CN107707215A - 一种宽带负群时延微波电路及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带负群时延微波电路及其设计方法，具有：信号输入端口、信号分配传输线、隔离电阻、移相传输线、信号合成传输线以及信号输出端口；信号分配传输线具有上支路信号分配传输线以及下支路信号分配传输线；信号合成传输线具有上支路信号合成传输线以及下支路信号合成传输线，上支路信号合成传输线以及下支路信号合成传输线同时与信号输出端口相连；隔离电阻的第一隔离电阻的两端分别与上支路信号分配传输线以及下支路信号分配传输线相连，第二隔离电阻的两端分别与上支路信号合成传输线以及下支路信号合成传输线相连。本发明能够实现宽带负群时延特性，且输入输出端口能够获得良好的匹配，并具有设计方法简单等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波电路，具体为一种宽带负群时延微波电路及其设计方法。
背景技术
无线通信正朝着宽带化方向发展，随之对微波器件的设计要求也越来越高。负群时延微波电路在微波器件的设计中有着广阔的应用前景。例如，负群时延微波电路可补偿微波器件的频变群时延特性进而提高系统相频特性的线性度；应用于前馈放大器提高其效率；应用于反馈放大器拓展其带宽；应用在天线阵的馈电网络中，可消除馈电网络因频率变化而产生的不必要的相移，进而改善天线阵波束扫描的稳定性。此外，负群时延微波电路还可以实现非福斯特电抗性元件(即负电感和负电容)，进而突破高Q值负载的无源网络匹配极限，实现宽带匹配特性。
传统的负群时延微波电路是基于RLC有耗谐振器的实现方法，但该方法在实现负群时延特性的同时也存在其所产生的信号衰减特别大(大于30dB)且带宽很窄(相对带宽小于3％)的缺陷。近年来，为了提高负群时延微波电路的带宽，国外学者提出基于吸收式带阻滤波结构的设计方法和基于横向滤波结构的设计方法，但是采用这两种方法设计出的负群时延微波电路的插入损耗仍大于21dB。此外，国外学者还提出了平行耦合线加载有耗反馈环路的方法和有限品质因数谐振交叉耦合的方法，但是这两种方法只能减小负群时延微波电路的插入损耗，并不能提高其带宽。
有鉴于此确有必要提出一种插入损耗较低的宽带负群时延微波电路。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种插入损耗较低的宽带负群时延微波电路。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
一种宽带负群时延微波电路，其特征在于，具有：信号输入端口、信号分配传输线、隔离电阻、移相传输线、信号合成传输线以及信号输出端口；其中，
所述信号分配传输线具有两路支路信号分配传输线，即上支路信号分配传输线以及下支路信号分配传输线，所述上支路信号分配传输线以及下支路信号分配传输线一端同时与所述信号输入端口相连，所述上支路信号分配传输线另一端与所述信号合成传输线相连，且所述下支路信号分配传输线另一端通过移相传输线与所述信号合成传输线相连；
所述信号合成传输线具有两路支路信号合成传输线，即上支路信号合成传输线以及下支路信号合成传输线，所述上支路信号合成传输线以及下支路信号合成传输线同时与所述信号输出端口相连；
所述隔离电阻由第一隔离电阻以及第二隔离电阻构成，所述第一隔离电阻的两端分别与上支路信号分配传输线以及下支路信号分配传输线相连，所述第二隔离电阻的两端分别与上支路信号合成传输线以及下支路信号合成传输线相连。
进一步的，所述信号输入端口所对应的端口阻抗与信号输出端口所对应的端口阻抗相等；所述上支路信号分配传输线所对应的特性阻抗与上支路信号合成传输线所对应的特性阻抗相等；所述下支路信号分配传输线所对应的特性阻抗与下支路信号合成传输线所对应的特性阻抗相等；同时所述上支路信号分配传输线、下支路信号分配传输线、上支路信号合成传输线以及下支路信号合成传输线的电长度均为90度。
进一步的，上述宽带负群时延微波电路所能实现负群时延特性的条件为：
θ＝(2n-1)·180 (1)
式中，θ为所述移相传输线的电长度，n为所述移相传输线的级数且其取值为正整数，k为下支路信号分配传输线相对于上支路信号分配传输线的能量分配因子。
进一步的，所述宽带负群时延微波电路在中心频率f0处的群时延T的计算公式如下：
式中，n为所述移相传输线的级数且其取值为正整数，k为下支路信号分配传输线相对于上支路信号分配传输线的能量分配因子。
本发明的另一目的是要提供上述宽带负群时延微波电路的设计方法包括如下步骤：
步骤1、确定所述宽带负群时延微波电路在中心工作频率f0处的群时延T、可允许的最大插入损耗Lmax和输入输出端口阻抗Z0；
步骤2、选择移相传输线的级数n并根据下述公式(4)计算下支路信号分配传输线相对于上支路信号分配传输线的能量分配因子k，所述公式(4)为：
步骤3、根据下述公式(5)计算所述宽带负群时延微波电路的插入损耗L，所述公式(5)为：
步骤4、判断L是否小于Lmax，是则进入步骤5，否则返回步骤2，重新选择n得到相应的k和L；
步骤5、根据下述公式(6)计算得到第一隔离电阻与第二隔离电阻的电阻值R，所述公式(6)为：
步骤6、计算与所述宽带负群时延微波电路相对应的传输线特性参量，所述传输线特性参量至少包括上支路信号分配传输线和上支路信号合成传输线的特性阻抗Z01、下支路信号分配传输线和下支路信号合成传输线的特性阻抗Z02、移相传输线的特性阻抗Z03、移相传输线的电长度θ，其各自对应的公式为
θ＝(2n-1)·180 (10)；
步骤7、将所述传输线特性参量转化为所述宽带负群时延微波电路对应传输线的物理尺寸；
