一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路及其设计方法，该电路为左右对称结构，包括微带线ILi，i＝{1，2，3，4}、耦合微带线IL0、输入端口和输出端口，所述微带线IL2和IL4包括对称的左半部和右半部，其中微带线IL2左半部连接输入端口，其中微带线IL2右半部连接输出端口，所述微带线IL2与微带线IL1并联，所述微带线IL4分别与耦合微带线IL0的两个导带连接；所述微带线IL3与微带线IL2和微带线IL4串联；信号从输入端口流入分为两路分别流入微带线IL1和微带线IL2左半部，信号在流出微带线IL2左半部后分别流入微带线IL2的右半部和微带线IL3，一路信号流出微带线IL1和微带线IL2的右半部后汇合流入输出端口；另一路信号流出微带线IL2左半部，经过微带线IL3和微带线IL4至耦合微带线。

【技术实现步骤摘要】
一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路及其设计方法
本专利技术属于微波工程的
，具体涉及一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路及其设计方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，提供一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路及其设计方法。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路，所述电路为左右对称结构，包括微带线ILi，i＝{1，2，3，4}、耦合微带线IL0、输入端口和输出端口，所述微带线IL2和IL4包括对称的左半部和右半部，其中微带线IL2左半部连接输入端口，其中微带线IL2右半部连接输出端口，所述微带线IL2与微带线IL1并联，所述微带线IL4分别与耦合微带线IL0的两个导带连接；所述微带线IL3与微带线IL2和微带线IL4串联；信号从输入端口流入分为两路分别流入微带线IL1和微带线IL2左半部，信号在流出微带线IL2左半部后分别流入微带线IL2的右半部和微带线IL3，一路信号流出微带线IL1和微带线IL2的右半部后汇合流入输出端口；另一路信号流出微带线IL2左半部，经过微带线IL3和微带线IL4至耦合微带线。为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：上述的微带线IL1为弧形微带线，微带线IL1的半径R1和宽度w为11.5mm，微带线IL2的长度l1为10.7mm，微带线IL3的l2长度为9.45mm，微带线IL4的左半部与微带线IL4的右半部均为弧形微带线，微带线IL4的左半部与微带线IL4的右半部的半径R2均为7mm，微带线IL4的左半部与微带线IL4的右半部通过连接线连接，连接线长度l3为2.13mm，耦合微带线IL0的左半部和右半部的长度l4均为16.25mm，该耦合微带线两导带之间的距离S为1.23mm，微带线IL2左半部的左端通过第一端口连接线与输入端口连接，微带线IL2右半部的右端通过第二端口连接线与输出端口连接，第一端口连接线和第二端口连接线的长度w1和宽度l5都为3mm。上述的电路工作于S频段，在中心频率2.36GHz时，电路的群时延为-1.5ns，电路的损耗S21为-3.5dB，电路的反射S11为-10dB。一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路的设计方法，包括以下步骤：S1：基于微波工程领域中的偶模-奇模分析方法，分析得到该群时延电路的奇模输入导纳Yo、偶模输入导纳Ye；S2：利用S参数矩阵推导出该电路的S参数，从而得到电路的插入损耗S21和反射系数S11，其反射系数与传输系数的关系如下式(1)，当信号穿过传输线时，产生的时延如下式(2)所示；其中：其中τi，v分别是信号通过传输线的时延和速度，di为六条微带传输线的物理长度，i＝(1、2、3、4)，ω为角频率；S3：由公式求出电路相位函数，再由群时延定义求出群时延函数τ(ω)；S4：通过HFSS仿真软件对电路的S11、S21和τ(ω)进行仿真，经过一系列电磁参数优化之后确定各个电磁参数的尺寸。上述的步骤S1具体为：S11：根据奇偶模法进行电路等效以及理论分析可知：微带线的A参数矩阵和耦合线的Y参数矩阵分别为：奇模激励时的输入导纳为：偶模激励时的输入导纳为：其中：ZK＝-jZ0ecotθ0(8)其中：ZC、k分别为耦合线的特征阻抗和耦合系数，Z和θi分别为六条微带传输线的特征阻抗和电长度，Zin、ZL、ZM、ZK为输入阻抗，Z0o和Z0e分别为平行耦合微带线的奇模阻抗和偶模阻抗。上述的步骤S2具体为：S21：当电路的奇偶模激励时的输入导纳Yo、Ye确定时，该电路的S参数可作如下表示：其中Y0＝1/Z0，Z0为端口参考阻抗，Z0＝50Ω。S22：根据(1)～(10)式，电路的反射系数S11(jω)、传输系数S21(jω)可以表示成：其中B，C＝C1-C2，θi如下所示C1＝-2Zcotθ1(12)θi＝ωτi，(i＝0，1，2，3，4)(15)上述步骤S3的具体公式为：S31：该电路的传输相位可以表示成：也即：S32：根据群时延的定义可得该电路的群时延：其中B′、C′分别是等式B、C关于ω的导数。由等式(18)可知，该电路存在负群时延应满足：本专利技术的有益效果：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，设计了一种基于耦合线和环形微带线的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S频段，在中心频率2.36GHz时，电路的群时延为-1.5ns，电路的损耗S21为-3.5dB，电路的反射S11为-10dB。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本专利技术的电路原理图；图2为本专利技术电路的奇模等效电路原理图；图3为本专利技术电路的偶模等效电路原理图；图4为本专利技术电路结构示意图；图5为本专利技术电路HFSS模型；图6为本专利技术电路的群时延仿真结果示意图；图7为本专利技术电路的S21仿真结果示意图；图8为本专利技术电路的S11仿真结果示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例作进一步详细描述。如图1所示，本专利技术为一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路，所述电路为左右对称结构，包括微带线ILi，i＝{1，2，3，4}、耦合微带线IL0、输入端口和输出端口，所述微带线IL2和IL4包括对称的左半部和右半部，其中微带线IL2左半部连接输入端口，其中微带线IL2右半部连接输出端口，所述微带线IL2与微带线IL1并联，所述微带线IL4分别与耦合微带线IL0的两个导带连接；所述微带线IL3与微带线IL2和微带线IL4串联；信号从输入端口流入分为两路分别流入微带线IL1和微带线IL2左半部，信号在流出微带线IL2左半部后分别流入微带线IL2的右半部和微带线IL3，一路信号流出微带线IL1和微带线IL2的右半部后汇合流入输出端口；另一路信号流出微带线IL2左半部，经过微带线IL3和微带线IL4至耦合微带线。一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路的设计方法，包括以下步骤：S1：基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路，其特征在于：所述电路为左右对称结构，包括微带线ILi，i＝{1，2，3，4}、耦合微带线IL0、输入端口和输出端口，所述微带线IL2和IL4包括对称的左半部和右半部，其中微带线IL2左半部连接输入端口，其中微带线IL2右半部连接输出端口，所述微带线IL2与微带线IL1并联，所述微带线IL4分别与耦合微带线IL0的两个导带连接；所述微带线IL3与微带线IL2和微带线IL4串联；信号从输入端口流入分为两路分别流入微带线IL1和微带线IL2左半部，信号在流出微带线IL2左半部后分别流入微带线IL2的右半部和微带线IL3，一路信号流出微带线IL1和微带线IL2的右半部后汇合流入输出端口；另一路信号流出微带线IL2左半部，经过微带线IL3和微带线IL4至耦合微带线。

