CN106911391A - 一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质及方法。包括主要由正常色散媒质和反常色散媒质构成的补偿色散媒质，反常色散媒质在沿电磁波的传输方向连接在正常色散媒质靠近传输出口的一侧上，正常色散媒质主要由正常色散电磁谐振单元排列构成，反常色散媒质主要由反常色散电磁谐振单元排列构成，利用正常色散媒质构造信号的正常色散，利用反常色散媒质构造信号的反常色散，利用反常色散的负群速度(超光速)现象补偿信号经过正常色散媒质导致的包络畸变。本发明利用人工介电材料实现在微波频段内，对信号在媒质传播中产生包络畸变从本质上进行补偿，具有高精度、小尺寸特点，实现了信号色散补偿，应用广泛。

Description

一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质及方法

技术领域

本发明涉及信号传输领域，尤其是涉及了一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质及方法。

背景技术

信号传输时不可避免的产生畸变。无论是在电子电路、射频微波电路、光纤通信，还是在空间信号传输中，只要信号有带宽，就一定会受到不同程度的畸变。畸变是信号传输过程中抑制传输距离、传输精度、传输品质的主要原因。在众多畸变种类中，最常见同时也最重要的就是群延时畸变。在信号传输中，群延时是指对给定的频率表现为负斜率的相位响应(在电磁学领域中，相位响应通常由折射率表示，其由传输媒质本身参数决定，不受频率影响)，从而产生相对原始信号波形包络的时延。而当信号中不同的频率分量受到非线性响应时(色散)，会导致信号的包络产生波形畸变，这被称为群延时畸变。而群延时畸变在媒质传输中不可避免，因为工作频率都处在正常色散带宽内(折射率的实部对频率变化表现为正斜率)，所以群延时畸变往往表现为落后的群延时。群时延畸变会导致信号带宽展宽、误码率变大、信道噪声增大、同步性变差、传输距离变短等影响，严重的畸变甚至会导致信号无法被解调。因此抑制群时延畸变在信号传输领域有重要意义。

科学界对群延时畸变的研究已有很长的历史，群延时畸变的本质是因为信号的传输速度(波前速度)和群速度不相等。当群速度小于波前速度时，信号包络表现为后向畸变；反之，当群速度大于波前速度时(负群速度)，信号包络表现为前向畸变。早在1914年，Brillouin和Sommerfeld提出波前速度才是信号传输的速度，并且始终等于光速。在1960年，Brillouin指出，群速度并不总是代表信息或能量的传播速度，因此超光速的群速度(负群速度)不会与相对论矛盾。本课题组在2015年，通过Drude-Lorentz色散模型的反常色散(Anomalous dispersion)区域，即位于Lorentz色散的吸收谐振频带内，首次实验验证波前速度是信号的传输速度，并且通过负群速度的前向畸变、正群速度的后向畸变论证包络畸变的本质。因此当群速度等于波前速度，即光速时，信号包络就可以没有畸变。

到目前为止，在光纤通信领域已有多种方法对群延时畸变进行补偿，如光栅补偿器、啁啾补偿器、数字补偿等等。这些方法的基本原理都是利用反常色散获得负的群延时效应。但是在微波领域，受限于材料的反常色散带几乎处于光学频段的现实，目前对于信号的群延时补偿方法仅有数字补偿。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于构造一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质及方法，反常色散媒质低损耗、宽带宽，能获得较理想的负群速度现象，利用负群速度现象在抑制信号传输过程中进行畸变，实现了微波频段对群延时色散进行直接补偿。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质：

包括主要由正常色散媒质和反常色散媒质构成的补偿色散媒质，反常色散媒质沿电磁波的传输方向连接在正常色散媒质靠近传输出口的侧边，正常色散媒质主要由正常色散电磁谐振单元排列构成，反常色散媒质主要由反常色散电磁谐振单元排列构成。

所述正常和反常色散媒质均主要由至少一层谐振层上下层叠而成，每层谐振层由多排谐振组平行间隔阵列在同一平面而成。

所述的正常色散电磁谐振单元包括衬底和置于衬底上表面中心六分之一波长的开口谐振环(Split-ring resonator，SRR)，每个正常色散电磁谐振单元的衬底边长为自由空间中波长的六分之一，开口谐振环的开口方向沿信号传输方向(电磁波的传播方向)。

所述的反常色散电磁谐振单元包括衬底、置于衬底上表面中心六分之一波长的开口谐振环(Split-ring resonator，SRR)和置于衬底下表面中心的两条平行传输线，每个反常色散电磁谐振单元的衬底边长为自由空间中波长的六分之一，开口谐振环的开口方向沿信号传输方向(电磁波的传播方向)，平行传输线的方向垂直于开口谐振环的开口方向。

