CN110348113B - 一种基于并联微带线的低损耗负群时延电路及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于并联微带线的低损耗负群时延电路及其设计方法,所述电路为对称结构,包括四条环形微带线ILk,k={1,2,3,4}、对称耦合微带线、第一负载、第二负载、第一信号源和第二信号源,其中微带线IL1、微带线IL3和微带线IL4的大小相同,所述微带线IL1、对称耦合微带线上导带和微带线IL3依次串联,所述微带线IL2、对称耦合微带线下导带和微带线IL4依次串联。所述的半环形微带线IL1和半环形微带线IL2构成环形,半环形微带线IL3和半环形微带线IL4构成环形。
Description
技术领域
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
20世纪早期,美国科学家A.Sommerfeld和L.Brillouin提出了群时延为负的可能性后,在相当长的一段时间内“负群时延”颇受争议,直到贝尔实验室的Chu和Wong第一次在激光脉冲穿过GaP:N样品的实验中观察到了负群速。此后,在其他光学、量子试验中,群速为负或大于光速也被多次被证实。进入二十世纪后,随着左手材料等新型材料的发展和对通信系统性能的要求越来越高,更多的研究人员开始对群时延展开研究。尤其是近些年来,负群时延电路因其特殊的性能和在前馈放大器、天线阵列等领域的广泛应用,吸引了世界各国研究者的注意,成为又一个研究热点。
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
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,基于微波工程理论,为了降低负群时延电路的损耗和反射,提高群时延,提供一种基于并联微带线的低损耗负群时延电路及其设计方法。
为实现上述技术目的,本发明采取的技术方案为:
一种基于并联微带线的低损耗负群时延电路,所述电路为对称结构,包括四条半环形微带线ILk,k={1,2,3,4}、对称耦合微带线、第一负载、第二负载、第一信号源和第二信号源,所述半环形微带线IL1、对称耦合微带线上导带和半环形微带线IL3依次串联,所述半环形微带线IL2、对称耦合微带线下导带和半环形微带线IL4依次串联,信号从第一信号源出发,流入第一负载,经过端口一分别流入微带线IL1和微带线IL2,最后在端口二处汇合并流入第二负载,第二负载与第二信号源连接,所述的半环形微带线IL1和半环形微带线IL2构成环形,半环形微带线IL3和半环形微带线IL4构成环形。
为优化上述技术方案,采取的具体措施还包括:
上述的电路尺寸为19mm×46mm,所述第一负载和第二负载均为50Ω。
上述的半环形微带线IL1、IL3和IL4的直径D和宽度w3相同,其分别为9.55mm和1.5mm,所述半环形微带线IL2的直径D和宽度w1分别为9.55mm和1mm,连接微带线IL1和IL2以及连接微带线IL3和IL4的连接线长度相同,该连接线的长度L2为4.5mm,该连接线外端连接有端口连接线,所述端口连接线的长度L3和宽度w4分别为3mm和2mm,对称耦合微带线的长度L1和宽度w2分别为15mm和1.5mm,两导带之间的距离S为1.5mm。
上述的电路工作于L频段,在中心频率1.625GHz时,电路的群时延为-1.3ns,电路的损耗S21为-1.4dB,电路的反射S11为-20dB、S22为-17dB。
一种基于并联微带线的低损耗负群时延电路的设计方法,包括以下步骤:
S1:由微带传输线和耦合线理论,可得四条微带线的A参数矩阵以及耦合线的Y参数矩阵;
S2:由微波工程中A参数、Y参数与S参数之间的关系,可推出整个电路的S参数,从而得到电路的插入损耗S21和反射系数S11:
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的电长度θ以及特征阻抗Z1,微带线IL2的电长度θ以及特征阻抗Z0,微带线IL3的电长度θ以及特征阻抗Z1,微带线IL4的电长度θ以及特征阻抗Z1,耦合微带线的偶模特征导纳Y0O和奇模特征导纳Y0θ以及电长度θ的调整优化之后可以确定该负群时延电路的尺寸。
