劉 剛 徐金平

(東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

一種新型的可配置傳輸型微帶負(fù)群時(shí)延電路

劉 剛 徐金平

(東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

提出了一種基于有耗微帶耦合諧振單元的傳輸型負(fù)群時(shí)延電路,該電路利用電阻加載的方式實(shí)現(xiàn)負(fù)群時(shí)延值的靈活調(diào)節(jié)．微帶耦合諧振單元電路中采用了開路扇形線結(jié)構(gòu),有效減小了電路尺寸．基于有耗耦合線諧振單元的等效網(wǎng)絡(luò)模型,分析了加載電阻及耦合系數(shù)對信號傳輸及負(fù)群時(shí)延特性的影響,并對整體微帶電路進(jìn)行了三維電磁仿真分析．設(shè)計(jì)加工了一款兩級傳輸型負(fù)群時(shí)延電路實(shí)驗(yàn)樣品,在耦合諧振器特定位置分別加載100～300 Ω范圍內(nèi)不同阻值電阻的狀態(tài)下,對該電路的群時(shí)延特性進(jìn)行了測試．結(jié)果表明:在中心頻率1.79 GHz附近,該電路可配置獲得-2～-12 ns的負(fù)群時(shí)延值，其最大信號衰減在6～10 dB范圍內(nèi)．這種新型的負(fù)群時(shí)延電路具有結(jié)構(gòu)緊湊、信號衰減小、負(fù)群時(shí)延值可靈活配置等優(yōu)點(diǎn)．

傳輸型;負(fù)群時(shí)延;有耗耦合諧振單元;可配置．

Abstract: A novel lossy microstrip coupled-line resonator section was proposed for the design of transmission-type negative group delay circuit (NGDC). The negative group delay (NGD) value could be flexibly configurable by adjusting the value of the loaded resistor, and the circuit size was reduced by an open radial patch. Theoretical analysis based on an equivalent circuit model shows that the negative group delay and signal attenuation depended on the value of the loaded resistor and the coupling coefficient. The overall microstrip circuits were simulated by three dimensional electromagnetic simulation software. For experimental validation, a prototype of two-stage negative group delay circuit was fabricated and measured. By loading a resistor at a specified point of the coupled-line section with a resistance variation from 100 to 300 Ω, the measured NGD value from -2 to -12 ns and a corresponding signal attenuation from 6 dB to 10 dB are obtained. This novel NGDC features a compact structure,a low signal attenuation and a flexible configuration of NGD value.

Keywords: transmission-type; negative group delay (NGD); lossy coupled-line resonator section; configurable.

負(fù)群時(shí)延電路在微波系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值正使其成為一個(gè)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)[1-10]．目前國外已有大量有關(guān)負(fù)群時(shí)延(NGD)電路研究及其應(yīng)用的報(bào)道[1-3].早期報(bào)道的負(fù)群時(shí)延電路基本上都是采用集總元件(電阻、電容、電感)設(shè)計(jì)．為了克服集總元件工作頻率上限低的缺點(diǎn),文獻(xiàn)[4-5]設(shè)計(jì)了基于微帶分布參數(shù)的負(fù)群時(shí)延電路，電路均采用反射型的電路結(jié)構(gòu),此類結(jié)構(gòu)需要額外的一個(gè)3 dB電橋或3 dB耦合器,在一定程度提高了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度,同時(shí)反射型電路結(jié)構(gòu)對信號的衰減比較嚴(yán)重,需要采用一些額外阻抗匹配電路降低信號衰減．文獻(xiàn)[6-7]報(bào)道的傳輸型負(fù)群時(shí)延電路結(jié)構(gòu)相對比較簡單,但其所能實(shí)現(xiàn)的負(fù)群時(shí)延值范圍有限,且不易進(jìn)行群時(shí)延值的靈活配置,同時(shí)其電路尺寸比較大．因此,研究設(shè)計(jì)一款信號衰減低、群時(shí)延值可配置、結(jié)構(gòu)簡單的負(fù)群時(shí)延電路對于提高微波系統(tǒng)性能具有重要實(shí)際意義．