步骤8、基于所述物理尺寸，在电磁数值仿真软件中对所述宽带负群时延微波电路进行建模与优化直至满足所述宽带负群时延微波电路的设计技术指标要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
为了有效解决现有技术中在减小负群时延微波电路的插入损耗时不能提高其带宽的矛盾，本发明提供的一种设计方法简单的宽带负群时延微波电路，该宽带负群时延微波电路能够实现宽带负群时延特性，而且输入输出端口能够获得良好的匹配等特点。
附图说明
图1是本发明一种宽带负群时延微波电路的原理图；
图2是本发明一种宽带负群时延微波电路的群时延曲线图；
图3是本发明一种宽带负群时延微波电路的S参数曲线图；
图中：1、信号分配传输线，11、上支路信号分配传输线，12、下支路信号分配传输线，2、隔离电阻，21、第一隔离电阻，22、第二隔离电阻，3、移相传输线，4、信号合成传输线，41、上支路信号合成传输线，42、下支路信号合成传输线，5、信号输入端口，6、信号输出端口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的宽带负群时延微波电路，其特征在于，包括：信号分配传输线1、隔离电阻2、移相传输线3、信号合成传输线4、信号输入端口5以及信号输出端口6；其中，所述信号分配传输线1具有两路支路信号分配传输线，其分别为上支路信号分配传输线11以及下支路信号分配传输线12，所述上支路信号分配传输线11以及下支路信号分配传输线12一端同时与所述信号输入端口5相连，所述上支路信号分配传输线11另一端与所述信号合成传输线4的上支路信号合成传输线41相连，且所述下支路信号分配传输线12另一端通过移相传输线3与所述信号合成传输线4的下支路信号合成传输线42相连；
所述信号合成传输线4具有两路支路信号合成传输线，其分别是上支路信号合成传输线41以及下支路信号合成传输线42，所述上支路信号合成传输线41以及下支路信号合成传输线42同时与所述信号输出端口6相连；
所述隔离电阻2由第一隔离电阻21以及第二隔离电阻22构成，所述第一隔离电阻21的两端分别与上支路信号分配传输线11以及下支路信号分配传输线12相连，所述第二隔离电阻22的两端分别与上支路信号合成传输线41以及下支路信号合成传输线42相连。
进一步的，所述信号输入端口5所对应的端口阻抗与信号输出端口6所对应的端口阻抗相等且为Z0；所述上支路信号分配传输线11所对应的特性阻抗与上支路信号合成传输线41所对应的特性阻抗相等且为Z01；所述下支路信号分配传输线11所对应的特性阻抗与下支路信号合成传输线42所对应的特性阻抗相等且为Z02；同时所述上支路信号分配传输线11、下支路信号分配传输线12、上支路信号合成传输线41以及下支路信号合成传输线42的电长度均为90度。
进一步的，上述宽带负群时延微波电路所能实现负群时延特性的条件为：
θ＝(2n-1)·180 (1)
式中，θ为所述移相传输线的电长度，单位为度，n为所述移相传输线的级数且其取值为正整数，k为下支路信号分配传输线相对于上支路信号分配传输线的能量分配因子。
进一步的，所述宽带负群时延微波电路在中心频率f0(赫兹)处的群时延T的计算公式如下：
式中，n为所述移相传输线的级数且其取值为正整数，k为下支路信号分配传输线相对于上支路信号分配传输线的能量分配因子，群时延T的单位为秒。
本发明的另一目的是要提供上述宽带负群时延微波电路的设计方法包括如下步骤：
步骤1、确定所述宽带负群时延微波电路在中心工作频率f0(赫兹)处的群时延T、可允许的最大插入损耗Lmax和输入输出端口阻抗Z0；
步骤2、选择移相传输线的级数n并根据下述公式(4)计算下支路信号分配传输线相对于上支路信号分配传输线的能量分配因子k，所述公式(4)为：
步骤3、根据下述公式(5)计算所述宽带负群时延微波电路的插入损耗L(分贝)，所述公式(5)为：
步骤4、判断L是否小于Lmax，是则进入步骤5，否则返回步骤2，重新选择n得到相应的k和L；
步骤5、根据下述公式(6)计算得到第一隔离电阻与第二隔离电阻的电阻值R，所述公式(6)为：
步骤6、计算与所述宽带负群时延微波电路相对应的传输线特性参量，所述传输线特性参量至少包括上支路信号分配传输线和上支路信号合成传输线的特性阻抗Z01、下支路信号分配传输线和下支路信号合成传输线的特性阻抗Z02、移相传输线的特性阻抗Z03、移相传输线的电长度θ，其各自对应的公式为
θ＝(2n-1)·180(度) (10)
步骤7、将所述传输线特性参量转化为所述宽带负群时延微波电路对应传输线的物理尺寸；
步骤8、基于所述物理尺寸，在电磁数值仿真软件中对所述宽带负群时延微波电路进行建模与优化直至满足所述宽带负群时延微波电路的设计技术指标要求。
下面以具体实例说明本发明所述的宽度负群时延电路的设计方法：
步骤1、确定所需宽带负群时延微波电路在中心工作频率f0处的群时延T、可允许的最大插入损耗Lmax和输入输出端口阻抗Z0；
具体地，确定宽带负群时延微波电路的中心工作频率f0为1.0GHz，在中心工作频率f0处的群时延T为-1.0ns，最大插入损耗Lmax为20分贝，输入输出端口阻抗Z0为50欧姆；
步骤2、选择移相传输线的级数n并根据下述公式(4)计算下支路信号分配传输线相对于上支路信号分配传输线的能量分配因子k，所述公式(4)为：
具体地，移相传输线的级数n选择为1，并将步骤1中基本参量f0和T代入公式(4)中计算得到能量分配因子k为0.866；
步骤3、根据下述公式(5)计算电路的插入损耗L，所述公式(5)为：
具体地，并将步骤2中能量分配因子k代入公式(4)中计算得到插入损耗L为16.9分贝；
步骤4、判断L是否小于Lmax，是则进入步骤5，否则返回步骤2，重新选择n得到相应的k和L；
具体的，插入损耗L(16.9分贝)满足小于最大插入损耗Lmax(20分贝)的要求，进入步骤5；
