一种新型的可配置传输型微带负群时延电路

刘 刚 徐金平

(东南大学毫米波国家重点实验室, 南京 210096)

一种新型的可配置传输型微带负群时延电路

刘 刚 徐金平

(东南大学毫米波国家重点实验室, 南京 210096)

提出了一种基于有耗微带耦合谐振单元的传输型负群时延电路,该电路利用电阻加载的方式实现负群时延值的灵活调节．微带耦合谐振单元电路中采用了开路扇形线结构,有效减小了电路尺寸．基于有耗耦合线谐振单元的等效网络模型,分析了加载电阻及耦合系数对信号传输及负群时延特性的影响,并对整体微带电路进行了三维电磁仿真分析．设计加工了一款两级传输型负群时延电路实验样品,在耦合谐振器特定位置分别加载100～300 Ω范围内不同阻值电阻的状态下,对该电路的群时延特性进行了测试．结果表明:在中心频率1.79 GHz附近,该电路可配置获得-2～-12 ns的负群时延值，其最大信号衰减在6～10 dB范围内．这种新型的负群时延电路具有结构紧凑、信号衰减小、负群时延值可灵活配置等优点．

传输型;负群时延;有耗耦合谐振单元;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.

负群时延电路在微波系统中的应用价值正使其成为一个备受关注的研究热点[1-10]．目前国外已有大量有关负群时延(NGD)电路研究及其应用的报道[1-3].早期报道的负群时延电路基本上都是采用集总元件(电阻、电容、电感)设计．为了克服集总元件工作频率上限低的缺点,文献[4-5]设计了基于微带分布参数的负群时延电路，电路均采用反射型的电路结构,此类结构需要额外的一个3 dB电桥或3 dB耦合器,在一定程度提高了电路设计的复杂度,同时反射型电路结构对信号的衰减比较严重,需要采用一些额外阻抗匹配电路降低信号衰减．文献[6-7]报道的传输型负群时延电路结构相对比较简单,但其所能实现的负群时延值范围有限,且不易进行群时延值的灵活配置,同时其电路尺寸比较大．因此,研究设计一款信号衰减低、群时延值可配置、结构简单的负群时延电路对于提高微波系统性能具有重要实际意义．

本文设计了一款基于有耗微带耦合线谐振单元的传输型负群时延电路．仿真结果显示该电路在较低的信号衰减下能够获得比较可观的负群时延．通过调整加载不同阻值的电阻,可以配置不同的负群时延值．基于仿真模型设计加工了一款传输型负群时延电路,测试结果与仿真结果吻合较好．相比文献[4-7]报道的负群时延电路,本文电路具有电路紧凑、结构简单和低信号衰减及负群时延可灵活配置等优点．

1 电路模型

传输型耦合线谐振单元如图1(a)所示,图中，Zo,Ze,θ分别为平行耦合线的奇模阻抗、偶模阻抗和电长度，R为0402封装电阻.其主要功能部分为一个电阻加载的有耗微带谐振器．微带谐振器在给定的谐振频率附近的电长度为λ/4,其中λ为波长.通过在耦合器靠近短路端的特定位置加载一集总参数电阻,同时采用开路扇形线等效替代悬置开路枝节,则微带耦合器转化为一个紧凑型有耗耦合谐振器,其电路等效模型如图1(b)所示．电路的耦合线部分相当于一个导纳倒相器J,紧凑型有耗谐振器单元等效于一个电感、电容、电阻并联的谐振器．其中,有耗谐振器的导纳Y′可以表示成

(1)

式中,Re为等效电阻;Ce为等效电容;Le为等效电感;ω为信号频率．

通过导纳倒相器J转换,耦合线谐振单元的导纳Y可以表示成

(2)

图1有耗耦合线谐振单元及其等效电路模型

从式(2)的导纳表达式可知,电路可以等效为一个并联到地的串联有耗谐振单元,因此耦合线谐振单元的等效电路模型可以进一步简化为如图1(c)所示电路．根据二端口网络阻抗特性可以推导出耦合线谐振单元的传输参数表达式为

(3)

式中,Z0为端口参考阻抗．文献[8]对并联谐振电路的群时延特性进行了理论推导,根据其结论,可导出此电路单元的群时延表达式为

(4)