本发明具体实施中利用不同的平面工艺制造获得具有不同尺寸和位置的开口谐振环和平行传输线，从而获得不同工作频率下的谐振单元。

所述的正常色散电磁谐振单元和正常色散媒质在电磁波入射下被电场激发产生磁谐振，所述的反常色散电磁谐振单元和反常色散媒质在电磁波入射下同时被电场和磁场激发产生电谐振和磁谐振。

所述的正常色散媒质是先由正常色散电磁谐振单元沿谐振单元所在平面上垂直于信号传输方向(y方向)排列至少一个形成谐振组，再由谐振组沿信号传输方向(z方向)排列12个形成谐振层，再由谐振层沿谐振单元所在平面的法向(x方向)层叠至少一个构成。

所述的反常色散媒质是先由反常色散电磁谐振单元沿谐振单元所在平面上垂直于信号传输方向(y方向)排列至少一个形成谐振组，再由谐振组沿信号传输方向(z方向)排列1个形成谐振层，再由谐振层沿谐振单元所在平面的法向(x方向)层叠至少一个构成。

所述的补偿色散媒质是主要由含有至少一谐振层的正常色散媒质和含有至少一谐振层的反常色散媒质整体沿电磁波的传输方向分别相衔接而成。

正常色散媒质中的正常色散电磁谐振单元和反常色散媒质中的反常色散电磁谐振单元数量相同，衔接时正常色散媒质和反常色散媒质的各层谐振层相对应连接，反常色散媒质的谐振层紧挨连接在正常色散媒质的谐振层位于传输出口侧。

所述的正常色散媒质、反常色散媒质和补偿色散媒质的中心频率为5GHz。

本发明利用人工介电材料构造由反常色散媒质和正常色散媒质组成的补偿色散媒质，用反常色散媒质以补偿信号在正常色散媒质传播中产生包络畸变。

本发明采用人工介电材料在微波频段的色散特性，用正常色散媒质构造信号的正常色散，用反常色散媒质构造信号的反常色散，进一步利用反常色散的负群速度(超光速)现象从本质上补偿信号经过正常色散媒质导致的包络畸变。

本发明由谐振单元构造形成等效均匀的正常和反常色散媒质，通过控制等效折射率实部的正斜率频率响应范围和负斜率频率响应范围使之产生重叠来实现色散补偿。

本发明实施例是在WR430矩形直波导口分别在未放置色散媒质、仅放置正常色散媒质、仅放置反常色散媒质和仅放置补偿色散媒质情况下，通过波导转同轴器件在连续调幅波激励下分别测量WR430矩形直波导端口的时域电压信号。

二、一种抑制信号传输过程中畸变的方法：

采用色散媒质置于信号传输的波导中，通过调控其中正常色散媒质的正常色散电磁谐振单元和反常色散媒质的反常色散电磁谐振单元的尺寸和布置，进而控制正常色散媒质和反常色散媒质的角频率，使得正常色散媒质和反常色散媒质的电磁波群速度相加等于零，从而由反常色散媒质补偿信号在正常色散媒质传播中产生包络畸变，实现抑制信号传输过程中畸变。

所述的电磁波群速度计算公式为：

其中，c为自由空间中的光速，n表示折射系数，ω表示角频率。

本发明利用人工介电材料构造在微波频段的Drude-Lorentz色散模型，利用反常色散(Anomalous dispersion)区域构造反常色散单元，实现负群速度特性以得到超前的群延时。然后与处在同工作频率内的正常群延时畸变(落后的群延时)，将信号级联获得等效群延时为零的补偿信号。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

采用本发明的电磁谐振单元构造了微波频段Lorentz谐振模型，克服天然材料谐振处在光波频段的缺点，实现微波频段的色散补偿。

本发明从本质上对群延时畸变进行补偿，具有工程应用基础，在尤其是在雷达罩等空间色散的补偿，射频收发机等电路的色散补偿有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明正常色散谐振单元的结构示意图。