步骤5、根据下述公式(6)计算得到第一隔离电阻与第二隔离电阻的电阻值R，所述公式(6)为：
具体的，将步骤1中输入输出端口阻抗Z0和步骤2中能量分配因子k代入公式(6)中计算得到隔离电阻的电阻值R为101欧姆；
步骤6、计算与所述宽带负群时延微波电路相对应的传输线特性参量，所述传输线特性参量至少包括上支路信号分配传输线和上支路信号合成传输线的特性阻抗Z01、下支路信号分配传输线和下支路信号合成传输线的特性阻抗Z02、移相传输线的特性阻抗Z03、移相传输线的电长度θ，其各自对应的公式为
θ＝(2n-1)·180(度) (10)
具体的，计算所得传输线特性参量Z01＝61.55(欧姆)、Z02＝82.07(欧姆)、Z03＝57.74(欧姆)、θ＝180(度)。
步骤7、根据步骤6所得传输线特性参量转化得到对应传输线的物理尺寸；
步骤8、以转化所得传输线的物理尺寸为基础，在电磁数值仿真软件中对所述宽带负群时延微波电路进行建模与优化，以满足电路的设计技术指标要求。
具体的，该电路的性能曲线如图2和3所示。从图2可以看到在中心频率1.0GHz处的群时延为-1.0ns，并且负群时延工作频率范围为0.9GHz～1.1GHz(负群时延工作的相对带宽达到了20％)，实现了宽带负群时延特性；且从图3可以看到负群时延工作频率范围内回波损耗大于30分贝，插入损耗小于17分贝，满足该电路的设计技术指标要求。
综上所述，本发明所述的宽带负群时延微波电路实现了宽带负群时延特性，并且输入输出端口匹配良好，同时具有设计方法简单等特点，非常适合应用于各类射频微波系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种宽带负群时延微波电路，其特征在于，具有：信号输入端口、信号分配传输线、隔离电阻、移相传输线、信号合成传输线以及信号输出端口；其中，
所述信号分配传输线具有两路支路信号分配传输线，即上支路信号分配传输线以及下支路信号分配传输线，所述上支路信号分配传输线以及下支路信号分配传输线一端同时与所述信号输入端口相连，所述上支路信号分配传输线另一端与所述信号合成传输线相连，且所述下支路信号分配传输线另一端通过移相传输线与所述信号合成传输线相连；
所述信号合成传输线具有两路支路信号合成传输线，即上支路信号合成传输线以及下支路信号合成传输线，所述上支路信号合成传输线以及下支路信号合成传输线同时与所述信号输出端口相连；
所述隔离电阻由第一隔离电阻以及第二隔离电阻构成，所述第一隔离电阻的两端分别与上支路信号分配传输线以及下支路信号分配传输线相连，所述第二隔离电阻的两端分别与上支路信号合成传输线以及下支路信号合成传输线相连。
2.根据权利要求1所述的宽带负群时延微波电路，其特征在于：
所述信号输入端口所对应的端口阻抗与信号输出端口所对应的端口阻抗相等；所述上支路信号分配传输线所对应的特性阻抗与上支路信号合成传输线所对应的特性阻抗相等；所述下支路信号分配传输线所对应的特性阻抗与下支路信号合成传输线所对应的特性阻抗相等；同时所述上支路信号分配传输线、下支路信号分配传输线、上支路信号合成传输线以及下支路信号合成传输线的电长度均为90度。
3.根据权利要求2所述的宽带负群时延微波电路，其特征在于：
所述宽带负群时延微波电路所能实现负群时延特性的条件为：
θ＝(2n-1)·180 (1)
<mrow>
<msqrt>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mfrac>
</msqrt>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，θ为所述移相传输线的电长度，n为所述移相传输线的级数且其取值为正整数，k为下支路信号分配传输线相对于上支路信号分配传输线的能量分配因子。
4.根据权利要求1所述的宽带负群时延微波电路，其特征在于：
所述宽带负群时延微波电路在中心频率f0处的群时延T的计算公式如下：
<mrow>
<mi>T</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<mn>2</mn>
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<mrow>
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<mn>2</mn>
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<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，n为所述移相传输线的级数且其取值为正整数，k为下支路信号分配传输线相对于上支路信号分配传输线的能量分配因子。
5.一种针对权利要求1所述宽带负群时延微波电路的设计方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、确定所述宽带负群时延微波电路在中心工作频率f0处的群时延T、可允许的最大插入损耗Lmax和输入输出端口阻抗Z0；
步骤2、选择移相传输线的级数n并计算下支路信号分配传输线相对于上支路信号分配传输线的能量分配因子k；
步骤3、计算所述宽带负群时延微波电路的插入损耗L；
步骤4、判断L是否小于Lmax，是则进入步骤5，否则返回步骤2，重新选择n得到相应的k和L；
步骤5、计算第一隔离电阻与第二隔离电阻的电阻值；
步骤6、计算与所述宽带负群时延微波电路相对应的传输线特性参量，所述传输线特性参量至少包括上支路信号分配传输线和上支路信号合成传输线的特性阻抗Z01、下支路信号分配传输线和下支路信号合成传输线的特性阻抗Z02、移相传输线的特性阻抗Z03以及移相传输线的电长度；