【技术特征摘要】
1.一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路，其特征在于：所述电路为左右对称结构，包括微带线ILi，i＝{1，2，3，4}、耦合微带线IL0、输入端口和输出端口，所述微带线IL2和IL4包括对称的左半部和右半部，其中微带线IL2左半部连接输入端口，其中微带线IL2右半部连接输出端口，所述微带线IL2与微带线IL1并联，所述微带线IL4分别与耦合微带线IL0的两个导带连接；所述微带线IL3与微带线IL2和微带线IL4串联；信号从输入端口流入分为两路分别流入微带线IL1和微带线IL2左半部，信号在流出微带线IL2左半部后分别流入微带线IL2的右半部和微带线IL3，一路信号流出微带线IL1和微带线IL2的右半部后汇合流入输出端口；另一路信号流出微带线IL2左半部，经过微带线IL3和微带线IL4至耦合微带线。2.根据权利要求1所述的一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路，其特征在于：所述的微带线IL1为弧形微带线，微带线IL1的半径R1和宽度w为11.5mm，微带线IL2的长度l1为10.7mm，微带线IL3的l2长度为9.45mm，微带线IL4的左半部与微带线IL4的右半部均为弧形微带线，微带线IL4的左半部与微带线IL4的右半部的半径R2均为7mm，微带线IL4的左半部与微带线IL4的右半部通过连接线连接，连接线长度l3为2.13mm，耦合微带线IL0的左半部和右半部的长度l4均为16.25mm，该耦合微带线两导带之间的距离S为1.23mm，微带线IL2左半部的左端通过第一端口连接线与输入端口连接，微带线IL2右半部的右端通过第二端口连接线与输出端口连接，第一端口连接线和第二端口连接线的长度w1和宽度l5都为3mm。3.根据权利要求3所述的一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路，其特征在于：所述电路工作于S频段，在中心频率2.36GHz时，电路的群时延为-1.5ns，电路的损耗S21为-3.5dB，电路的反射S11为-10dB。4.一种基于耦合线和环形微带线的负群时延电路的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：基于微波工程领域中的偶模-奇模分析方法，分析得到该群时延电路的...

【专利技术属性】
技术研发人员：万发雨，李宁东，顾韬琛，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32