本文設(shè)計(jì)了一款基于有耗微帶耦合線諧振單元的傳輸型負(fù)群時(shí)延電路．仿真結(jié)果顯示該電路在較低的信號衰減下能夠獲得比較可觀的負(fù)群時(shí)延．通過調(diào)整加載不同阻值的電阻,可以配置不同的負(fù)群時(shí)延值．基于仿真模型設(shè)計(jì)加工了一款傳輸型負(fù)群時(shí)延電路,測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好．相比文獻(xiàn)[4-7]報(bào)道的負(fù)群時(shí)延電路,本文電路具有電路緊湊、結(jié)構(gòu)簡單和低信號衰減及負(fù)群時(shí)延可靈活配置等優(yōu)點(diǎn)．

1 電路模型

傳輸型耦合線諧振單元如圖1(a)所示,圖中，Zo,Ze,θ分別為平行耦合線的奇模阻抗、偶模阻抗和電長度，R為0402封裝電阻.其主要功能部分為一個(gè)電阻加載的有耗微帶諧振器．微帶諧振器在給定的諧振頻率附近的電長度為λ/4,其中λ為波長.通過在耦合器靠近短路端的特定位置加載一集總參數(shù)電阻,同時(shí)采用開路扇形線等效替代懸置開路枝節(jié),則微帶耦合器轉(zhuǎn)化為一個(gè)緊湊型有耗耦合諧振器,其電路等效模型如圖1(b)所示．電路的耦合線部分相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)納倒相器J,緊湊型有耗諧振器單元等效于一個(gè)電感、電容、電阻并聯(lián)的諧振器．其中,有耗諧振器的導(dǎo)納Y′可以表示成

(1)

式中,Re為等效電阻;Ce為等效電容;Le為等效電感;ω為信號頻率．

通過導(dǎo)納倒相器J轉(zhuǎn)換,耦合線諧振單元的導(dǎo)納Y可以表示成

(2)

圖1有耗耦合線諧振單元及其等效電路模型

從式(2)的導(dǎo)納表達(dá)式可知,電路可以等效為一個(gè)并聯(lián)到地的串聯(lián)有耗諧振單元,因此耦合線諧振單元的等效電路模型可以進(jìn)一步簡化為如圖1(c)所示電路．根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)阻抗特性可以推導(dǎo)出耦合線諧振單元的傳輸參數(shù)表達(dá)式為

(3)

式中,Z0為端口參考阻抗．文獻(xiàn)[8]對并聯(lián)諧振電路的群時(shí)延特性進(jìn)行了理論推導(dǎo),根據(jù)其結(jié)論,可導(dǎo)出此電路單元的群時(shí)延表達(dá)式為

(4)

由式(3)、(4)可知,耦合線諧振單元的群時(shí)延及信號衰減特性受耦合線部分的耦合系數(shù)、加載電阻特性的影響．因此,在電路的輸入輸出端口參考阻抗及微帶線結(jié)構(gòu)物理參數(shù)確定的情況下,耦合線諧振單元的負(fù)群時(shí)延值及信號衰減量由加載的電阻值決定．因此在實(shí)際電路調(diào)測時(shí)可以通過調(diào)整加載電阻的阻值,獲得期望的負(fù)群時(shí)延值．

2 電路仿真與分析

本節(jié)對以耦合線諧振單元為電路設(shè)計(jì)單元傳輸型負(fù)群時(shí)延電路方案進(jìn)行了建模仿真．仿真模型基于厚度為0.508 mm規(guī)格的Rogers 4350B板材進(jìn)行建模,板材的相對介電常數(shù)為3.66,損耗角正切值為0.004．采用全波電磁仿真軟件ANSYS HFSS15.0對電路模型進(jìn)行了仿真優(yōu)化．

