CN111934075B - 基于多耦合线的三频带负群时延电路及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多耦合线的三频带负群时延电路及实现方法，由在FR4基板上镀铜的耦合微带线CL和镀铜的开路微带线TL组成；所述耦合微带线CL包括耦合微带线CL₁和耦合微带线CL₂，所述开路微带线TL包括开路微带线TL₁、开路微带线TL₂和开路微带线TL₃；所述耦合微带线CL与开路微带线TL₁组成为I形状；所述开路微带线TL₂和开路微带线TL₃组成结构闭合、倒立U形状；所述电路的实现方法包括如下步骤：(1)求得整个电路的S参数模型；(2)通过群时延与相位之间的关系求得群时延；(3)确定电路各个参数的尺寸。本发明实现了三个频带的负群时延，优化了群时延带宽和时延；降低电路的反射；减小NGD电路的损耗；提供了三频带负群时延电路的实现方法。

Description

基于多耦合线的三频带负群时延电路及实现方法

技术领域

本发明涉及三频带负群时延电路及实现方法，尤其涉及一种基于多耦合线的三频带负群时延电路及实现方法。

背景技术

现有的负群时延电路基本上可以分为两类：RLC电路和微带电路。其中RLC负群时延电路不可避免地受到关于元件固定值的限制，其次集总元件的寄生参数增加了在微波频率下的实现NGD电路的难度。因此，出现了由诸如传输线(TL)和耦合线(CL)等分布式元件实现的微带负群时延电路，但微带电路的损耗较大，其次在通信领域经常需要集成多个频段，而多个单频段NGD电路串联工作将大大增加电路尺寸。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种在三个频带实现了负群时延、电路损耗小的基于多耦合线的三频带负群时延电路。

技术方案：一种基于多耦合线的三频带负群时延电路，由在FR4基板上镀铜的耦合微带线CL和镀铜的微带线TL组成；耦合微带线CL包括耦合微带线CL₁和耦合微带线CL₂，微带线TL包括微带线TL₁、微带线TL₂和微带线TL₃；微带线TL₂由两端竖直微带线L₁和夹在微带线L₁之间的半圆形微带线R₁组成；微带线TL₃由两端竖直微带线L₂和夹在微带线L₂之间的半圆形微带线R₂组成；微带线TL₂、TL₃与耦合线CL₁上半部分、CL₂上半部分形成了倒立的U形；微带线TL₁和耦合线CL₁下半部分、CL₂下半部分以及两端的连接微带线d0组成了I形。微带线TL₁、TL₂和TL₃及CL₁、CL₂组成结构倒立IU形状。

进一步地，CL₁位于左边输入端口处，CL₂位于右边输出端口处。微带线TL₁连接耦合微带线CL₁端口4和耦合微带线CL₂的端口8，微带线TL₂连接耦合微带线CL₁端口3和耦合微带线CL₂的端口7，微带线TL₃连接耦合微带线CL₁端口2和耦合微带线CL₂的端口6，所有微带线的宽度相同。

进一步地，I形状与倒立U形状的间距是可调整的。

进一步地，等效电路的端口1和端口5是输入输出端口；端口3和端口7通过物理长度d₂,且特性阻抗为Z的有损TL₂连接；端口4和端口8通过物理长度d₁,且特性阻抗为Z的有损TL₁连接；端口2和端口6通过物理长度d₃,且特性阻抗为Z的有损TL₃连接。

进一步地，包括如下步骤：(1)推导出两条耦合线和三条传输线的S参数矩阵，求得整个电路的S参数模型；(2)根据求得电路的传输相位，再通过群时延与相位之间的关系

求得群时延；(3)确定电路各个参数的尺寸。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、实现了三个频带的负群时延，优化了群时延带宽和时延；2、降低电路的反射；3、减小NGD电路的损耗；4、提供了三频带负群时延电路的实现方法。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的NGD电路原理图；

图3为本发明的NGD电路ADS版图模型；

图4为本发明的NGD电路ADS版图的群时延仿真结果示意图；

图5为本发明的NGD电路的S₂₁仿真结果示意图；

图6为本发明的NGD电路的S₁₁仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

图1为本发明的NGD电路原理图。该NGD电路参考阻抗为R0＝50Ω。CL₁和CL₂的端口1和端口5是输入输出端口，端口3和端口7、端口4和端口8、端口2和端口6分别通过物理长度d₁d₂d₃且特性阻抗为Z的有损TL₁ TL₂,TL₃连接。波速v，物理长度d_m(m＝{1,...,3})与时延的关系可表示为

d_m＝vτ_m(1)

