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一种基于三条并联微带线的负群时延电路及其设计方法

阅读：378发布：2023-03-07

专利汇可以提供一种基于三条并联微带线的负群时延电路及其设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于三条并联微带线的负群时延电路及其设计方法，路所述电路为对称结构，包括三条有损耗的并联微带连接线 ILk，k＝{1,2,3}、第一负载、第二负载、第一信号源和第二信号源，信号从第一信号源发出，流入第一负载，经过端口1分别流入微带线IL1,微带线IL2,微带线IL3，最后在端口2处汇合并流入第二负载，第二负载与第二信号源连接。本发明设计了一种基于三条并联微带线的负群时延电路，并对设计的电路进行优化设计，实现了负群时延电路的小型化，降低了电路的损耗和反射，提高了群时延带宽和时延，可被用于中继、卫星通信、雷达等。，下面是一种基于三条并联微带线的负群时延电路及其设计方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于三条并联微带线的负群时延电路，其特征在于：所述电路为对称结构，包括三条有损耗的并联微带连接线ILk，k＝{1,2,3}、第一负载、第二负载、第一信号源和第二信号源，信号从第一信号源发出，流入第一负载，经过端口1分别流入微带线IL1,微带线IL2,微带线IL3，最后在端口2处汇合并流入第二负载，第二负载与第二信号源连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于三条并联微带线的负群时延电路，其特征在于：所述电路尺寸为24mm×35mm，所述第一负载和第二负载均为50Ω。
3.根据权利要求2所述的一种基于三条并联微带线的负群时延电路，其特征在于：所述微带线IL1的环形微带线半径R1为8mm，连接两个环形微带线的微带线的长度I和宽度w1分别为8mm和2mm；所述微带线IL2，端口处微带线的长度l1为6mm，中间微带线的长度S为8mm，端口处微带线与中间微带线之间的环形微带线的半径R2为3mm，所述微带线IL2的宽度w2为2mm；
所述微带线IL3的环形微带线的半径R3为8mm，连接两个环形微带线的微带线的长度和宽度D,w3分别为8mm和2mm，端口连接线的宽度和长度w5,l2分别为3mm和3.5mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于三条并联微带线的负群时延电路，其特征在于：所述电路工作于S频段，在中心频率2.4GHz时，电路的群时延为-1.4ns，电路的损耗S21为-3.7dB,电路的反射S11为-14dB。
5.一种基于三条并联微带线的负群时延电路的设计方法，其特征在于：包括：
S1：推导出一条微带线的Y1(jω)参数矩阵，从而得到另外两条微带线的Y2(jω)、Y3(jω)矩阵，由并联微带线的理论知识，得到整个电路的Y参数矩阵：Y(jω)＝Y1(jω)+Y2(jω)+Y3(jω)；
S2：根据微波工程中Y参数与S参数之间的关系，推导出电路的S参数，从而得到电路的插入损耗S21和反射系数S11；
S3：由公式求出电路相位函数，再由群时延定义求出群
时延函数τ(ω)；
S4：通过HFSS仿真软件对电路的S11、S21和τ(ω)进行仿真，通过微带线IL1的长度d1以及特征阻抗Z1,微带线IL2的长度d2以及特征阻抗Z2,微带线IL3的长度d3以及特征阻抗Z3的调整优化之后可以确定该负群时延电路的尺寸。
6.根据权利要求5所述的一种基于三条并联微带线的负群时延电路的设计方法，其特征在于：步骤S1具体为：
S11：计算信号在微带连接线ILk中的传输时延，公式如下：
其中τk为传输时延，dk为ILk的物理长度，v为光速；
S12；根据微波电路中微带线的理论，求得ILk的Y矩阵：
其中ak为微带线的衰减常数，j2＝-1且k＝{1,2,3}；
S13：由并联传输线的Y参数矩阵理论，求得三条并联传输线(PIL)的Y矩阵：
[YPIL(jω)]＝[Y1(jω)]+[Y2(jω)]+[Y3(jω)] (3)。
7.根据权利要求5所述的一种基于三条并联微带线的负群时延电路的设计方法，其特征在于：步骤S2所述插入损耗S21和反射系数S11公式如下：
8.根据权利要求5所述的一种基于三条并联微带线的负群时延电路的设计方法，其特征在于：步骤S3所述群时延函数τ(ω)，公式如下：
τ(ω)＝τ1(ω)-τ2(ω)(10)
其中