2.1 一級傳輸型負(fù)群時(shí)延電路仿真分析

為考察耦合線諧振單元的負(fù)群時(shí)延特性,對一級傳輸型負(fù)群時(shí)延電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì),電路的工作中心頻率設(shè)計(jì)為1.79 GHz．通過仿真軟件對耦合線諧振單元的物理模型參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化仿真,優(yōu)化后的參數(shù)見圖2．由上述理論分析可知,耦合線部分的耦合系數(shù)、加載電阻的參數(shù)對電路負(fù)群時(shí)延的影響較大．為了進(jìn)一步考察這幾個(gè)參數(shù)對電路性能的影響并為后續(xù)的負(fù)群時(shí)延電路設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),對耦合線的耦合系數(shù)、電阻加載位置及加載電阻值分別進(jìn)行了仿真考察．改變耦合線部分耦合系數(shù),耦合系數(shù)C由10 dB增加至20 dB,其負(fù)群時(shí)延及信號衰減值的仿真結(jié)果見圖3.由仿真結(jié)果可知,當(dāng)耦合線部分的耦合系數(shù)增強(qiáng)時(shí),在工作中心頻率的負(fù)群時(shí)延值增大,相應(yīng)的信號衰減也將增大,負(fù)群時(shí)延帶寬將變大．加載電阻的阻值由100 Ω增加到400 Ω的電路仿真結(jié)果如圖4所示,隨著加載電阻的阻值增大,可獲得負(fù)群時(shí)延值將提高,而信號衰減量將增大,負(fù)群時(shí)延帶寬將變窄．改變加載電阻與諧振器接地端的距離與改變加載電阻值對電路性能有相似的影響,其仿真結(jié)果如圖5所示．綜上仿真分析可知,電路的負(fù)群時(shí)延值及信號衰減量是由耦合線部分的耦合系數(shù)、加載電阻阻值及電阻在諧振器的加載位置3個(gè)參量共同影響決定的．在實(shí)際電路加工調(diào)試中,耦合線的耦合系數(shù)及電阻加載位置一經(jīng)加工制作就無法改變,而加載電阻的阻值是可以根據(jù)實(shí)際需要靈活配置的．

圖2 一級NGD電路仿真模型配置(單位:mm)

(a) 傳輸參數(shù)S21與群時(shí)延仿真結(jié)果

(b) 端口反射參數(shù)S11仿真結(jié)果

(a) 傳輸參數(shù)S21與群時(shí)延仿真結(jié)果

(b) 端口反射參數(shù)S11仿真結(jié)果

(a) 傳輸參數(shù)S21與群時(shí)延仿真結(jié)果

(b) 端口反射參數(shù)S11仿真結(jié)果

2.2 兩級傳輸型負(fù)群時(shí)延電路仿真分析

從一級電路的仿真結(jié)果可以看出,要獲得比較大的負(fù)群時(shí)延值,電路需要加載較大的電阻或?qū)Ⅰ詈暇€部分的耦合系數(shù)提高,但這將使輸入輸出端口的反射系數(shù)嚴(yán)重惡化,同時(shí)高耦合系數(shù)也給電路基片的加工帶來一定困難．為此基于耦合線諧振單元設(shè)計(jì)了一款工作中心頻率為1.79 GHz的兩級傳輸型負(fù)群時(shí)延電路,該電路采用兩級耦合線諧振單元反向?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)．兩級傳輸型負(fù)群時(shí)延電路拓?fù)淙鐖D6(a)所示,電路采用的是反向背靠背的級聯(lián)方式,2個(gè)耦合線諧振單元在其間的級聯(lián)端口處直接級聯(lián),不需要額外的阻抗匹配電路．如圖6(b)所示,在級聯(lián)端口處有Γ1,in=Γ2,in,這種連接方式不僅能簡化電路結(jié)構(gòu),同時(shí)能實(shí)現(xiàn)較好的阻抗匹配．基于一級負(fù)群時(shí)延電路的加載位置、加載阻值及耦合系數(shù)參數(shù)的仿真研究，并結(jié)合電路加工的可行性,兩級負(fù)群時(shí)延電路的電阻加載位置參數(shù)選擇為L3=3.0 mm,設(shè)計(jì)的耦合線部分的耦合系數(shù)選為C=14 dB(對應(yīng)的縫隙寬度為S=0.25 mm),其詳細(xì)的電路參數(shù)見圖6(a)．對不同電阻值加載情況下的負(fù)群時(shí)延特性及傳輸特性進(jìn)行三維電磁仿真,仿真結(jié)果如圖7所示．從仿真結(jié)果可知,采用耦合線諧振單元反向級聯(lián)方式構(gòu)建的傳輸型兩級負(fù)群時(shí)延電路在加載100～300 Ω之間不同阻值電阻的條件下,可以獲得-2.0～-14 ns范圍內(nèi)的負(fù)群時(shí)延值,而其信號衰減值在6.0～11 dB之間,同時(shí)其輸入輸出端口反射系數(shù)均優(yōu)于-15 dB．