图2为本发明正常色散谐振单元的等效折射率图，实线表示等效参数的实部，虚线表示等效参数的虚部。

图3为本发明反常色散谐振单元的结构示意图。

图4为本发明反常色散谐振单元的等效折射率图，实线表示等效参数的实部，虚线表示等效参数的虚部。

图5为本发明WR430直波导中放置正常色散媒质在连续调幅波激励下采集时域电压信号的实验示意图。

图6为本发明WR430直波导中放置反常色散媒质在连续调幅波激励下采集时域电压信号的实验示意图。

图7为本发明WR430直波导中放置补偿色散媒质在连续调幅波激励下采集时域电压信号的实验示意图。

图8为本发明仿真WR430直波导中分别未放置色散媒质、放置正常色散媒质、放置反常色散媒质和放置补偿色散媒质在连续调幅波激励下采集的时域电压信号图。

图9为本发明实测WR430直波导中分别未放置色散媒质、放置正常色散媒质、放置反常色散媒质和放置补偿色散媒质在连续调幅波激励下采集的时域电压信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明构建的坐标系是以信号传播方向为z方向，谐振单元衬底正面外法线方向为y方向，在x方向排列两个周期谐振单元，在y方向排列两个周期谐振单元，在z方向排列不同个数的周期谐振单元，以得到不同程度的正常色散和反常色散效果。其中电磁波的磁场方向沿谐振单元所在平面的法向(图1和2中所示为x方向)，电场方向垂直于谐振单元中开口谐振环的开口方向(图1和2中所示为y方向)，电磁波的传播方向沿谐振单元中开口谐振环的开口方向(图1和2中所示为z方向)。

本发明的正常色散谐振单元的结构如图1所示，该谐振单元为双层结构，包括顶层金属结构A的开口谐振环和底层介质板B的衬底。当入射波的电场方向沿x方向，磁场沿y方向，传播方向沿z轴方向时，由于开口谐振环的螺旋型结构，当磁场垂直于螺旋环时会产生环形电流，这是产生磁谐振的必备条件。

本发明的反常色散谐振单元的结构如图3所示，该谐振单元为三层结构，包括顶层金属结构A的开口谐振环、中间层介质板B的衬底和底层金属结构C的平行传输线。当入射波的电场方向沿x方向，磁场沿y方向，传播方向沿z轴方向时，由于电场是垂直于双平行线结构的，会在两条平行传输线上产生方向相反的电流；同时由于开口谐振环的螺旋型结构，当磁场垂直于螺旋环时会产生环形电流，这是产生磁谐振的必备条件。

具体实施由六分之一波长谐振单元的空间排列，沿谐振单元所在平面上垂直于信号传输方向(y方向)排列形成一排谐振组，谐振组共用同一衬底；多排谐振组平行间隔沿信号传输方向(z方向)排列在同一平面形成一层谐振层，谐振层共用同一衬底；再由多层谐振层沿谐振单元所在平面的法向(x方向)上下层叠形成色散媒质。

本发明实施工作过程如下：

实施例的正常色散媒质每个谐振单元呈正方形结构，正常色散电磁谐振单元的开口谐振环布置如图1所示，由两个矩形开口谐振环呈对称分布而成。每个单元的衬底长度和宽度分别为a＝b＝11.07mm。顶层为由完美导体(PEC)构成的开口谐振环结构A，厚度为t_m＝0.035mm。顶层金属结构的线宽,矩形开口槽间距和线间距为w＝k₁＝k₂＝0.3mm，矩形的长和宽分别为L₁＝5.1mm、L₂＝2.0mm。底层为起支撑作用的衬底B，这里选取FR4板材，其厚度为t_s＝1mm，相对介电常数为4.3，损耗正切角0.025，相对磁导率为1。

正常色散谐振单元仿真获得的等效折射率如图2所示，实线表示等效参数的实部，虚线表示等效参数的虚部。在中心频率5GHz处，等效折射率的实部斜率为正，表现为正常色散。

实施例的反常色散媒质每个谐振单元呈正方形结构，反常色散电磁谐振单元的开口谐振环布置如图3所示，由两个半圆形开口谐振环呈对称分布而成。每个单元的衬底长度和宽度分别为a＝b＝11.07mm。顶层为由完美导体(PEC)构成的开口谐振环结构A，厚度为t_m＝0.035mm。顶层金属结构的线宽,矩形开口槽间距和线间距为w＝g₁＝g₂＝0.3mm，圆环中间十字形长臂R₁＝3.65mm，短臂R₂＝0.7mm。中间层为起支撑作用的衬底B，这里选取FR4板材，其厚度为t_s＝1mm，相对介电常数为4.3，损耗正切角0.025，相对磁导率为1。底层同样由完美导体(PEC)构成的两条平行传输线C，厚度为t_m＝0.035mm，金属结构的线宽为w＝0.3mm，平行线线间距为g₃＝5.6mm。

