CN113922779B - 一种基于巴伦结构的负群时延电路及群时延方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于巴伦结构的负群时延电路及群时延方法，应用于电子通信技术领域，针对现有负群时延电路通常由周期电路实现，电路的尺寸与工作频率的波长相关，从而在较低的频率下难以实现小型化，影响了电路的实际应用的问题，本发明采用的平面巴伦电路包括：一个非平衡线圈和两个平衡线圈；所述非平衡线圈包括左右对称的两个螺旋子线圈；两个平衡线圈呈左右对称，两个平衡线圈为螺旋状且分别嵌于非平衡线圈左右两个螺旋子线圈中；采用本发明的结构使得在较低的频率下可以通过现有的芯片工艺进行负群时延电路的加工实现。

Description

一种基于巴伦结构的负群时延电路及群时延方法
技术领域
本发明属于电子通信技术领域，特别涉及一种负群时延电路技术。
背景技术
对于宽带信号而言，不同频率的传输相位是不尽相同的，这种现象被称为群时延现象。群时延的概念是由H.Nyuistand在20世纪30年代首次提出，在绝大多数的传统电路元件(比如微波传输线、电容或电感等)组成的网络中，由于传输相位往往随着频率的增加而减小，因此这些网络的响应均会呈现出正的群时延特性TP53。然而，随着现代电子系统的运行速度愈发加快，工作频率逐渐升高，人们往往不希望在电路系统中获得额外的群时延。有研究表明，在异向发射机中，系统的线性度会由于群时延的引入而大幅下降；在脉冲射频系统中，群时延色散效应也导致了明显的信号失真；除此之外，群时延还会恶化通信系统中的噪声特性。
尽管群时延给通信系统带来了如此大的限制，但是在很多应用情况下，这些缺陷通常难以避免。例如在微波传输线中，人们往往无法实现一条对所有频率的相位响应均为固定值的微带线；在晶体管加工及使用过程中，由于寄生参数的引入，必然会导致电容等寄生参量的出现，以上的非理想特性及寄生参量会使得电路参数恶化并引入正群时延时间。因此，人们愈发迫切地希望能够找到一种方法来弥补这种缺陷并对正的群时延进行反向补偿。在这样的大背景下，负群时延电路应运而生。
随着研究的深入，人们对负群时延电路的理解也更加透彻。近年来的研究表明，通过合理地使用负群时延电路，可以有效地提升移相器的带宽，优化放大器的线性度。因此，在近几年的研究中，负群时延电路的实现已经成为了学术界及工业界所研究的热点之一。但是现有的大部分负群时延电路都是通过周期性结构实现的，电路中含有大量的与工作波长相关的传输线，这就导致了当工作频率较低的时候电路的尺寸极大，难以满足芯片小型化的要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于巴伦结构的负群时延电路及群时延方法。
本发明采用的技术方案为：一种基于巴伦结构的负群时延电路，包括：一个平面巴伦电路、匹配电阻R1、匹配电阻R2、接地电容C1、接地电容C2；
所述平面巴伦电路包括：一个非平衡线圈和两个平衡线圈；所述非平衡线圈包括左右对称的两个螺旋子线圈；两个平衡线圈呈左右对称，两个平衡线圈为螺旋状且分别嵌于非平衡线圈左右两个螺旋子线圈中；
两个平衡线圈的内端口通过金属导线连接，两个平衡线圈分别记为第一平衡线圈与第二平衡线圈；第一平衡线圈的外端口作为输入端口，输入端口通过匹配电阻R1接地；第二平衡线圈的外端口作为输出端口，输出端口通过匹配电阻R2接地；
非平衡线圈的第一内端口通过接地电容C1接地，非平衡线圈的第二内端口通过接地电容C2接地，非平衡线圈的的中间点接地。
非平衡线圈的长度等于两个平衡线圈长度之和。
非平衡线圈与两个平衡线圈的线宽相同。
非平衡线圈与两个平衡线圈的的金属厚度相同。
记非平衡线圈的长度为l，线宽为w，金属厚度为t，非平衡线圈的自感为Ls，则一个平衡线圈的自感为Ls/2，Ls的计算式如下：
Figure BDA0003302843530000021
其中，nH表示电感单位纳亨。
记非平衡线圈与平衡线圈之间的互导为M，其计算式为：
M＝2lQm(nH)
其中
Figure BDA0003302843530000022
Figure BDA0003302843530000023
其中，d表示为线圈的宽度与间距之和。
d＝w+s，s为两线圈之间的间距。
记非平衡线圈与平衡线圈间的耦合电容为Cps，其计算式为：
Figure BDA0003302843530000024
其中，εpo为介质基板的介电常数，F为电容单位法。
