CN108566175B - 可调负群时延电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调负群时延电路，旨在提供一种结构简单，电路插入损耗小，无需输入输出匹配电路的负群时延电路。本发明可调负群时延电路包括：串联在输入端口与输出端口之间的一段微带线和N个谐振频率及无载品质因数可调节的介质谐振器，其中：N个可调介质谐振器等效为N个不同的并联RLC谐振电路，位于微带线旁，与微带线同体固定在同一印制板上；N个介质谐振器工作在横电波TE模式，通过无线耦合接入微带线，与微带线耦合后，在N个介质谐振器的谐振频率附近产生N频段负群时延；可调负群时延电路的输入端口阻抗、输出端口阻抗与微带线阻抗相同。本发明可广泛应用于需要负群时延及可调负群时延的技术领域。

Description

可调负群时延电路
技术领域
本发明涉及一种能够被应用于射频微波电路、通信、导航、测量、雷达等技术领域的负群时延电路，特别是微带耦合介质谐振器的可调负群时延电路。
背景技术
群时延是用来表示信号在传输系统中相位线性度的一个非常重要的参数，尤其是在射频微波领域。群时延具体指的是群信号通过传输系统或者传输网络时，信号整体所产生的时延大小，它强调的是信号整体包络的传输时间，所以有时也称为包络延迟。近年来,负群时延现象已在电子电路中实现,并在各种通信系统、前馈放大器、天线阵列等领域得到广泛应用，吸引了世界各国研究者的注意，成为又一个研究热点。负群时延电路使用在相控阵天线阵列的馈电系统中，能够消除波数偏斜的问题。负群时延电路在前馈放大器中使用可以减小延迟线的长度，甚至可以完全取代延迟线。负群时延电路的其他应用包括实现宽带恒相位响应、改善高速互联信号的完整性、实现负阻器件等。早期报道的负群时延电路基本上都是采用集总元件(电阻、电容、电感)设计。为了克服集总元件工作频率上限低的缺点,目前的负群时延电路主要有基于左手材料、谐振器与耦合微带线3种主要组成形式，这些电路的主要问题在于其固有的高损耗、窄带宽特点及负群时延值极限。
随着技术的深入发展，通信、导航等电子系统对负群时延电路的可调性要求也越来越高。常见的可调负群时延电路主要采用RLC电路实现，通过改变电阻R或者电容C的值来实现负群时延值或负群时延频率的调节。例如，现有技术公开的“一种分布式可调负群时延电路”，利用电阻加载的方式实现负群时延值的调节，采用可调电阻来实现负群时延大小的调节。该结构虽然可以同时调节中心频率和负群时延,但其调节范围比较窄，采用的集总电阻导致插入损耗增大，损耗高达20dB。为了改善回波损耗，现有技术提出了一种“具有稳定插入损耗的电可调负群时延电路”，采用具有输入/输出阻抗匹配及阻抗变换器的可调负群时延电路，用变容二极管来实现负群时延值的调节，其不足之处是结构形式略显复杂，需要额外的有源偏置电路，且只能实现可调的负群时延。受限于集总元件的使用，以上两种电路均需要输入输出匹配电路，增加了设计上的资源与难度，在大于10GHz的高频段应用也受到限制。
因此，有必要提出一种结构形式简单，应用频段宽，插入损耗小，且无需输入输出匹配电路的可调负群时延电路。
发明内容
本发明的目的是针对现有可调负群时延电路的不足之处，提供一种结构简单，应用频段宽，电路插入损耗小，无需输入输出匹配电路的可调负群时延电路。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种可调负群时延电路，包括：串联在输入端口与输出端口之间的一段微带线和N个谐振频率及无载品质因数可调节的介质谐振器，其特征在于：上述N个可调介质谐振器等效为N个不同的并联RLC谐振电路，位于微带线旁，与微带线同体固定在同一印制板上；上述N个介质谐振器工作在横电波TE模式，通过无线耦合接入微带线，与微带线耦合后，在上述N个介质谐振器的谐振频率附近产生N频段负群时延，且N≥1；上述可调负群时延电路的输入端口阻抗、输出端口阻抗与微带线阻抗相同。