说明书全文

一种基于三条并联微带线的负群时延电路及其设计方法

技术领域

[0001] 本发明属于微波工程的技术领域，具体涉及一种基于三条并联微带线的负群时延电路及其设计方法。

背景技术

[0002] 自从1960年美国科学家Brillouin发现负群时延现象以来，由于负群时延时间提前的特征且没有违反因果律，所以吸引了许多研究者的兴趣。另外，由于负那群时延电路能够在提高前馈放大器的效率以及减小放大器的尺寸，可以解决阵列天线中的波束倾斜问题上有所应用，正是这些相关的应用为负群时延电路的发展提供了很好的助力。

[0003] 近年来，负群时延电路从最简单的RLC谐振单元开始，但基于RLC的基本负群时延电路的损耗比较大，所以常用RLC谐振网络和放大器组合的方式可将电路的损耗降低。此外，除了上述利用RLC和放大器的组成的有源负群时延电路外，近来，利用微带线相关的结构形成的无源负群时延电路由于其损耗低，可往高频发展的特征，相关的一些无源结构被提出。诸如此类的一些工作大多数由外国研究者所探索，在国内负群时延电路却很少被探索。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提出了一种基于三条并联微带线的负群时延电路，通过该电路的S参数和群时延理论的推导以及电路的设计，可以国内的研究人员提供一个设计负群时延电路的思想。

[0005] 为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

[0006] 一种基于三条并联微带线的负群时延电路，所述电路为对称结构，包括三条有损耗的并联微带连接线ILk，k＝{1,2,3}、第一负载、第二负载、第一信号源和第二信号源，信号从第一信号源发出，流入第一负载，经过端口1分别流入微带线IL1,微带线IL2,微带线IL3，最后在端口2处汇合并流入第二负载，第二负载与第二信号源连接。

[0007] 为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

[0008] 上述的电路尺寸为24mm×35mm，第一负载和第二负载均为50Ω。

[0009] 上述的微带线IL1的环形微带线半径R1为8mm，连接两个环形微带线的微带线的长度I和宽度w1分别为8mm和2mm；所述微带线IL2，端口处微带线的长度l1为6mm，中间微带线的长度S为8mm，端口处微带线与中间微带线之间的环形微带线的半径R2为3mm，所述微带线IL2的宽度w2为2mm；所述微带线IL3的环形微带线的半径R3为8mm，连接两个环形微带线的微带线的长度和宽度D,w3分别为8mm和2mm，端口连接线的宽度和长度w5,l2分别为3mm和3.5mm。

[0010] 上述的电路工作于S频段，在中心频率2.4GHz时，电路的群时延为-1.4ns，电路的损耗S21为-3.7dB,电路的反射S11为-14dB。

[0011] 一种基于三条并联微带线的负群时延电路的设计方法，包括：

[0012] S1：推导出一条微带线的Y1(jω)参数矩阵，从而得到另外两条微带线的Y2(jω)、Y3(jω)矩阵，由并联微带线的理论知识，得到整个电路的Y参数矩阵：Y(jω)＝Y1(jω)+Y2(jω)+Y3(jω)；

[0013] S2：根据微波工程中Y参数与S参数之间的关系，推导出电路的S参数，从而得到电路的插入损耗S21和反射系数S11；

[0014] S3：由公式求出电路相位函数，再由群时延定义求出群时延函数τ(ω)；

[0015] S4：通过HFSS仿真软件对电路的S11、S21和τ(ω)进行仿真，通过微带线IL1的长度d1以及特征阻抗Z1,微带线IL2的长度d2以及特征阻抗Z2,微带线IL3的长度d3以及特征阻抗Z3等相关参数的调整优化之后可以确定该负群时延电路的尺寸。

[0016] 上述的步骤S1具体为：

[0017] S11：计算信号在微带连接线ILk中的传输时延，公式如下：

[0018]

[0019] 其中τk为传输时延，dk为ILk的物理长度，v为光速；

[0020] S12；根据微波电路中微带线的理论，求得ILk的Y矩阵：

[0021]

[0022] 其中ak为微带线的衰减常数，j2＝-1且k＝{1,2,3}；

[0023] S13：由并联传输线的Y参数矩阵理论，求得三条并联传输线(PIL)的Y矩阵：

[0024] [YPIL(jω)]＝[Y1(jω)]+[Y2(jω)]+[Y3(jω)] (3)。

[0025] 上述的步骤S2中，插入损耗S21和反射系数S11公式如下：

[0026]

[0027] 上述的步骤S3中，群时延函数τ(ω)，公式如下：

[0028] τ(ω)＝τ1(ω)-τ2(ω) (10)

[0029] 其中

[0030]

[0031] 本发明具有以下有益效果：

[0032] 为了实现负群时延电路的小型化，降低电路的损耗和反射，提高群时延带宽和时延，本发明设计了一种基于三条并联微带线的负群时延电路，并对设计的电路进行优化设计，最终可得：该电路工作于S频段，在中心频率2.4GHz时，电路的群时延约为-1.4ns，电路的损耗S21约为-3.7dB,电路的反射S11约为-14dB。可被用于中继、卫星通信、雷达等。附图说明