上述的步骤S1具体为:
S11:根据微带传输线和耦合线理论可知:微带线的A参数矩阵和耦合线的Y参数矩阵分别为:
上述的步骤S2具体为:
S21:由微波工程原理并结合S参数的理论知识可得电路S参数如下所示:
其中,R0为参考电阻,式(4)中的A1、B1、C1、D1的表达式如下所示:
A1=Y1+Y2 cos2θ+Y3 cos4θ (7)
其中:
H2=H4=2Y0o-H1-(Z0+3Z1)Y0oY0e (19)
其中:Z0为微带线IL2的特征阻抗,Z1为微带线IL1、IL3和IL4的特征阻抗。
上述步骤S3的具体公式为:
S31:根据电路系统理论,设jω为电路的角频率,该电路群时延公式可由式(5)、(6)得到。
本发明的有益效果:
为了实现电路的小型化,降低电路的损耗和反射,提高群时延带宽和时延,设计了一种基于并联微带线的低损耗负群时延电路及其设计方法,并对设计的电路进行优化设计,最终可得:该电路工作于L频段,在中心频率1.625GHz时,电路的群时延为-1.3ns,电路的损耗S21为-1.4dB,电路的反射S11为-20dB、S22为-17dB。可被用于前馈线性放大器中减小尺寸以及提高效率,可解决阵列天线中消除波束倾斜问题。
附图说明
图1本发明的电路原理图;
图2为本发明电路的结构示意图;
图3为本发明电路HFSS模型;
图4为本发明电路的群时延仿真结果示意图;
图5为本发明电路的S21仿真结果示意图;
图6为本发明电路的S11仿真结果示意图;
图7为本发明电路的S22仿真结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示,本发明为一种基于并联微带线的低损耗负群时延电路,所述电路为对称结构,包括四条环形微带线ILk,k={1,2,3,4}、对称耦合微带线、第一负载、第二负载、第一信号源和第二信号源,其中微带线IL1、微带线IL3和微带线IL4的大小相同,所述微带线IL1、对称耦合微带线上导带和微带线IL3依次串联,所述微带线IL2、对称耦合微带线下导带和微带线IL4依次串联,信号从第一信号源出发,流入第一负载,经过端口1分别流入微带线IL1和微带线IL2,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。
一种基于并联微带线的低损耗负群时延电路的设计方法,包括以下步骤:
S1:由微带传输线和耦合线理论,可得四条微带线的A参数矩阵以及耦合线的Y参数矩阵;
本实施例中,步骤S1具体为:
S11:根据微带传输线和耦合线理论可知:微带线的A参数矩阵和耦合线的Y参数矩阵分别为:
S2:由微波工程中A参数、Y参数与S参数之间的关系,可推出整个电路的S参数,从而得到电路的插入损耗S21和反射系数S11;
本实施例中,步骤S2具体为:
S21:由微波工程原理并结合S参数的理论知识可得电路S参数如下所示:
其中,R0为参考电阻,式(4)中的A1、B1、C1、D1的表达式如下所示:
A1=Y1+Y2 cos2θ+Y3 cos4θ (7)
其中:
H2=H4=2Y0o-H1-(Z0+3Z1)Y0oY0e (19)
其中:Z0为微带线IL2的特征阻抗,Z1为微带线IL1、IL3和IL4的特征阻抗。
本实施例中,步骤S3具体为:
S31:根据电路系统理论,设jω为电路的角频率,该电路群时延公式可由式(5)、(6)得到。
如图2和图3所示,本发明电路结构是对称结构。
HFSS对该电路尺寸的优化结果如下表所示:
表1.电路基本参数尺寸
环形微带线IL1、IL2、IL3和IL4的直径相同且都为D,其中环形微带线IL1、IL3和IL4的宽度相同且都为w3;其中微带线IL2的宽度为w1;对于对称耦合微带线而言,L1和w2和分别是该耦合微带线的长度和宽度,S是该耦合微带线上下两导带之间的距离;L3和w4分别是两端口连接线的长度和宽度。
