一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质及方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质及方法。包括主要由正常色散媒质和反常色散媒质构成的补偿色散媒质，反常色散媒质在沿电磁波的传输方向连接在正常色散媒质靠近传输出口的一侧上，正常色散媒质主要由正常色散电磁谐振单元排列构成，反常色散媒质主要由反常色散电磁谐振单元排列构成，利用正常色散媒质构造信号的正常色散，利用反常色散媒质构造信号的反常色散，利用反常色散的负群速度(超光速)现象补偿信号经过正常色散媒质导致的包络畸变。本发明专利技术利用人工介电材料实现在微波频段内，对信号在媒质传播中产生包络畸变从本质上进行补偿，具有高精度、小尺寸特点，实现了信号色散补偿，应用广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质及方法
本专利技术涉及信号传输领域，尤其是涉及了一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质及方法。
技术介绍
信号传输时不可避免的产生畸变。无论是在电子电路、射频微波电路、光纤通信，还是在空间信号传输中，只要信号有带宽，就一定会受到不同程度的畸变。畸变是信号传输过程中抑制传输距离、传输精度、传输品质的主要原因。在众多畸变种类中，最常见同时也最重要的就是群延时畸变。在信号传输中，群延时是指对给定的频率表现为负斜率的相位响应(在电磁学领域中，相位响应通常由折射率表示，其由传输媒质本身参数决定，不受频率影响)，从而产生相对原始信号波形包络的时延。而当信号中不同的频率分量受到非线性响应时(色散)，会导致信号的包络产生波形畸变，这被称为群延时畸变。而群延时畸变在媒质传输中不可避免，因为工作频率都处在正常色散带宽内(折射率的实部对频率变化表现为正斜率)，所以群延时畸变往往表现为落后的群延时。群时延畸变会导致信号带宽展宽、误码率变大、信道噪声增大、同步性变差、传输距离变短等影响，严重的畸变甚至会导致信号无法被解调。因此抑制群时延畸变在信号传输领域有重要意义。科学界对群延时畸变的研究已有很长的历史，群延时畸变的本质是因为信号的传输速度(波前速度)和群速度不相等。当群速度小于波前速度时，信号包络表现为后向畸变；反之，当群速度大于波前速度时(负群速度)，信号包络表现为前向畸变。早在1914年，Brillouin和Sommerfeld提出波前速度才是信号传输的速度，并且始终等于光速。在1960年，Brillouin指出，群速度并不总是代表信息或能量的传播速度，因此超光速的群速度(负群速度)不会与相对论矛盾。本课题组在2015年，通过Drude-Lorentz色散模型的反常色散(Anomalousdispersion)区域，即位于Lorentz色散的吸收谐振频带内，首次实验验证波前速度是信号的传输速度，并且通过负群速度的前向畸变、正群速度的后向畸变论证包络畸变的本质。因此当群速度等于波前速度，即光速时，信号包络就可以没有畸变。到目前为止，在光纤通信领域已有多种方法对群延时畸变进行补偿，如光栅补偿器、啁啾补偿器、数字补偿等等。这些方法的基本原理都是利用反常色散获得负的群延时效应。但是在微波领域，受限于材料的反常色散带几乎处于光学频段的现实，目前对于信号的群延时补偿方法仅有数字补偿。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于构造一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质及方法，反常色散媒质低损耗、宽带宽，能获得较理想的负群速度现象，利用负群速度现象在抑制信号传输过程中进行畸变，实现了微波频段对群延时色散进行直接补偿。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一、一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质：包括主要由正常色散媒质和反常色散媒质构成的补偿色散媒质，反常色散媒质沿电磁波的传输方向连接在正常色散媒质靠近传输出口的侧边，正常色散媒质主要由正常色散电磁谐振单元排列构成，反常色散媒质主要由反常色散电磁谐振单元排列构成。所述正常和反常色散媒质均主要由至少一层谐振层上下层叠而成，每层谐振层由多排谐振组平行间隔阵列在同一平面而成。所述的正常色散电磁谐振单元包括衬底和置于衬底上表面中心六分之一波长的开口谐振环(Split-ringresonator，SRR)，每个正常色散电磁谐振单元的衬底边长为自由空间中波长的六分之一，开口谐振环的开口方向沿信号传输方向(电磁波的传播方向)。所述的反常色散电磁谐振单元包括衬底、置于衬底上表面中心六分之一波长的开口谐振环(Split-ringresonator，SRR)和置于衬底下表面中心的两条平行传输线，每个反常色散电磁谐振单元的衬底边长为自由空间中波长的六分之一，开口谐振环的开口方向沿信号传输方向(电磁波的传播方向)，平行传输线的方向垂直于开口谐振环的开口方向。本专利技术具体实施中利用不同的平面工艺制造获得具有不同尺寸和位置的开口谐振环和平行传输线，从而获得不同工作频率下的谐振单元。所述的正常色散电磁谐振单元和正常色散媒质在电磁波入射下被电场激发产生磁谐振，所述的反常色散电磁谐振单元和反常色散媒质在电磁波入射下同时被电场和磁场激发产生电谐振和磁谐振。