一种基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置 |
|||||||
| 申请号 | CN202410096324.3 | 申请日 | 2024-01-24 | 公开(公告)号 | CN117895918A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 南京信息工程大学; | 发明人 | 万发雨; 宋润陶; 顾韬琛; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种基于 缺陷 地负群时延单元的 滤波器 群时延均衡装置，包括介质 基板 以及设于介质基板的第一谐振耦合结构、第二谐振耦合结构、第一DGS开路 谐振器 、第二DGS开路谐振器、第一开路短截线谐振器、第一端口、第二端口、第四开路短截线谐振器、第五开路短截线谐振器， 电阻 R1和电阻R2；第一DGS开路谐振器包括第二开路短截线谐振器和第一缺陷地负群时延单元；第二DGS开路谐振器包括第三开路短截线谐振器和第二缺陷地负群时延单元；第一缺陷地负群时延单元位于第二开路短截线谐振器的左侧；第二缺陷地负群时延单元位于第三开路短截线谐振器的右侧；第一缺陷地负群时延单元用于对左侧的群时延波峰进行均衡；第二缺陷地负群时延单元用于对右侧的群时延波峰进行均衡。通过采用本设计中所提出的缺陷地负群时延结构和开路短截线结构对滤波器进行群时延均衡，降低滤波器的带内群时延 波动 ，达到提高器件带内线性度的设计目标。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置，其特征在于，包括介质基板以及设于介质基板的第一耦合开路谐振器、第二耦合开路谐振器、第一DGS开路谐振器(3)、第二DGS开路谐振器(4)、第一开路短截线谐振器(6)、第一端口(8)、第二端口(9)、电阻R1(14)和电阻R2(15)；所述第一DGS开路谐振器(3)和第二DGS开路谐振器(4)分别位于介质基板的两侧，第一开路短截线谐振器(6)位于第一DGS开路谐振器(3)和第二DGS开路谐振器(4)之间；所述第一耦合开路谐振器一端连接第一DGS开路谐振器(3)，另一端连接第一开路短截线谐振器(6)；第二耦合开路谐振器一端连接第一开路短截线谐振器(6)，另一端连接第二DGS开路谐振器(4)；所述第一耦合开路谐振器通过电阻R1(14)接地，；所述第二耦合开路谐振器通过电阻R2(15)接地；所述第一端口(8)一端共同连接第一耦合开路谐振器和第一DGS开路谐振器(3)，另一端接地；所述第二端口(9)一端共同连第二耦合开路谐振器和第二DGS开路谐振器(4)，另一端接地。 |
||||||
| 说明书全文 | 一种基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置技术领域背景技术[0003] 基于群时延为负这一特性，负群时延可以与微波器件进行融合设计以降低器件在工作带宽内的群时延波动，提高器件线性度。而基于负群时延电路在工作频带内群时延为 负值的特性，负群时延电路被广泛应用于微波器件融合设计提高器件线性度、解决射频前 端滤波器群时延起伏问题、减小前馈放大器器件尺寸和提高效率、以及解决阵列天线各单 元天线相移问题等。然而负群时延均衡电路通常还会给系统带来额外的插入损耗和电路设 计面积占用，降低系统的反射系数，过大的插入损耗还会影响如滤波器的滤波性能、天线系 统的反射系数等关键性能参数。 发明内容[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置。对滤波器进行群时延均衡，降低滤波器的带内群时延波动，大幅降 低滤波器通带内的群时延波动，提高滤波器的线性度，以达到提高器件带内线性度的设计 目标。 [0005] 为解决现有技术问题，本发明公开了一种基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置，其特征在于，包括介质基板以及设于介质基板的第一耦合开路谐振器、第二耦 合开路谐振器、第一DGS开路谐振器、第二DGS开路谐振器、第一开路短截线谐振器、第一端 口、第二端口、电阻R1和电阻R2；所述第一DGS开路谐振器和第二DGS开路谐振器分别位于介 质基板的两侧，第一开路短截线谐振器位于第一DGS开路谐振器和第二DGS开路谐振器之 间；所述第一耦合开路谐振器一端连接第一DGS开路谐振器，另一端连接第一开路短截线谐 振器；第二耦合开路谐振器一端连接第一开路短截线谐振器，另一端连接第二DGS开路谐振 器；所述第一耦合开路谐振器通过电阻R1接地；所述第二耦合开路谐振器通过电阻R2接地； 所述第一端口一端共同连接第一耦合开路谐振器和第一DGS开路谐振器，另一端接地；所述 第二端口一端共同连第二耦合开路谐振器和第二DGS开路谐振器，另一端接地。 [0006] 进一步地，所述第一耦合开路谐振器包括第一谐振耦合结构和第四开路短截线谐振器，第一谐振耦合结构设有上部和下部，第一谐振耦合结构下部的一端连接第四开路短 截线谐振器，另一端连接电阻R1；所述第二耦合开路谐振器包括第二谐振耦合结构和第五 开路短截线谐振器，第二谐振耦合结构设有上部和下部，第二谐振耦合结构下部的一端连 接第五开路短截线谐振器，另一端连接电阻R2。 [0007] 进一步地，所述第一DGS开路谐振器包括第二开路短截线谐振器和第一缺陷地负群时延单元；所述第二DGS开路谐振器包括第三开路短截线谐振器和第二缺陷地负群时延 单元；所述第一缺陷地负群时延单元位于第二开路短截线谐振器的左侧；所述第二缺陷地 负群时延单元位于第三开路短截线谐振器的右侧；所述第二开路短截线谐振器和第一开路 短截线谐振器分别通过传输线连接第一谐振耦合结构上部；所述第三开路短截线谐振器和 第一开路短截线谐振器分别通过传输线连接第二谐振耦合结构上部；所述第一缺陷地负群 时延单元用于对左侧的群时延波峰进行均衡；所述第二缺陷地负群时延单元用于对右侧的 群时延波峰进行均衡。 [0008] 进一步地，所述第一缺陷地负群时延单元和第二缺陷地负群时延单元均呈“凹”字形，第一缺陷地负群时延单元的“凹”字形开口朝向第二开路短截线谐振器；第二缺陷地负 群时延单元的“凹”字形开口朝向第三开路短截线谐振器。 [0009] 进一步地，所述第二开路短截线谐振器和第三开路短截线谐振器与第一开路短截线谐振器平行设置，所述第二开路短截线谐振器、第三开路短截线谐振器、第一开路短截线 谐振器、第一谐振耦合结构和第二谐振耦合结构形成“山”字形结构。 [0010] 进一步地，所述第一缺陷地负群时延单元和第二缺陷地负群时延单元均设于介质基板与第二开路短截线谐振器和第三开路短截线谐振器相反的一面。 [0012] 进一步地，所述滤波器群时延均衡装置等效成S参数矩阵拓扑，根据矩阵换算关系求解出滤波器的群时延表达式为： [0013] GD均衡(ω)＝GDfilter(ω)+GDDGS1(ω)+GDDGS2(ω)+GDCL‑NGD1(ω)+GDCL‑NGD2(ω) [0014] 其中GD均衡(ω)表示均衡后的群时延，GDfilter(ω)表示滤波器本身的群时延，GDDGS1(ω)和GDDGS2(ω)表示缺陷地的负群时延，GDCL‑NGD1(ω)和GDCL‑NGD2(ω)表示耦合结构的负群 时延。 [0015] 本发明具有的有益效果：本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置，对一种三阶带通滤波器进行群时延均衡，大幅降低了滤波器通带内的群时延波动，提高 了滤波器的线性度。经过实验验证，在经过缺陷地负群时延单元和开路短截线负群时延单 元均衡后，滤波器的带内左侧群时延峰值降低到了1.32ns，右侧群时延峰值降低到了 1.38ns，中心频率2.6GHz处的群时延值为1.07ns，带内群时延差值为0.25ns。经过负群时延 电路群时延均衡前后的滤波器参数对比结果可知，经过负群时延单元均衡后的滤波器带内 群时延波动从0.55ns降低到了0.25ns，减小了0.3ns，约54.5％，通带两侧的群时延峰值得 到了较好地削减，回波损耗优于14.6dB。通过采用本专利缺陷地负群时延结构对滤波器进 行群时延均衡，从而降低了滤波器的带内群时延波动，以达到提高器件带内线性度的设计 目标。具有较强的实用性。 附图说明 [0016] 图1是本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置示意图； [0017] 图2是本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置的缺陷地负群时延谐振耦合单元等效电路示意图； [0018] 图3是本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置的滤波器S参数矩阵拓扑示意图； [0019] 图4是本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置的尺寸示意图； [0020] 图5(a)是本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置实物图正面； [0021] 图5(b)是本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置实物图背面； [0022] 图6(a)是本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置群时延仿真和测试结果对比图； [0023] 图6(b)是本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置S参数仿真和测试结果对比图； [0024] 图7(a)是本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置在负群时延电路群时延均衡前后的群时延对比图； [0025] 图7(b)是本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置在负群时延电路群时延均衡前后的S参数对比图。 