一种基于上述负群时延电路实现单频带负群时延的方法，当接地电容C1、接地电容C2电容值相等，记为Cx；负群时延电路在频率ω0处获得目标为τ0的负群时延值，其中Cx根据下式确定：
Figure BDA0003302843530000031
一种基于上述负群时延电路实现双频带负群时延的方法，当接地电容C1、接地电容C2电容值不相等；负群时延电路在频率ω1，ω2处获得目标为τ1，τ2的负群时延值，其中接地电容C1、接地电容C2电容值根据下式确定：
Figure BDA0003302843530000032
Figure BDA0003302843530000033
根据输入输出阻抗确定匹配电阻R1与匹配电阻R2的阻值。
本发明的有益效果：本发明的基于巴伦结构的负群时延电路，采用的平面巴伦电路包括：一个非平衡线圈和两个平衡线圈；所述非平衡线圈包括左右对称的两个螺旋子线圈；两个平衡线圈呈左右对称，两个平衡线圈为螺旋状且分别嵌于非平衡线圈左右两个螺旋子线圈中；采用本发明的结构可以避免传统负群时延电路四分之一波长线的使用，从而消除了波长对电路尺寸的相关性，进而下可以通过现有的芯片工艺进行高集成度的负群时延电路的加工实现；
本发明的负群时延电路可以在传统GaAs工艺下进行加工和制造，本发明的负群时延电路为一种单频带或双频带的负群时延芯片。
附图说明
图1是基于巴伦结构的负群时延芯片电路图；
图2是基于巴伦结构的负群时延芯片等效电路模型；
图3是本发明的单频点工作状态下的负群时延图；
图4是本发明的单频点工作状态下的输入输出回波特性图；
图5是本发明的双频点工作状态下的负群时延图；
图6是本发明的单频点工作状态下的输入输出回波特性图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示为本发明的一种基于巴伦结构的负群时延电路，包括：一个平面线圈巴伦、两个匹配电阻R1和R2和两个接地电容C1和C2。输入端口为input，输出端口为output。
为了充分说明图1的工作原理，首先必须对电路进行建模，将巴伦的等效电路提取出来，从图1中可以看出，本发明的一个平面巴伦电路是由一个长度为l的非平衡线圈和两个长度为l/2的平衡线圈组成的，所有的线宽度均为w，线圈的金属厚度均为t，非平衡线圈和平衡线圈之间的间距为s。
对该电路进行建模，所建的模型如图2所示，为了简化分析过程，巴伦的模型只考虑了在模型中起主导作用的自感Ls，互感M及线圈间的耦合电容Cps。这些值与物理尺寸的关系如下所示：
Figure BDA0003302843530000041
其中，l表示巴伦线圈的线长，w表示巴伦线圈的线宽，t表示巴伦线圈的金属厚度。
非平衡线圈与平衡线圈之间的互导M与线长度和间距的代数平均值(GMD)有着密切关系，参数之间需要满足下列的关系式：
M＝2lQm(nH)
其中
Figure BDA0003302843530000042
Figure BDA0003302843530000043
其中，d表示为线圈的宽度与间距之和，d＝w+s，s为两线圈之间的间距，nH表示电感单位纳亨。
非平衡线圈与平衡线圈间的耦合电容Cps
Figure BDA0003302843530000044
εpo为介质基板的介电常数，F为电容单位法。
为了获得负群时延性能，图1电路的等效模型如图2所示，由于电路中的所有元件都是有相对应的值，所以电路的输入端口和输出端口的传输参数S21和输入输出回波损耗S11和S22可以被计算出来，由于电路是互易的，所以输入和输出的回波损耗相同，即S11＝S22。
由于当巴伦电路的物理尺寸确定时，自感Ls，互感M及线圈间的耦合电容Cps都被唯一确定，所以变量仅为接地电容C1和C2的函数，即
S21＝f(C1,C2)
如果想在单频点实现负群时延特性，C1和C2的值相同，这里定为Cx，为了在频率ω0处获得目标为τ0(τ0＜0)负群时延值，电路需要满足如下条件：
Figure BDA0003302843530000051
通过上述方程，即可以确定未知量Cx的值。即当电路连接值C1＝C2＝Cx的电容时，电路可以在在频率ω0处获得目标为τ0的负群时延值。
作为另一种情况，为了在两个频点频率ω1，ω2处获得目标为τ1，τ2(τ1＜0，τ2＜0)的负群时延值，电路C1和C2的值不同，需要满足如下条件：
Figure BDA0003302843530000052
Figure BDA0003302843530000053