反常色散谐振单元仿真获得的等效折射率如图4所示，实线表示等效参数的实部，虚线表示等效参数的虚部。在中心频率5GHz处，等效折射率的实部斜率为负，表现为反常色散。

实施过程中通过电磁仿真软件CST进行仿真，利用仿真得到的散射参数反算出介质的等效媒介参数，验证了上述谐振单元的色散特性。对应不同的工作频率可对应选择其他的参数。

根据Smith等人的研究，可以利用样品介质板的散射参数，根据Maxwell-Garnett等效媒介理论，计算出能代表其电磁特性的等效介电常数和等效磁导率。均匀介质中S参数(散射参数)与波阻抗Z，折射系数n之间的关系为：

其中，S₁₂表示激励1端口并测量从2端口出来的透射波电压比值，S₂₁激励2端口并测量从1端口出来的透射波电压比值，S₁₁表示激励1端口并测量从1端口出来的反射波电压比值，S₂₂表示激励2端口并测量从2端口出来的反射波电压比值，D为介质板的厚度，k为玻尔兹曼常数。

由以上两式，可得到介质中的波阻抗Z和折射系数n分别为：

进而得到介质的等效介电常数μ(ω)和等效磁导率ε(ω)分别为：

μ(ω)＝nZ＝μ'(ω)+iμ”(ω)

其中，ε'(ω)为该等效介质相对介电常数的实部，ε”(ω)为该等效介质相对介电常数的虚部，μ'(ω)为该等效介质相对介电常数的实部，μ”(ω)为该等效介质相对介电常数的虚部，ω表示角频率。

各向同性媒质中的电磁波群速度计算公式为：

其中，c为自由空间中的光速，n表示折射系数(媒质的折射率)。在色散媒质的异常色散区域，上述表达式中的dn/dω项可能会变成负数。当该负数的绝对值足够大时，群速度就可以趋近无穷大、甚至为负值。这是群速超光速和负群速超光速的数学物理基础。

实施例利用CST频域仿真得到的该谐振单元的等效介质参数如图2和图4所示。激励信号为带宽为20MHz的正弦调幅波，载波频率为5GHz。从图2可以看出，在5GHz附近，该谐振单元在z方向上的等效折射率的实部呈现正斜率，根据群速度公式可知其值在4.99-5.01GHz带宽内大于零。从图4可以看出，在5GHz附近，该谐振单元在z方向上的等效折射率的实部呈现负斜率，根据群速度公式可知其值在4.99-5.01GHz带宽内小于零。

本发明WR430直波导中放置正常色散媒质在连续调幅波激励下采集时域电压信号的实验示意如图5所示。由信号发生器1产生连续调幅波2，通过波导转同轴器件激励放置在WR430直波导中的正常色散媒质4，并通过示波器3采集输出端口的透射波时域电压信号。正常色散电磁谐振单元沿谐振单元所在平面上垂直于信号传输方向(y方向)排列距离为15.85mm，由谐振组沿信号传输方向(z方向)排列12个形成谐振层，由谐振层沿谐振单元所在平面的法向(x方向)层叠一个构成正常色散媒质。

本发明WR430直波导中放置反常色散媒质在连续调幅波激励下采集时域电压信号的实验示意如图6所示。由信号发生器1产生连续调幅波2，通过波导转同轴器件激励放置在WR430直波导中的反常色散媒质5，并通过示波器3采集输出端口的透射波时域电压信号。反常色散电磁谐振单元沿谐振单元所在平面上垂直于信号传输方向(y方向)排列距离为15.85mm，由谐振组沿信号传输方向(z方向)排列1个形成谐振层，由谐振层沿谐振单元所在平面的法向(x方向)层叠一个构成反常色散媒质。

本发明WR430直波导中放置补偿色散媒质在连续调幅波激励下采集时域电压信号的实验示意如图7所示。由信号发生器1产生连续调幅波2，通过波导转同轴器件激励放置在WR430直波导中的补偿色散媒质6，并通过示波器3采集输出端口的透射波时域电压信号。补偿色散媒质是由正常色散媒质和反常色散媒质整体相层叠而成。

本发明仿真WR430直波导中未放置色散媒质，放置正常色散媒质、反常色散媒质、补偿色散媒质，在连续调幅波激励下时域电压信号的结果如图8所示。激励信号为带宽为20MHz的正弦调幅波，载波频率为5GHz。曲线1代表直波导中未放置色散媒质情况，作为参照信号。曲线2代表直波导中放置正常色散媒质情况，对比曲线1可以观察其包络有明显的后向畸变，峰值出现在曲线1之后，表现为正群速度。曲线3代表直波导中放置反常色散媒质情况，对比曲线1可以观察其包络有明显的前向畸变，峰值出现在曲线1之前，表现为负群速度。曲线4代表直波导中放置补偿色散媒质情况，对比曲线1可以观察其包络未有明显的前向畸变，峰值几乎与曲线1重合，表现为没有色散。