本发明相比于现有技术相比具有如下有益效果：
结构简单，应用频段宽。本发明在微带线的旁边设置N个谐振频率及无载品质因数可调节的介质谐振器，可同时产生多频段负群时延，实现方法简单。
电路插入损耗小，无需输入输出匹配电路。本发明输入端口阻抗、输出端口阻抗与微带线阻抗相同，可同时满足低插入损耗与较好的回波损耗性能而不需要输入输出匹配电路。仿真结果表明:在中心频率11.5GHz与13.7GHz附近,该电路可配置分别获得-0.5ns与-0.44ns 的负群时延值,其最大信号衰减在3.5dB范围内，回波损耗优于-11dB。同时中心频率11.5 GHz处的负群时延值可调节，中心频率可调节。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明可调负群时延电路的整体结构示意图。
图2是图1的任一个可调介质谐振器与微带线耦合的等效电路示意图。
图3是图1的一个具体实施例的构造示意图。
图4是图3可调负群时延电路群时延性能曲线示意图。
图5是图3可调负群时延电路插入损耗S21性能曲线示意图。
图6是图3可调负群时延电路输入回波损耗S11性能曲线示意图。
图7是图3可调负群时延电路输出回波损耗S22性能曲线示意图。
图中：输入端口1，微带线2，输出端口3，圆柱形介质谐振器4，圆柱形介质谐振器5，可调长度金属螺钉6，可调长度金属螺钉7。
下面将结合附图，对本发明的技术方案及实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的的实施例中，一种可调负群时延电路，包括：输入端口、一段微带线、N个可调介质谐振器(N为整数且N≥1)、输出端口，其中：输入端口与微带线的输入端口连接，输出端口与微带线的输出端口连接。N个可调介质谐振器中的任一可调介质谐振器i(1≤i≤N)的谐振频率与无载品质因数可调，位于微带线旁边。可调介质谐振器i工作在横电波TE模式，通过无线耦合接入微带线。输入端口阻抗、输出端口阻抗与微带线阻抗相同。所述的无线耦合方式包括但不限于磁力线耦合。
所述的可调介质谐振器包括：一个圆柱形介质谐振器以及一个置于圆柱形介质谐振器上方的可调长度的金属螺钉。所述金属螺钉的长度调节方式为电调节、机械调节、磁场调节或人工调节中的任一种。
参阅图2。作为本发明电路图1的工作原理显示了任一可调介质谐振器i与一段微带线耦合的等效电路。图中，可调介质谐振器i等效为等效电阻Ri、等效电感Li、等效电容Ci并联的RLC谐振电路，可调介质谐振器i与微带线的耦合参量为Ki。不失一般性，这里定义散射参数S参数包括：输入回波损耗S11，输出回波损耗S22，插入损耗S21，反向隔离S12。图2电路的S参数可表示为：
Figure BDA0001608656200000031
Figure BDA0001608656200000032
Figure BDA0001608656200000033
式中，Z(ω)为可调介质谐振器i耦合入微带线后的等效阻抗，ω为角频率，θi1与θi2为耦合点到输入端口与输出端口的微带线电长度，Z0为微带线的阻抗，e为自然对数的底，j为虚数单位。其中，2θ＝θi1+θi2为微带线的总电长度。
Figure BDA0001608656200000041
式中，Ki为可调介质谐振器i与微带线的耦合参量，ωi为可调介质谐振器i的谐振频率， Qi为可调介质谐振器i的无载品质因数，Li为可调介质谐振器i的等效电感。
可调介质谐振器i的谐振频率ωi表示为：
Figure BDA0001608656200000042
可调介质谐振器i的无载品质因数Qi表示为：
Figure BDA0001608656200000043
为使图2可调负群时延电路同时满足插入损耗及回波损耗的要求，设其回波损耗幅度上限为a,插入损耗幅度下限为b，即
