯(lián)而成，其中n為正整數(shù)。每個周期單元u都包含了一個損耗模塊a和一個增益模塊b以及連接他們的電容ca。n個周期單元通過耦合電容cb來形成一維拓?fù)潆娐返男盘栜S遷。其中電路結(jié)構(gòu)起始端的周期單元u1的損耗模塊的信號輸入端口構(gòu)成了隔離器的輸入端口in,電路結(jié)構(gòu)末端的周期單元un的增益模塊的信號輸出端口構(gòu)成了隔離器的輸出端口out。通過調(diào)整基本單元間耦合電容和單元內(nèi)耦合電容比例，以及周期單元內(nèi)部損耗模塊和增益模塊的增益/損耗比，可以實現(xiàn)高隔離度和穩(wěn)定的非互易傳輸。

4、進(jìn)一步的，電路結(jié)構(gòu)是一連串損耗模塊，增益模塊周期性級聯(lián)排列形成的，按照a-b-a-b的序列構(gòu)成鏈狀電路結(jié)構(gòu)，a-b與a-b中間通過ca連接耦合。

5、進(jìn)一步的，周期單元u個數(shù)n必須為正整數(shù)，為了滿足拓?fù)錀l件，n的值大于等于10。

6、進(jìn)一步的，周期單元u中包含的損耗模塊a由第一電感l(wèi)1，正電阻r1，第一電容c1并聯(lián)組成，整體損耗模塊a接地，一端接周期單元間耦合電容cb，另一端連接周期單元內(nèi)耦合電容ca。

7、進(jìn)一步的，周期單元u中包含的增益模塊b由第二電感l(wèi)2，負(fù)電阻-r2，第二電容c2并聯(lián)組成，整體增益模塊b接地，一端接周期單元內(nèi)耦合電容ca，另一端接周期單元間耦合電容cb。

8、進(jìn)一步的，電路起始端的第一個周期單元u1一端接輸入端口，另一端接單元間耦合電容cb。所述電路末端的最后一個周期單元un一端接輸出端口，另一端接單元間耦合電容cb。

9、進(jìn)一步的，周期單元u中的損耗模塊第一電感l(wèi)1、第一電容c1分別與增益模塊的第二電感l(wèi)2、第二電容c2相等；損耗模塊中的正電阻r1的阻值與增益模塊中負(fù)電阻-r2工作在線性區(qū)時的電阻值的絕對值相等。

10、進(jìn)一步的，周期間耦合電容模擬周期單元和相鄰周期單元之間的躍遷，周期單元內(nèi)耦合電容ca模擬損耗模塊和增益模塊之間的躍遷。所述周期單元間耦合電容cb和周期單元內(nèi)耦合電容ca不同。其中周期單元內(nèi)耦合電容ca的電容值在之間；其中c1是損耗模塊a中的第一電容，r1是損耗模塊a中的正電阻，l1是損耗模塊a中的第一電感。

11、進(jìn)一步的，周期單元間耦合電容cb的電容值必需小于單元內(nèi)耦合電容ca的電容值，使其和周期單元內(nèi)耦合電容ca的電容值比例滿足拓?fù)潆娐返能S遷條件。

12、進(jìn)一步的，將周期單元和單元間耦合電容串聯(lián)起來形成拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，檢測電路結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫阅芎头嵌蛎宗吥w效應(yīng)，使電路滿足信號從輸入端口輸入時，從輸出端口輸出；而從輸出端口輸入時，無法從輸入端口輸出，形成信號單向傳輸?shù)母綦x器。

13、本發(fā)明的一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器具有以下優(yōu)點：

14、（1）本發(fā)明利用n個周期單元通過耦合電容串聯(lián)起來形成一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)周期單元內(nèi)部損耗模塊和增益模塊的增益損耗比以及周期單元內(nèi)部耦合電容與周期單元間耦合電容的比例關(guān)系，利用非厄米拓?fù)潆娐返内吥w效應(yīng)，實現(xiàn)了對于信號傳輸方向的控制。