具体实施方式[0026] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。 [0027] 如图1所示，本发明的基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置，包括介质基板以及设于介质基板的第一谐振耦合结构1、第二谐振耦合结构2、第一DGS开路谐振器 3、第二DGS开路谐振器4、第一开路短截线谐振器6、第一端口8、第二端口9、第四开路短截线 谐振器12、第五开路短截线谐振器13，电阻R114和电阻R215；所述第一DGS开路谐振器3和第 二DGS开路谐振器4分别位于介质基板的两侧，第一开路短截线谐振器6位于第一DGS开路谐 振器3和第二DGS开路谐振器4之间；所述第一谐振耦合结构1上部一端连接第一DGS开路谐 振器3，另一端连接第一开路短截线谐振器6；所述第二谐振耦合结构2上部一端连接第一开 路短截线谐振器6，另一端连接第二DGS开路谐振器4；所述第一谐振耦合结构1下部一端通 过电阻R114接地，另一端连接第四开路短截线谐振器12，所述第一谐振耦合结构1和第四开 路短截线谐振器12构成第一耦合开路谐振器；所述第二谐振耦合结构2下部一端通过电阻 R215接地，另一端连接第五开路短截线谐振器13，所述第二谐振耦合结构2和第五开路短截 线谐振器13构成第二耦合开路谐振器；所述第一端口8一端共同连接第一谐振耦合结构1和 第一DGS开路谐振器3，另一端接地；所述第二端口9一端共同连第二谐振耦合结构2和第二 DGS开路谐振器4，另一端接地。所述第一DGS开路谐振器3包括第二开路短截线谐振器5和第 一缺陷地负群时延单元10；所述第二DGS开路谐振器4包括第三开路短截线谐振器7和第二 缺陷地负群时延单元11；所述第一缺陷地负群时延单元10位于第二开路短截线谐振器5的 左侧；所述第二缺陷地负群时延单元11位于第三开路短截线谐振器7的右侧；所述第二开路 短截线谐振器5和第一开路短截线谐振器6分别通过传输线连接第一谐振耦合结构1上部； 所述第三开路短截线谐振器7和第一开路短截线谐振器6分别通过传输线连接第二谐振耦 合结构2上部；所述第一缺陷地负群时延单元10用于对左侧的群时延波峰进行均衡；所述第 二缺陷地负群时延单元11用于对右侧的群时延波峰进行均衡。所述第一缺陷地负群时延单 元10和第二缺陷地负群时延单元11均呈“凹”字形，第一缺陷地负群时延单元10的“凹”字形 开口朝向第二开路短截线谐振器5；第二缺陷地负群时延单元11的“凹”字形开口朝向第三 开路短截线谐振器7。所述第二开路短截线谐振器5和第三开路短截线谐振器7与第一开路 短截线谐振器6平行设置，所述第二开路短截线谐振器5、第三开路短截线谐振器7、第一开 路短截线谐振器6、第一谐振耦合结构1和第二谐振耦合结构2形成“山”字形结构。 [0028] 如图2所示，将缺陷地单元等效成一个RLC并联的谐振电路，与第二开路短截线谐振器5间的耦合可以等效为一个匝数比为n的变压器，则缺陷地负群时延谐振耦合单元可以 建立成如图2所示的输入阻抗Z2与并联RLC(nR、nL、nC)串联的等效电路。用变压器匝数比n1 和n2表示两个缺陷地单元的耦合系数。 [0029] 如图3所示，本发明的基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置可以等效成S参数矩阵拓扑，根据矩阵换算关系求解出滤波器的群时延表达式为： [0030] GD均衡(ω)＝GDfilter(ω)+GDDGS1(ω)+GDDGS2(ω)+GDCL‑NGD1(ω)+GDCL‑NGD2(ω) [0031] 其中GD均衡(ω)表示均衡后的群时延，GDfilter(ω)表示滤波器本身的群时延，GDDGS1(ω)和GDDGS2(ω)表示缺陷地的负群时延，GDCL‑NGD1(ω)和GDCL‑NGD2(ω)表示耦合结构的负群 时延。 [0032] 本发明的基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置设计方法总结如下： [0033] (1)依据设计指标计算滤波器的带宽、阶数、Q值、耦合系数等参数，选择合适的介质基板，进行单个谐振器的本征模式仿真。 [0034] (2)根据耦合系数确定滤波器谐振器间的耦合布局，设计滤波器输入输出结构。 [0035] (3)进行滤波器群时延仿真，确定带内群时延波动指标，根据仿真结果和指标确定需要均衡的滤波器通带、负群时延值等参数。 [0036] (4)根据带宽和负群时延值选择合适的负群时延结构，选用能实现较大负群时延值的开路短截线耦合负群时延结构用于均衡通带内的主波峰，选用损耗较低、匹配性较好、 不占用滤波器正面设计空间的缺陷地负群时延结构对通带内的小型波峰进行进一步均衡 优化。 [0037] (5)进行负群时延均衡电路仿真，通过调节负群时延单元的中心频率和耦合系数等参数调节负群时延电路的负群时延值和带宽，使其与待均衡滤波器通带和待均衡群时延 值匹配。 [0039] 为了对本发明所提供的一种基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置做进一步说明，下面以本发明技术方案为前提下进行实施的具体实例进行详细说明，但本 发明的保护范围不限于下述的实施例。 [0040] 如图4所示，本发明各个部位的实际尺寸如下： [0041] [0042] [0043] 图5是本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置的具体实例版图，本发明采用的介质基板为相对介电常数为4.6，损耗角正切值为0.016，厚度为1.52mm的 FR4板材，如图5(a)所示，除了第一缺陷地负群时延单元10和第二缺陷地负群时延单元11以 外的部件均设于介质基板的正面，第一开路短截线一端的电阻R114采用0603贴片电阻进行 焊接，贴片电阻接地端焊接到中心设有一个通孔的焊盘上，阻值为1Ω；第一端口8和第二端 口9焊接于介质基板的两侧，采用螺纹接线口；最终加工后的装置实物整体尺寸82mm× 61.8mm。如图图5(b)所示，第一缺陷地负群时延单元10和第二缺陷地负群时延单元11设于 介质基板的背面。 [0044] 如图6a、6b所示，本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置仿真和测试结果。由图可知，在经过缺陷地负群时延单元和开路短截线负群时延单元均衡后，滤 波器的带内左侧群时延峰值降低到了1.32ns，右侧群时延峰值降低到了1.38ns，中心频率 2.6GHz处的群时延值为1.07ns，带内群时延差值为0.25ns。 [0045] 如图7a、7b所示，本发明基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置负群时延电路群时延均衡前后的滤波器参数对比结果，经过对比可知，经过负群时延单元均衡 后的滤波器带内群时延波动从0.55ns降低到了0.25ns，减小了0.3ns，约54.5％，通带两侧 的群时延峰值得到了较好地削减，回波损耗优于14.6dB。测试结果的中心频率略小于仿真 结果，两者间的误差可能来源于FR4介质基板的介电常数的误差、电路板加工误差、电路焊 接误差、SMA接头额外损耗等。测试结果的群时延略大于仿真结果，误差可能来源于加工误 差、SMA接头和测试线的额外时延等因素。 [0046] 综上所述，本发明所述的基于缺陷地负群时延单元的滤波器群时延均衡装置，以滤波器的带内群时延波动为例，通过采用本设计中所提出的缺陷地负群时延结构和开路短 截线结构对滤波器进行群时延均衡，降低滤波器的带内群时延波动，达到提高器件带内线 性度的设计目标。 [0047] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存 在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖 非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要 素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备 所固有的要素。同时在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长 度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅 是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的 方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。且在本发明的附图中， 填充图案只是为了区别图层，不做其他任何限定。 |
||||||