Figure BDA0001608656200000044
Figure BDA0001608656200000045
根据以上两式，要求Z(ω)满足
Figure BDA0001608656200000046
群时延τ表示为：
Figure BDA0001608656200000047
其中，∠S21为插入损耗S21的辐角，表示为
∠S21＝∠S12＝-2θ-∠(2+Z(ω)/Z0) (11)
为使图2可调负群时延电路群时延谐振频率ωi附近的角频率ωi+Δω为负，即τ＜0，要求Z(ω)满足
Figure BDA0001608656200000048
Δω表示相对ωi的频率偏移量。
公式(1)～(12)显示图2可调负群时延电路的S参数、群时延是谐振频率ωi、无载品质因数Qi的函数；谐振频率ωi、无载品质因数Qi是可调介质谐振器i等效电阻Ri、等效电感Li、等效电容Ci的函数。由于图2电路为图1电路的等效电路，因此本发明的原理为：调节可调介质谐振器i的金属螺钉长度即改变了可调介质谐振器i等效RLC电路中等效电阻Ri、等效电感Li、等效电容Ci的值，并进一步改变了可调介质谐振器i的谐振频率ωi与无载品质因数Qi，从而改变了本发明图1电路的S参数与负群时延值。
结合图1，参考图2，当一段微带线与N个不同的介质谐振器耦合时，每个谐振器都可等效为不同的并联RLC谐振电路。根据公式(1)～(12)类推，图1电路的S参数和群时延是N个介质谐振器的谐振频率(ω1...ωN)及无载品质因数(Q1...QN)的函数，并可在N个介质谐振器的谐振频率(ω1...ωN)附近产生N个频段的负群时延，因此本发明具有在多个频段产生负群时延的特点。
公式(9)说明了本发明图1电路在没有输入输出匹配电路的情况下可同时满足插入损耗及回波损耗的要求，这体现了本发明的优势。
公式(4)，(12)给出了本发明图1电路群时延为负值时对可调介质谐振器谐振频率ωi，无载品质因数Qi，传输线阻抗Z0，传输线电长度θ，可调介质谐振器i与微带线的耦合参量Ki的约束条件。
参阅图3。一种可调负群时延电路包括：输入端口1，微带线2，输出端口3，圆柱形介质谐振器4，圆柱形介质谐振器5，可调长度金属螺钉6，可调长度金属螺钉7。输入端口1与微带线2输入端口相连，输出端口3与微带线2输出端口相连。圆柱形介质谐振器4与圆柱形介质谐振器5设置在微带线2旁，且二者的底面与微带线2处于同一平面，高度方向与微带线2所在平面垂直。圆柱形介质谐振器4与圆柱形介质谐振器5通过无线耦合接入微带线2。可调长度金属螺钉6与可调长度金属螺钉7也为圆柱形，分别位于圆柱形介质谐振器4与圆柱形介质谐振器5正上方。微带线2的阻抗与输入端口1、输出端口3的阻抗相同，均为50欧姆。调节可调长度金属螺钉6与可调长度金属螺钉7的长度即可对图3电路的S参数、群时延值进行调节。在以下图4～图7的电磁仿真结果中，仅对可调长度金属螺钉6的长度H1进行了调节。
图4为图3电路模型经电磁仿真软件仿真得到的群时延参数性能。图中可见，电路在两个频段处显示了负群时延特性。其中，高频段的中心频率为13.7GHz,群时延为-0.44ns。低频段的中心频率可调节：当可调长度金属螺钉6的长度分别为1mm,1.3mm与1.6mm，低频段的中心频率分别为11.5GHz,11.55GHz与11.6GHz，群时延为-0.5ns。
结合图4，当可调长度金属螺钉6的长度分别为1mm和1.3mm时，11.5GHz处的群时延值分别为-0.5ns与-0.18ns，因此电路同时具有负群时延值可调整的特征。
图5为图3电路经电磁仿真软件仿真得到的插入损耗S21性能。图中可见，电路在两个谐振频率中心处插入损耗最大，但不超过3.5dB,显示出了低插入损耗的优点。
图6，图7为图3电路经电磁仿真软件仿真得到的输入回波损耗S11性能与输出回波损耗S22性能。图中可见，低频段的输入输出回波损耗优于-11dB,高频段的输入输出回波损耗优于- 12dB，因此本实施例不需要额外输入输出匹配电路即可获得较好的回波损耗性能。