(a) 傳輸參數(shù)S21與群時(shí)延仿真結(jié)果

3 電路測試與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證仿真分析模型,對本文中仿真部分提出的兩級傳輸型負(fù)群時(shí)延電路進(jìn)行了加工和測試．電路基片采用0.508 mm厚度Rogers 4350B板材,按照仿真優(yōu)化后的物理尺寸參數(shù)進(jìn)行電路加工,具體參數(shù)見圖6(a)．使用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(E8363C)對加工的電路進(jìn)行了測量,測量結(jié)果如圖8所示．實(shí)測結(jié)果顯示,在耦合線諧振器耦合系數(shù)為14 dB,在離微帶諧振器接地端3.0 mm處加載不同阻值的電阻,能夠獲得-2～-12 ns的負(fù)群時(shí)延值,其信號衰減值在6～10 dB之間．表1為本文設(shè)計(jì)加工的兩級負(fù)群時(shí)延電路與文獻(xiàn)[4-7]電路的主要性能參數(shù)對比,從表中數(shù)據(jù)可以看出,本文設(shè)計(jì)的傳輸型負(fù)群時(shí)延電路在信號衰減、可配置性、端口駐波比及電路尺寸方面具明顯的優(yōu)勢．

(a) 傳輸參數(shù)S21與群時(shí)延實(shí)測結(jié)果

(b) 端口反射參數(shù)S11實(shí)測結(jié)果

電路f0/GHzGmax/nsAmax/dBS11max/dBλ2g文獻(xiàn)[4]2.14-7.916.5-180.6×0.4文獻(xiàn)[5]3.5-3.837.00.8×0.25文獻(xiàn)[6]2.14-6.320.5-150.61×0.25文獻(xiàn)[7]1.26-4.54.4-101.2×0.38本文 1.79-2～-126～10-15～-200.3×0.18

注：f0為工作中心頻率；Gmax為最大負(fù)群時(shí)延；Amax為最大信號衰減；S11max為端口反射系數(shù)最大值；λg為導(dǎo)波長度.

4 結(jié)論

1) 提出了一種基于有耗耦合諧振結(jié)構(gòu)的傳輸型負(fù)群時(shí)延電路．

2) 通過對電路中的電阻加載參數(shù)及耦合部分耦合參數(shù)進(jìn)行理論和仿真分析,設(shè)計(jì)和加工了一款兩級傳輸型負(fù)群時(shí)延電路．實(shí)測結(jié)果表明,該電路既能實(shí)現(xiàn)較大范圍的負(fù)群時(shí)延值配置,又能保持較低的信號衰減．

3) 本文提出的傳輸型負(fù)群時(shí)延電路具有結(jié)構(gòu)緊湊、信號衰減小、負(fù)群時(shí)延值可靈活配置等優(yōu)點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)負(fù)群時(shí)延電路提供了一種簡單可行的設(shè)計(jì)方案．

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Anovelconfigurabletransmission-typemicrostripnegativegroupdelaycircuit

Liu Gang Xu Jinping

(State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, Nanjing 210096, China)

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A

1001-0505(2017)05-0856-05

2017-03-06.

劉剛(1984—),男,博士生;徐金平(聯(lián)系人),男,博士，教授,博士生導(dǎo)師,jpxu@seu.edu.cn.

劉剛,徐金平.一種新型的可配置傳輸型微帶負(fù)群時(shí)延電路[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(5):856-860.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.05.003.

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