其中，τ_m为TL_m的传输延时。此外，原理图中的a_m和b_m(m＝{1,...,8})代表输入和输出功率。实现步骤如下：

步骤一，根据微波理论，CL的S参数矩阵可表示为

其中，k为CL的耦合系数，且必须满足0＜k＜1而k₁如下：

由于CL的传播延时较小，这里将它忽略不计。

根据TL理论，TL的ABCD矩阵表示为

ω是角频率。通过参考阻抗R₀，从ABCD到S矩阵变换可以得到相应的S参数：

为了降低数学复杂度，假设TL完全匹配，Z＝R₀。在这个假设下，(5)中引入的S矩阵可以重写为：

CL的S参数矩阵与波功率之间的相互作用关系如下：

TL₁、TL₂、TL₃的S-参数通过以下矩阵关系与TL端口入射和反射波相关联：

其中：

根据S参数理论，这种双端口NGD网络结合入射、反射波并通过以下矩阵关系来定义：

从矩阵方程(14)可以看出，通过计算输出波功率b1和b5，以及输入波功率a1和a5，可以得到整个电路的S参数模型。通过组合方程(2)、(7)、(13)和(14)，我们得到了(14)中引入的NGD电路的频率相关反射系数和传输系数：

为方便进一步分析电路，作以下假设：

将方程(16)代入(15)，可得传输系数为：

由于S₅₁(ω)＝|S₅₁(jω)|，(17)中的传输系数可由下式给出：

式(18)的根可以通过下列方程式的解来表示

步骤二，NGD的传输相位为

因此可以从(17)中的传输系数表达式中推导出。相位的表达式可详细写为：

公式(20)中：

由式(20)计算得群时延：

根据式(21)、(22)，有

因此，通过将方程(24)、(25)与(26)相关联，图1所示电路的最终群延迟可表示为

步骤三，图2为本发明结构示意图，并且该电路结构是对称结构。图3为本发明的NGD电路ADS版图模型，采用了FR4板材，该板材的厚度是1.6mm，尺寸是55mm×65mm，介电常数是4.4，正切损耗角为0.02，且镀铜厚为0.035mm。利用仿真软件ADS对本发明所述的NGD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：

表1 NGD电路基本参数尺寸

图4为本发明的NGD电路ADS版图的群时延仿真结果示意图；图5为本发明的NGD电路的S₂₁仿真结果示意图；图6为本发明的NGD电路的S₁₁仿真结果示意图；基于ADS电磁仿真软件对该NGD电路在2.45～4.5GHz进行仿真。由ADS仿真示意图可知：该NGD电路工作于S频段，在频率分别为2.6GHz,3.4GHz,4.25GHz时，存在约为-0.5ns,-0.48ns,-0.7ns的群时延，电路对应的损耗S₂₁分别约为-1.8dB,-2.1dB，-3.5dB，电路的反射S₁₁分别约为-22dB，-17dB，-14.5dB。由计算示意图可知，该NGD电路工作于S频段，在频率分别为2.62GHz，3.42GHz，4.23GHz时，存在约为-0.6ns,-0.48ns,-0.48ns的群时延，电路对应的损耗S₂₁分别约为-2.1dB,-2.5dB,-3.3dB,电路的反射S₁₁分别约为-22dB,-16dB,-15dB，计算值与仿真值基本吻合。

Claims (4)

1.一种基于多耦合线的三频带负群时延电路，其特征在于：由在FR4基板上镀铜的耦合微带线CL和镀铜的微带线TL组成；所述耦合微带线CL包括耦合微带线CL₁和耦合微带线CL₂，所述耦合微带线CL₁和CL₂分成平行的上/下两部分，所述微带线TL包括微带线TL₁、微带线TL₂和微带线TL₃；所述微带线TL₂由两端竖直微带线L₁和夹在微带线L₁之间的半圆形微带线R₁组成；所述微带线TL₃由两端竖直微带线L₂和夹在微带线L₂之间的半圆形微带线R₂组成；微带线TL₂、TL₃与耦合微带线CL₁上半部分、CL₂上半部分形成了倒立的U形；微带线TL₁和耦合微带线CL₁下半部分、CL₂下半部分以及两端的连接微带线d₀组成了I形，微带线TL₁、TL₂和TL₃及CL₁、CL₂组成结构倒立IU形状；

其中，所述耦合微带线CL₁位于左边输入端口处，所述耦合微带线CL₂位于右边输出端口处；所述微带线TL₁连接耦合微带线CL₁端口4和耦合微带线CL₂的端口8，所述微带线TL₂连接耦合微带线CL₁端口3和耦合微带线CL₂的端口7，所述微带线TL₃连接耦合微带线CL₁端口2和耦合微带线CL₂的端口6，所有微带线的宽度相同。

2.根据权利要求1所述的基于多耦合线的三频带负群时延电路，其特征在于，I形状与倒立U形状的间距是可调整的。

3.根据权利要求1所述的基于多耦合线的三频带负群时延电路，其特征在于，等效电路的端口1和端口5是输入输出端口；端口3和端口7通过物理长度d₂,且特性阻抗为Z的有损TL₂连接；端口4和端口8通过物理长度d₁,且特性阻抗为Z的有损TL₁连接；端口2和端口6通过物理长度d₃,且特性阻抗为Z的有损TL₃连接。

4.一种用于实现如权利要求1所述的基于多耦合线的三频带负群时延电路的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)推导出两条耦合线和三条传输线的S参数矩阵，求得整个电路的S参数模型；(2)根据求得电路的传输相位，再通过群时延与相位之间的关系

求得群时延；(3)确定电路各个参数的尺寸。

Images