本实施例中,电路HFSS模型,采用FR4板材,该板材的厚度是1.6mm,尺寸是19mm×46mm,介电常数是4.5,正切损耗角为0.02,且铜厚为0.035mm。
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。
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,该电路工作于L频段,在中心频率1.625GHz时,电路的群时延为-1.3ns,电路的插入损耗S21为-1.4dB,电路的反射系数S11为-20dB、S22为-17dB。
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。
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。
Claims (2)
1.一种基于并联微带线的低损耗负群时延电路,其特征在于:所述电路为对称结构,包括四条半环形微带线ILk,k={1,2,3,4}、对称耦合微带线、第一负载、第二负载、第一信号源和第二信号源,所述半环形微带线IL1、对称耦合微带线上导带和半环形微带线IL3依次串联,半环形微带线IL2、对称耦合微带线下导带和半环形微带线IL4依次串联,信号从第一信号源出发,流入第一负载,经过端口一分别流入微带线IL1和微带线IL2,最后在端口二处汇合并流入第二负载,第二负载与第二信号源连接,所述的半环形微带线IL1和半环形微带线IL2构成环形,半环形微带线IL3和半环形微带线IL4构成环形;所述电路尺寸为19mm×46mm,所述第一负载和第二负载均为50Ω;所述半环形微带线IL1、IL3和IL4的直径D和宽度w3相同,其分别为9.55mm和1.5mm,所述半环形微带线IL2的直径D和宽度w1分别为9.55mm和1mm,连接微带线IL1和IL2以及连接微带线IL3和IL4的连接线长度相同,该连接线的长度L2为4.5mm,该连接线外端连接有端口连接线,所述端口连接线的长度L3和宽度w4分别为3mm和2mm,对称耦合微带线的长度L1和宽度w2分别为15mm和1.5mm,两导带之间的距离S为1.5mm;所述电路工作于L频段,在中心频率1.625GHz时,电路的群时延为-1.3ns,电路的插入损耗S21为-1.4dB,电路的反射系数S11为-20dB、S22为-17dB。
2.一种如权利要求1所述的基于并联微带线的低损耗负群时延电路的设计方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:由微带传输线和耦合线理论,可得四条微带线的A参数矩阵以及耦合线的Y参数矩阵;
S2:由微波工程中A参数、Y参数与S参数之间的关系,可推出整个电路的S参数,从而得到电路的插入损耗S21和反射系数S11:
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的电长度θ以及特征阻抗Z1,微带线IL2的电长度θ以及特征阻抗Z0,微带线IL3的电长度θ以及特征阻抗Z1,微带线IL4的电长度θ以及特征阻抗Z1,耦合微带线的偶模特征导纳Y0O和奇模特征导纳Y0θ以及电长度θ的调整优化之后可以确定该负群时延电路的尺寸;
步骤S1具体为:
S11:根据微带传输线和耦合线理论可知:微带线的A参数矩阵和耦合线的Y参数矩阵分别为:
步骤S2所述插入损耗S21和反射系数S11公式如下:
S21:由微波工程原理并结合S参数的理论知识可得电路S参数如下所示:
其中,R0为参考电阻,式(4)中的A1、B1、C1、D1的表达式如下所示:
A1=Y1+Y2cos2θ+Y3cos4θ(7)
其中:
H2=H4=2Y0o-H1-(Z0+3Z1)Y0oY0e(19)
其中:Z0为微带线IL2的特征阻抗,Z1为微带线IL1、IL3和IL4的特征阻抗;
步骤S3所述群时延函数τ(ω)公式如下;
S31:根据电路系统理论,设ω为电路的角频率,该电路群时延公式可由式(5)、(6)得到。
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