[0033] 图1本发明的电路原理图；

[0034] 图2为本本发明电路的结构示意图；

[0035] 图3为本发明电路的HFSS模型；

[0036] 图4为本发明电路的群时延仿真结果示意图；

[0037] 图5为本发明电路的S21仿真结果示意图；

[0038] 图6为本发明电路的S11仿真结果示意图。

具体实施方式

[0039] 以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

[0040] 如图1所示，本发明的一种基于三条并联微带线的负群时延电路，所述电路为对称结构，包括三条有损耗的并联微带连接线ILk，k＝{1,2,3}、两个负载R0和两个信号源V，信号从第一个信号源V发出，流入第一个负载R0，经过端口1分别流入微带线IL1,微带线IL2,微带线IL3,最后在端口2处汇合并流入第二个负载R0，第二个负载R0与第二个信号源连接。

[0041] 一种基于三条并联微带线的负群时延电路的设计方法，包括：

[0042] S1：推导出一条微带线的Y1(jω)参数矩阵，从而得到另外两条微带线的Y2(jω)、Y3(jω)矩阵，由并联微带线的理论知识，得到整个电路的Y参数矩阵：Y(jω)＝Y1(jω)+Y2(jω)+Y3(jω)；

[0043] 实施例中，步骤S1具体为：

[0044] S11：计算信号在微带连接线ILk中的传输时延，公式如下：

[0045]

[0046] 其中τk为传输时延，dk为ILk的物理长度，v为光速；

[0047] S12；根据微波电路中微带线的理论，求得ILk的Y矩阵：

[0048]

[0049] 其中ak为微带线的衰减常数，j2＝-1且k＝{1,2,3}；

[0050] S13：由并联传输线的Y参数矩阵理论，求得三条并联传输线(PIL)的Y矩阵：

[0051] [YPIL(jω)]＝[Y1(jω)]+[Y2(jω)]+[Y3(jω)] (3)。

[0052] S2：根据微波工程中Y参数与S参数之间的关系，推导出电路的S参数，从而得到电路的插入损耗S21和反射系数S11；

[0053] 实施例中，在微波电路中根据S参数与Y参数之间的转换关系可得：

[0054] [SPIL(jω)]＝{[YPIL(jω)]-1-[Z]}{[YPIL(jω)]-1+[Z]}-1 (4)[0055] 其中

[0056] 可对传输线的相关参数作如下假设：

[0057]

[0058] 根据S参数和微波工程的有关知识,并且由公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)可推导出NGD电路S参数如下所示：

[0059]

[0060] S3：由公式求出电路相位函数，再由群时延定义求出群时延函数τ(ω)；

[0061] 实施例中，根据电路系统理论，设jω为电路的角频率，群时延公式为：

[0062]

[0063] 其中

[0064] 根据公式(7)、(8)、(9)、可得电路的群时延τ(ω)：

[0065] τ(ω)＝τ1(ω)-τ2(ω) (10)

[0066] 其中

[0067]

[0068] 如图2和图3所示，本发明电路结构是对称结构。

[0069] HFSS对NGD电路尺寸的优化结果如下表所示：

[0070] 表1.电路基本参数尺寸

[0071]

[0072] 图中size为整个电路的尺寸。对于微带线IL1而言，R1是环形微带线的半径，I,w1分别是连接两个环形微带线的长度和宽度；对于微带线IL2而言，l1是图中左起第一个微带线的长度，R2左起第二个环形微带线的半径，S左起第三个微带线的长度，其中，w2是微带线IL2的宽度；对于微带线IL3而言，R1是环形微带线的半径，D,w3分别是连接两个环形微带线的长度和宽度。此外，w5,l2分别为端口连接线的宽度和长度。

[0073] 实施例中，电路HFSS模型，采用FR4板材，该板材的厚度是1.6mm，尺寸是24mm×35mm，介电常数是4.4，正切损耗角为0.02，且铜厚为0.035mm。

[0074] 利用仿真软件HFSS对提出的电路进行仿真设计优化，可得到如表1所示的电路基本参数尺寸。

[0075] 根据前面推导的群时延、S21、S11的相关公式，可以得到该电路模型的群时延、S21、S11结果示意图，由图4、图5、图6可知，该模型在中心频率2.42GHz时，电路的群时延为-2.4ns，电路的损耗S21为-3.8dB,电路的反射S11为-12.5dB。

[0076] 由HFSS仿真结果和模型本身的仿真结果可知，除了频率的偏移外，电路的性能没有太大变化，从理论和仿真结果从可以验证该电路的可行性。

[0077] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

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