图3～图7显示本具体实施例在没有输入输出匹配电路的情况下同时具备低插入损耗与较好的回波损耗性能，与现有需要匹配的负群时延电路相比显示出了结构简单的优点，可减少设计上的复杂度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种可调负群时延电路，包括：串联在输入端口与输出端口之间的一段微带线和N个谐振频率及无载品质因数可调节的介质谐振器，其特征在于：上述N个可调介质谐振器等效为N个不同的并联RLC谐振电路，位于微带线旁，与微带线同体固定在同一印制板上；上述N个可调 介质谐振器工作在横电波TE模式，通过无线耦合接入微带线，与微带线耦合后，在上述N个可调 介质谐振器的谐振频率附近产生N频段负群时延；且N≥1；调节可调介质谐振器i的金属螺钉长度改变可调介质谐振器i等效RLC电路中等效电阻Ri、等效电感Li和等效电容Ci的值，进而改变可调介质谐振器i的谐振频率ωi与无载品质因数Qi和S参数与负群时延值。
2.根据权利要求1所述的可调负群时延电路，其特征是，所述的可调介质谐振器包括：一个圆柱形介质谐振器以及一个置于圆柱形介质谐振器上方的可调长度的金属螺钉，且所述金属螺钉的长度调节方式为电调节、机械调节、磁场调节或人工调节中的任一种。
3.根据权利要求1所述的可调负群时延电路，其特征是，所述可调负群时延电路的输入端口阻抗、输出端口阻抗与微带线阻抗相同，所述的无线耦合方式包括但不限于磁力线耦合。
4.根据权利要求1所述的可调负群时延电路，其特征是，所述N个可调介质谐振器中的任一可调介质谐振器i等效为等效电阻Ri、等效电感Li、等效电容Ci并联的RLC谐振电路，可调介质谐振器i与微带线的耦合参量为Ki,所述可调负群时延电路的输入回波损耗S11，输出回波损耗S22，插入损耗S21，反向隔离S12表示为：
Figure FDA0003052777740000011
Figure FDA0003052777740000012
Figure FDA0003052777740000013
式中，Z(ω)为可调介质谐振器i耦合入微带线后的等效阻抗，ω为角频率，θi1与θi2为耦合点到输入端口与输出端口的微带线电长度，Z0为微带线的阻抗，e为自然对数的底，j为虚数单位，2θ为微带线的总电长度，1≤i≤N。
5.根据权利要求1或4所述的可调负群时延电路，其特征是，微带线的总电长度为2θ＝θi1+θi2。
6.根据权利要求4所述的可调负群时延电路，其特征是，所述等效阻抗为
Figure FDA0003052777740000021
式中，Ki为可调介质谐振器i与微带线的耦合参量，ωi为可调介质谐振器的谐振频率，Qi为可调介质谐振器的无载品质因数，Li为可调介质谐振器i的等效电感。
7.根据权利要求6所述的可调负群时延电路，其特征是，可调介质谐振器i的谐振频率ωi表示为：
Figure FDA0003052777740000022
可调介质谐振器i的无载品质因数Qi表示为：
Figure FDA0003052777740000023
8.根据权利要求4所述的可调负群时延电路，其特征是，所述可调负群时延电路的回波损耗幅度上限为a,插入损耗幅度下限为b，可调介质谐振器i耦合入所述微带线后的等效阻抗满足关系：
Figure FDA0003052777740000024
9.根据权利要求4所述的可调负群时延电路,其特征是，所述可调负群时延电路的群时延在谐振频率ωi附近的角频率ωi+Δω处为负，微带线的电长度θ与所述可调介质谐振器i耦合入所述微带线后的等效阻抗Z(ω)满足关系：
Figure FDA0003052777740000025
Δω表示相对ωi的频率偏移量。
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