所述的正常色散媒质是先由正常色散电磁谐振单元沿谐振单元所在平面上垂直于信号传输方向(y方向)排列至少一个形成谐振组，再由谐振组沿信号传输方向(z方向)排列12个形成谐振层，再由谐振层沿谐振单元所在平面的法向(x方向)层叠至少一个构成。所述的反常色散媒质是先由反常色散电磁谐振单元沿谐振单元所在平面上垂直于信号传输方向(y方向)排列至少一个形成谐振组，再由谐振组沿信号传输方向(z方向)排列1个形成谐振层，再由谐振层沿谐振单元所在平面的法向(x方向)层叠至少一个构成。所述的补偿色散媒质是主要由含有至少一谐振层的正常色散媒质和含有至少一谐振层的反常色散媒质整体沿电磁波的传输方向分别相衔接而成。正常色散媒质中的正常色散电磁谐振单元和反常色散媒质中的反常色散电磁谐振单元数量相同，衔接时正常色散媒质和反常色散媒质的各层谐振层相对应连接，反常色散媒质的谐振层紧挨连接在正常色散媒质的谐振层位于传输出口侧。所述的正常色散媒质、反常色散媒质和补偿色散媒质的中心频率为5GHz。本专利技术利用人工介电材料构造由反常色散媒质和正常色散媒质组成的补偿色散媒质，用反常色散媒质以补偿信号在正常色散媒质传播中产生包络畸变。本专利技术采用人工介电材料在微波频段的色散特性，用正常色散媒质构造信号的正常色散，用反常色散媒质构造信号的反常色散，进一步利用反常色散的负群速度(超光速)现象从本质上补偿信号经过正常色散媒质导致的包络畸变。本专利技术由谐振单元构造形成等效均匀的正常和反常色散媒质，通过控制等效折射率实部的正斜率频率响应范围和负斜率频率响应范围使之产生重叠来实现色散补偿。本专利技术实施例是在WR430矩形直波导口分别在未放置色散媒质、仅放置正常色散媒质、仅放置反常色散媒质和仅放置补偿色散媒质情况下，通过波导转同轴器件在连续调幅波激励下分别测量WR430矩形直波导端口的时域电压信号。二、一种抑制信号传输过程中畸变的方法：采用色散媒质置于信号传输的波导中，通过调控其中正常色散媒质的正常色散电磁谐振单元和反常色散媒质的反常色散电磁谐振单元的尺寸和布置，进而控制正常色散媒质和反常色散媒质的角频率，使得正常色散媒质和反常色散媒质的电磁波群速度相加等于零，从而由反常色散媒质补偿信号在正常色散媒质传播中产生包络畸变，实现抑制信号传输过程中畸变。所述的电磁波群速度计算公式为：其中，c为自由空间中的光速，n表示折射系数，ω表示角频率。本专利技术利用人工介电材料构造在微波频段的Drude-Lorentz色散模型，利用反常色散(Anomalousdispersion)区域构造反常色散单元，实现负群速度特性以得到超前的群延时。然后与处在同工作频率内的正常群延时畸变(落后的群延时)，将信号级联获得等效群延时为零的补偿信号。本专利技术与
技术介绍
相比具有的有益效果是：采用本专利技术的电磁谐振单元构造了微波频段Lorentz谐振模型，克服天然材料谐振处在光波频段的缺点，实现微波频段的色散补偿。本专利技术从本质上对群延本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：包括主要由正常色散媒质和反常色散媒质构成的补偿色散媒质，反常色散媒质沿电磁波的传输方向连接在正常色散媒质靠近传输出口的侧边，正常色散媒质主要由正常色散电磁谐振单元排列构成，反常色散媒质主要由反常色散电磁谐振单元排列构成。

【技术特征摘要】
1.一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：包括主要由正常色散媒质和反常色散媒质构成的补偿色散媒质，反常色散媒质沿电磁波的传输方向连接在正常色散媒质靠近传输出口的侧边，正常色散媒质主要由正常色散电磁谐振单元排列构成，反常色散媒质主要由反常色散电磁谐振单元排列构成。2.根据权利要求1所述的一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：所述的正常色散电磁谐振单元包括衬底和置于衬底上表面中心的开口谐振环，每个正常色散电磁谐振单元的衬底边长为自由空间中波长的六分之一，开口谐振环的开口方向沿信号传输方向；所述的反常色散电磁谐振单元包括衬底、置于衬底上表面中心的开口谐振环和置于衬底下表面中心的两条平行传输线，每个反常色散电磁谐振单元的衬底边长为自由空间中波长的六分之一，开口谐振环的开口方向沿信号传输方向，平行传输线的方向垂直于开口谐振环的开口方向。3.根据权利要求1所述的一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：所述的正常色散电磁谐振单元和正常色散媒质在电磁波入射下被电场激发产生磁谐振，所述的反常色散电磁谐振单元和反常色散媒质在电磁波入射下同时被电场和磁场激发产生电谐振和磁谐振。4.根据权利要求1所述的一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：电磁波的磁场方向沿谐振单元所在平面的法向，电场方向垂直于谐振单元中开口谐振环的开口方向，电磁波的传播方向沿谐振单元中开口谐振环的开口方向。5.根据权利要求1所述的一种抑制信号传输过程中畸变的色散媒质，其特征在于：所述的正常色散媒...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春，朱忠博，叶德信，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33