CN111611758B - 一种Ti型低损耗负群时延电路及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明包括一种Ti型低损耗负群时延电路及设计方法，包括T型连接器，所述T型连接器一端连接第一微带线TL1，T型连接器Tee另一端连接第二微带线TL2，T型连接器下方连接第三微带线TL3，所述第三微带线TL3的下方连接耦合微带线CL；端口1、端口2分别为整个电路的输入、输出端口。本发明能够降低电路的损耗和反射，提高群时延，本发明还对负群时延电路进行了优化设计，最终可得：该NGD电路工作于S频段，在中心频率为2.2GHz时，电路的群时延为‑1.2ns，电路的插入损耗S21为‑2.1dB，电路的反射系数S11为‑12dB。

Description

一种Ti型低损耗负群时延电路及设计方法
技术领域
本发明属于微波工程技术，具体涉及一种Ti型低损耗负群时延电路及设计方法。
背景技术
时延是射频和微波通信系统快速发展的关键制约因素。负群时延电路可以用来均衡射频和微波通信系统的时延。负群时延电路是利用色散效应实现输出脉冲峰值超前输入脉冲峰值的微波电路。该电路有广泛的应用价值，如应用于阵列天线解决波束倾斜问题，应用于大功率前馈放大器增强效应，应用于滤波器实现时延的均衡，应用于射频信号长距离传输引起的信号衰减以及时延造成的信号失真问题。负群时延发生的衰减的极大值处，因此损耗是负群时延电路要解决的重要问题。最初的负群时延电路由RLC集总元件构成，损耗大于20dB,。为了解决损耗问题，由学者采用有源电路实现无损耗负群时延电路，但该电路无法应用在射频微波领域，最近有学者采用微带结构实现负群时延电路，但是损耗大于-10dB,并且结构复杂，很难从理论上进行网络分析和综合工作。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的在于提供一种能够降低负群时延电路的损耗和反射，提高群时延的Ti型低损耗负群时延电路；本发明的第二目的在于提供一种能够对负群时延电路进行优化的Ti型低损耗负群时延电路的设计方法。
技术方案：本发明包括T型连接器，所述T型连接器一端连接第一微带线TL1，T型连接器Tee另一端连接第二微带线TL2，T型连接器下方连接第三微带线TL3，第三微带线TL3的下方连接耦合微带线CL；端口1、端口2分别为整个电路的输入、输出端口。
所述负群时延电路在中心频率为2.2GHz时，电路的群时延为-1.2ns，电路的插入损耗S21为-2.1dB，电路的反射系数S11为-12dB。
本发明还包括一种Ti型低损耗负群时延电路的设计方法，包括以下步骤：
(1)计算T形连接器Tee、耦合微带线CL的S参数矩阵；
(2)根据S参数本身定义的归一化入射电压波和反射电压波来推出整个负群时延电路的S参数矩阵；
(3)计算出负群时延电路的插入损耗和反射系数/>
(4)由公式来求出电路的传输相位函数/>再由群时延定义来求出群时延函数τ(ω)；
(5)通过ADS仿真软件对负群时延电路的和τ(ω)进行仿真，经过电磁参数优化之后确定负群时延电路基本参数的尺寸。
步骤(1)中，根据微波电路理论计算耦合微带线CL的S参数矩阵计算公式为：
式中，a表示衰减损耗，ξ表示耦合微带线的耦合系数，s表示耦合微带线CL的间距，τ表示时延，/>
步骤(2)中，所述整个负群时延电路的S参数矩阵的表达式为：
步骤(3)中，所述负群时延电路的反射系数和插入损耗/>计算公式为：
其中，
式中，式中，a表示衰减损耗；ξ表示耦合微带线的耦合系数，s表示耦合微带线CL的间距；x(s)表示拉普拉斯变换式，其中s＝jw，D(s)表示中间参量。
步骤(5)中，所述仿真模型采用FR4板材，板材的厚度为1.6mm，介电常数为5.1，正切损耗角为0.02，且铜厚为0.035mm。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)降低了负群时延电路的损耗和反射，提高群时延；(2)本发明的设计方法对负群时延电路进行了优化，最终可得：该NGD电路工作于S频段，在中心频率为2.2GHz时，电路的群时延为-1.2ns，电路的插入损耗S21为-2.1dB，电路的反射系数S11为-12dB。
附图说明
图1本发明所述Ti型低损耗负群时延电路的电路原理图；
图2为图1的等效电路原理图；
图3为本发明所述Ti型低损耗负群时延电路的ADS模型图；
图4为本发明所述Ti型低损耗负群时延电路的群时延仿真结果示意图；
图5为本发明所述负群时延电路设计方法的S21仿真结果示意图；
图6为本发明所述负群时延电路设计方法的S11仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做进一步详细介绍。
如图1所示，本发明的负群时延电路包括T型连接器，T型连接器一端连接第一微带线TL1，T型连接器Tee另一端连接第二微带线TL2，T型连接器下方连接第三微带线TL3，第三微带线TL3的下方连接耦合微带线CL；端口1、端口2分别为整个电路的输入、输出端口。
本发明还包括一种Ti型低损耗负群时延电路的设计方法，包括以下步骤：
(1)计算T形连接器Tee、耦合微带线CL的S参数矩阵；
(2)根据S参数本身定义的归一化入射电压波和反射电压波来推出整个负群时延电路的S参数矩阵；
(3)计算出负群时延电路的插入损耗和反射系数/>
(4)由公式来求出电路的传输相位函数/>再由群时延定义来求出群时延函数τ(ω)；
(5)通过ADS仿真软件对负群时延电路的和τ(ω)进行仿真，经过电磁参数优化之后确定负群时延电路基本参数的尺寸。
如图2所示，根据S参数理论，给出了理想的T型连接器Tee的等效S参数矩阵：
此外，通过T型连接器Tee的输入/输出波功率am和bm(m＝{1,2,3})之间的关系可以通过用以下的等式来表达：
如图2所示，耦合微带线CL呈现出为端口号分别为3、4、5和6的四端口网络。用ζ表示耦合线的耦合系数，我们可以假设：
因此，根据耦合线的S参数理论，可以得到耦合线的S参数矩阵：
式中，a表示衰减损耗，ξ表示耦合微带线的耦合系数，s表示耦合微带线CL的间距，τ表示时延，/>其中，
其中，
这种与波端口am和bm有关的四维S-矩阵(m＝{3,4,5,6})可由以下所述关系表示：
本申请提出的负群时延电路是一个两端口网络，因此，整个电路的S参数矩阵可表示为：
由等式(1)-(8)，可以得到如下表达式：
因此，可以得到电路的反射系数与传输系数：
其中：
式中，式中，a表示衰减损耗；ξ表示耦合微带线的耦合系数，s表示耦合微带线CL的间距；x(s)表示拉普拉斯变换式，其中s＝jw，D(s)表示中间参量。
假设角频率变量ω取s＝jω。为了进行频域分析，我们将使用反射和透射系数的幅度:
S11(jω)＝S11(s) (13)
S21(jω)＝S21(s) (14)
传输相位为：
群时延表达式为：
因此，根据公式(16)，可以求得到整个电路的群时延。
表1.TI原型的物理和几何参数
如图3所示，ADS模型采用了FR4板材，该板材的厚度是1.6mm，尺寸是24mm×46mm，介电常数是5.1，正切损耗角为0.02，且铜厚为0.035mm。利用仿真软件ADS对提出的电路进行仿真设计优化，可得到如表1所示的NGD电路基本参数尺寸。
如图4至图6所示，基于ADS仿真软件对该NGD电路在2.1～2.3GHz进行仿真。由ADS仿真示意图可知：该NGD电路工作于S频段，在中心频率2.21GHz时，电路的群时延为-1.2ns，电路的插入损耗S21为-2.3dB,电路的反射S11约为-11.5dB；由计算示意图可知：该NGD电路工作于S频段，在中心频率2.2GHz时，电路的群时延为-2.3ns，电路的插入损耗S21为-1.6dB,电路的反射S11约为-15.7dB。计算与仿真值基本吻合。误差主要是由于计算模型考虑的是理想的Tee模型和耦合器模型，与实际电路模型有些差别，另外电路仿真也有一些误差。