步骤7、将所述传输线特性参量转化为所述宽带负群时延微波电路对应传输线的物理尺寸；
步骤8、基于所述物理尺寸，在电磁数值仿真软件中对所述宽带负群时延微波电路进行建模与优化直至满足所述宽带负群时延微波电路的设计技术指标要求。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：
计算下支路信号分配传输线相对于上支路信号分配传输线的能量分配因子k对应的公式为：
<mrow>
<mi>k</mi>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mfrac>
<mrow>
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<mn>2</mn>
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<mo>(</mo>
<msub>
<mi>Tf</mi>
<mn>0</mn>
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<mi>n</mi>
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</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</msqrt>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：
计算所述宽带负群时延微波电路的插入损耗L对应的公式为：
<mrow>
<mi>L</mi>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
<mn>20</mn>
<mi>l</mi>
<mi>o</mi>
<mi>g</mi>
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<mo>(</mo>
<mfrac>
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<mn>2</mn>
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<mrow>
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<mo>+</mo>
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<mn>2</mn>
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</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
8.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：
计算第一隔离电阻与第二隔离电阻的电阻值R对应的公式为：
<mrow>
<mi>R</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mfrac>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
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<mi>k</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
9.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：
计算与所述宽带负群时延微波电路相对应的上支路信号分配传输线和上支路信号合成传输线的特性阻抗Z01、下支路信号分配传输线和下支路信号合成传输线的特性阻抗Z02、移相传输线的特性阻抗Z03、移相传输线的电长度θ，其各自对应的公式为
<mrow>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mn>01</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mn>0</mn>
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<msqrt>
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<mi>k</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<msup>
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</mrow>
</msqrt>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>Z</mi>
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<mo>=</mo>
<msub>
<mi>Z</mi>
<mn>0</mn>
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<msqrt>
<mfrac>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
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