通过上述两个方程，即可以确定两个未知量C1和C2的值。即当电路连接值C1和C2的两个不同值电容时，电路可以在在频率ω1，ω2处获得如图3、5所示的目标为τ1，τ2的负群时延值。
图4和图6表示了回波特性，具体的：当C1与C2的值确定之后，可以通过S参数计算出电路的回波特性，即S11与S22，在史密斯圆图中可以读出电路的输入输出阻抗，然后根据输入和输出阻抗选择合适的R1与R2的值，使得输入输出阻抗为标准特性阻抗(典型值为50Ω)，从而获得优秀的回波特性(即S11)。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于巴伦结构的负群时延电路，其特征在于，包括：一个平面巴伦电路、匹配电阻R1、匹配电阻R2、接地电容C1、接地电容C2；
所述平面巴伦电路包括：一个非平衡线圈和两个平衡线圈；所述非平衡线圈包括左右对称的两个螺旋子线圈；两个平衡线圈呈左右对称，两个平衡线圈为螺旋状且分别嵌于非平衡线圈左右两个螺旋子线圈中；
两个平衡线圈的内端口通过金属导线连接，两个平衡线圈分别记为第一平衡线圈与第二平衡线圈；第一平衡线圈的外端口作为输入端口，输入端口通过匹配电阻R1接地；第二平衡线圈的外端口作为输出端口，输出端口通过匹配电阻R2接地；
非平衡线圈的第一内端口通过接地电容C1接地，非平衡线圈的第二内端口通过接地电容C2接地，非平衡线圈的中间点接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于巴伦结构的负群时延电路，其特征在于，非平衡线圈的长度等于两个平衡线圈长度之和。
3.根据权利要求2所述的一种基于巴伦结构的负群时延电路，其特征在于，非平衡线圈与两个平衡线圈的线宽相同。
4.根据权利要求3所述的一种基于巴伦结构的负群时延电路，其特征在于，非平衡线圈与两个平衡线圈的金属厚度相同。
5.根据权利要求4所述的一种基于巴伦结构的负群时延电路，其特征在于，记非平衡线圈的长度为l，线宽为w，金属厚度为t，非平衡线圈的自感为Ls，则一个平衡线圈的自感为Ls/2，Ls的计算式如下：
Figure FDA0003616731770000011
其中，nH表示电感单位纳亨。
6.根据权利要求5所述的一种基于巴伦结构的负群时延电路，其特征在于，记非平衡线圈与平衡线圈之间的互导为M，其计算式为：
M＝2lQm (nH)
其中
Figure FDA0003616731770000021
Figure FDA0003616731770000022
其中，d表示为线圈的宽度与间距之和。
7.根据权利要求6所述的一种基于巴伦结构的负群时延电路，其特征在于，d＝w+s，s为两线圈之间的间距。
8.根据权利要求7所述的一种基于巴伦结构的负群时延电路，其特征在于，记非平衡线圈与平衡线圈间的耦合电容为Cps，其计算式为：
Figure FDA0003616731770000023
其中，εpo为介质基板的介电常数，F为电容单位法。
9.一种基于权利要求1至8任一权利要求所述的负群时延电路实现单频带负群时延的方法，其特征在于，当接地电容C1、接地电容C2电容值相等，记为Cx；负群时延电路在频率ω0处获得目标为τ0的负群时延值，其中Cx根据下式确定：
Figure FDA0003616731770000024
S21表示电路的输入端口和输出端口的传输参数，当巴伦电路的物理尺寸确定时，自感Ls，互感M及线圈间的耦合电容Cps都被唯一确定，所以变量仅为接地电容C1和C2的函数，即S21计算式为：S21＝f(C1,C2)。
10.一种基于权利要求1至8任一权利要求所述的负群时延电路实现双频带负群时延的方法，其特征在于，当接地电容C1、接地电容C2电容值不相等；负群时延电路在频率ω1，ω2处获得目标为τ1，τ2的负群时延值，其中接地电容C1、接地电容C2电容值根据下式确定：
Figure FDA0003616731770000025
Figure FDA0003616731770000026
S21表示电路的输入端口和输出端口的传输参数，当巴伦电路的物理尺寸确定时，自感Ls，互感M及线圈间的耦合电容Cps都被唯一确定，所以变量仅为接地电容C1和C2的函数，即S21计算式为：S21＝f(C1,C2)；
根据输入输出阻抗确定匹配电阻R1与匹配电阻R2的阻值。
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