15、（2）在隔離器中引入電路拓?fù)鋺B(tài)的保護(hù)機(jī)制，提升了隔離器的魯棒性。相較于傳統(tǒng)的鐵氧體隔離器，該系統(tǒng)具有體積小，易于集成，易于制備，抗干擾能力強(qiáng)，高隔離度的優(yōu)點。

技術(shù)特征：

1.一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，其特征在于，所述隔離器由n個周期單元u通過耦合電容cb串聯(lián)而成，其中n為正整數(shù)；每個周期單元u都包含了一個損耗模塊a和一個增益模塊b以及連接他們的電容ca；n個周期單元u通過耦合電容cb來形成一維拓?fù)潆娐返男盘栜S遷；其中隔離器起始端的周期單元u1的損耗模塊的信號輸入端口構(gòu)成了隔離器的輸入端口in,隔離器末端的周期單元un的增益模塊的信號輸出端口構(gòu)成了隔離器的輸出端口out。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，其特征在于，n個周期單元u按照a-b-a-b的序列構(gòu)成鏈狀電路結(jié)構(gòu)，a-b與a-b中間通過ca連接耦合。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，其特征在于，所述的周期單元u個數(shù)n的值大于等于10。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，其特征在于，所述的周期單元u中包含的損耗模塊a由第一電感l(wèi)1，正電阻r1，第一電容c1并聯(lián)組成，整體損耗模塊a接地，一端接周期單元間耦合電容cb，另一端連接周期單元內(nèi)耦合電容ca。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，其特征在于，所述的周期單元u中包含的增益模塊b由第二電感l(wèi)2，負(fù)電阻-r2，第二電容c2并聯(lián)組成，整體增益模塊b接地，一端接周期單元內(nèi)耦合電容ca，另一端接周期單元間耦合電容cb。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，其特征在于，所述電路起始端的第一個周期單元u1一端接輸入端口，另一端接單元間耦合電容cb；電路末端的最后一個周期單元un一端接輸出端口，另一端接單元間耦合電容cb。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，其特征在于，所述周期單元內(nèi)耦合電容ca的電容值在之間；其中c1是損耗模塊a中的第一電容，r1是損耗模塊a中的正電阻，l1是損耗模塊a中的第一電感。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，其特征在于，所述單元間耦合電容cb的電容值小于單元內(nèi)耦合電容ca的電容值，使其和單元內(nèi)耦合電容ca的電容值比例滿足拓?fù)潆娐返能S遷條件。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，其特征在于所述周期單元u中的損耗模塊第一電感l(wèi)1、第一電容c1分別與增益模塊的第二電感l(wèi)2、第二電容c2相等；損耗模塊中的正電阻r1的阻值與增益模塊中負(fù)電阻-r2阻值的絕對值相等。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于一維非厄米拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)的隔離器，其由一連串增益/損耗模塊交替排列形成Su?Schrieffer?Heeger（SSH）鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，損耗模塊由電容?電感?電阻并聯(lián)接地諧振模塊構(gòu)成，增益模塊由電容?電感?負(fù)電阻并聯(lián)接地諧振模塊構(gòu)成。增益模塊與損耗模塊通過電容耦合構(gòu)成一個周期單元，不同周期單元之間通過電容耦合形成拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)。其中電路起始位置的損耗模塊構(gòu)成隔離器的輸入端口，電路末端位置的增益模塊構(gòu)成隔離器的輸出端口。通過改變增益和損耗的比例以及周期單元內(nèi)耦合電容和周期單元間耦合電容的比例實現(xiàn)電路的信號單向傳輸。該系統(tǒng)具有高隔離度和很強(qiáng)的魯棒性。

技術(shù)研發(fā)人員：董蕾,高熙凡,黃慶安
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15