本发明实测WR430直波导中未放置色散媒质以及分别放置正常色散媒质、反常色散媒质、补偿色散媒质，在连续调幅波激励下时域电压信号如图9所示。激励信号为带宽为5MHz的正弦调幅波，载波频率为5GHz。曲线1代表直波导中未放置色散媒质情况，作为参照信号。曲线2代表直波导中放置正常色散媒质情况，对比曲线1可以观察其峰值出现在曲线1之后，表现为正群速度。曲线3代表直波导中放置反常色散媒质情况，对比曲线1可以观察其峰值出现在曲线1之前，表现为负群速度。曲线4代表直波导中放置补偿色散媒质情况，对比曲线1可以观察其包络峰值几乎与曲线1重合，表现为没有色散。此结果与仿真结论对应，进一步验证理论正确性。

根据本发明谐振单元实例的工作频率为5GHz，如果要工作在其他频率，可通过调整开口谐振尺寸以及周期排列的个数来实现。

以上所述，仅是根据本发明设计的一个工作在5GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：包括主要由正常色散媒质和反常色散媒质构成的补偿色散媒质，反常色散媒质沿电磁波的传输方向连接在正常色散媒质靠近传输出口的侧边，正常色散媒质主要由正常色散电磁谐振单元排列构成，反常色散媒质主要由反常色散电磁谐振单元排列构成。

2.根据权利要求1所述的一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：

所述的正常色散电磁谐振单元包括衬底和置于衬底上表面中心的开口谐振环，每个正常色散电磁谐振单元的衬底边长为自由空间中波长的六分之一，开口谐振环的开口方向沿信号传输方向；

所述的反常色散电磁谐振单元包括衬底、置于衬底上表面中心的开口谐振环和置于衬底下表面中心的两条平行传输线，每个反常色散电磁谐振单元的衬底边长为自由空间中波长的六分之一，开口谐振环的开口方向沿信号传输方向，平行传输线的方向垂直于开口谐振环的开口方向。

3.根据权利要求1所述的一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：所述的正常色散电磁谐振单元和正常色散媒质在电磁波入射下被电场激发产生磁谐振，所述的反常色散电磁谐振单元和反常色散媒质在电磁波入射下同时被电场和磁场激发产生电谐振和磁谐振。

4.根据权利要求1所述的一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：电磁波的磁场方向沿谐振单元所在平面的法向，电场方向垂直于谐振单元中开口谐振环的开口方向，电磁波的传播方向沿谐振单元中开口谐振环的开口方向。

5.根据权利要求1所述的一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：

所述的正常色散媒质是先由正常色散电磁谐振单元沿谐振单元所在平面上垂直于信号传输方向排列至少一个形成谐振组，再由谐振组沿信号传输方向(排列12个形成谐振层，再由谐振层沿谐振单元所在平面的法向层叠至少一个构成；

所述的反常色散媒质是先由反常色散电磁谐振单元沿谐振单元所在平面上垂直于信号传输方向排列至少一个形成谐振组，再由谐振组沿信号传输方向排列1个形成谐振层，再由谐振层沿谐振单元所在平面的法向层叠至少一个构成。

6.根据权利要求1所述的一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：所述的补偿色散媒质是由正常色散媒质和反常色散媒质整体沿电磁波的传输方向相衔接而成。

7.根据权利要求1所述的一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：所述的正常色散媒质、反常色散媒质和补偿色散媒质的中心频率为5GHz。

8.一种抑制信号传输过程中畸变的方法，其特征在于：采用权利要求1-7任一所述色散媒质置于信号传输的波导中，通过调控其中正常色散媒质的正常色散电磁谐振单元和反常色散媒质的反常色散电磁谐振单元的尺寸和布置，进而控制正常色散媒质和反常色散媒质的角频率，使得正常色散媒质和反常色散媒质的电磁波群速度相加等于零，从而由反常色散媒质补偿信号在正常色散媒质传播中产生包络畸变，实现抑制信号传输过程中畸变。

9.根据权利要求8所述的一种抑制信号传输过程中畸变的方法，其特征在于：所述的电磁波群速度计算公式为：

$v_g=\frac{c}{n+\mathrm{\ω}\frac{dn}{d\mathrm{\ω}}}$

其中，c为自由空间中的光速，n表示折射系数，ω表示角频率。