Claims (8)

1.一种Ti型低损耗负群时延电路，其特征在于：包括T型连接器，所述T型连接器一端连接第一微带线TL1，T型连接器Tee另一端连接第二微带线TL2，T型连接器下方连接第三微带线TL3，所述第三微带线TL3的下方连接耦合微带线CL；所述第一微带线TL1连接端口1，第二微带线TL2连接端口2，端口1、端口2分别为整个电路的输入、输出端口。
2.根据权利要求1所述的Ti型低损耗负群时延电路，其特征在于：所述负群时延电路在中心频率为2.2GHz时，电路的群时延为-1.2ns，电路的插入损耗S21为-2.1dB，电路的反射系数S11为-12dB。
3.一种根据权利要求1所述Ti型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：
(1)计算T形连接器Tee、耦合微带线CL的S参数矩阵；
(2)根据S参数本身定义的归一化入射电压波和反射电压波来推出整个负群时延电路的S参数矩阵；
(3)计算出负群时延电路的插入损耗和反射系数/>
(4)由公式来求出电路的传输相位函数/>再由群时延定义来求出群时延函数τ(ω)；
(5)通过ADS仿真软件对负群时延电路的和τ(ω)进行仿真，经过电磁参数优化之后确定负群时延电路基本参数的尺寸。
4.根据权利要求3所述Ti型低损耗负群时延电路的设计方法，其特征在于：步骤(1)中，根据微波电路理论计算T形连接器Tee的S参数矩阵[SPWD]，计算公式为：
5.根据权利要求3所述Ti型低损耗负群时延电路的设计方法，其特征在于：步骤(1)中，根据微波电路理论计算耦合微带线CL的S参数矩阵[SCL(s)]，计算公式为：
式中，a表示衰减损耗，/>表示耦合微带线的耦合系数，s表示耦合微带线CL的间距，/>表示时延，/>
6.根据权利要求3所述Ti型低损耗负群时延电路的设计方法，其特征在于：步骤(2)中，所述整个负群时延电路的S参数矩阵[STi(s)]的表达式为：
7.根据权利要求3所述Ti型低损耗负群时延电路的设计方法，其特征在于：步骤(3)中，所述负群时延电路的反射系数和插入损耗/>计算公式为：
其中，
式中，a表示衰减损耗；表示耦合微带线的耦合系数，s表示耦合微带线CL的间距；x(s)表示拉普拉斯变换式，其中s＝jw，D(s)表示中间参量。
8.根据权利要求3所述Ti型低损耗负群时延电路的设计方法，其特征在于：步骤(5)中，所述ADS仿真软件中建立仿真模型，仿真模型采用FR4板材，板材的厚度为1.6mm，介电常数为5.1，正切损耗角为0.02，且铜厚为0.035mm。
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