由式(3)、(4)可知,耦合线谐振单元的群时延及信号衰减特性受耦合线部分的耦合系数、加载电阻特性的影响．因此,在电路的输入输出端口参考阻抗及微带线结构物理参数确定的情况下,耦合线谐振单元的负群时延值及信号衰减量由加载的电阻值决定．因此在实际电路调测时可以通过调整加载电阻的阻值,获得期望的负群时延值．

2 电路仿真与分析

本节对以耦合线谐振单元为电路设计单元传输型负群时延电路方案进行了建模仿真．仿真模型基于厚度为0.508 mm规格的Rogers 4350B板材进行建模,板材的相对介电常数为3.66,损耗角正切值为0.004．采用全波电磁仿真软件ANSYS HFSS15.0对电路模型进行了仿真优化．

2.1 一级传输型负群时延电路仿真分析

为考察耦合线谐振单元的负群时延特性,对一级传输型负群时延电路进行了仿真设计,电路的工作中心频率设计为1.79 GHz．通过仿真软件对耦合线谐振单元的物理模型参数进行了优化仿真,优化后的参数见图2．由上述理论分析可知,耦合线部分的耦合系数、加载电阻的参数对电路负群时延的影响较大．为了进一步考察这几个参数对电路性能的影响并为后续的负群时延电路设计提供指导,对耦合线的耦合系数、电阻加载位置及加载电阻值分别进行了仿真考察．改变耦合线部分耦合系数,耦合系数C由10 dB增加至20 dB,其负群时延及信号衰减值的仿真结果见图3.由仿真结果可知,当耦合线部分的耦合系数增强时,在工作中心频率的负群时延值增大,相应的信号衰减也将增大,负群时延带宽将变大．加载电阻的阻值由100 Ω增加到400 Ω的电路仿真结果如图4所示,随着加载电阻的阻值增大,可获得负群时延值将提高,而信号衰减量将增大,负群时延带宽将变窄．改变加载电阻与谐振器接地端的距离与改变加载电阻值对电路性能有相似的影响,其仿真结果如图5所示．综上仿真分析可知,电路的负群时延值及信号衰减量是由耦合线部分的耦合系数、加载电阻阻值及电阻在谐振器的加载位置3个参量共同影响决定的．在实际电路加工调试中,耦合线的耦合系数及电阻加载位置一经加工制作就无法改变,而加载电阻的阻值是可以根据实际需要灵活配置的．

图2 一级NGD电路仿真模型配置(单位:mm)

(a) 传输参数S21与群时延仿真结果

(b) 端口反射参数S11仿真结果

(a) 传输参数S21与群时延仿真结果

(b) 端口反射参数S11仿真结果

(a) 传输参数S21与群时延仿真结果

(b) 端口反射参数S11仿真结果

2.2 两级传输型负群时延电路仿真分析

从一级电路的仿真结果可以看出,要获得比较大的负群时延值,电路需要加载较大的电阻或将耦合线部分的耦合系数提高,但这将使输入输出端口的反射系数严重恶化,同时高耦合系数也给电路基片的加工带来一定困难．为此基于耦合线谐振单元设计了一款工作中心频率为1.79 GHz的两级传输型负群时延电路,该电路采用两级耦合线谐振单元反向对称的结构．两级传输型负群时延电路拓扑如图6(a)所示,电路采用的是反向背靠背的级联方式,2个耦合线谐振单元在其间的级联端口处直接级联,不需要额外的阻抗匹配电路．如图6(b)所示,在级联端口处有Γ1,in=Γ2,in,这种连接方式不仅能简化电路结构,同时能实现较好的阻抗匹配．基于一级负群时延电路的加载位置、加载阻值及耦合系数参数的仿真研究，并结合电路加工的可行性,两级负群时延电路的电阻加载位置参数选择为L3=3.0 mm,设计的耦合线部分的耦合系数选为C=14 dB(对应的缝隙宽度为S=0.25 mm),其详细的电路参数见图6(a)．对不同电阻值加载情况下的负群时延特性及传输特性进行三维电磁仿真,仿真结果如图7所示．从仿真结果可知,采用耦合线谐振单元反向级联方式构建的传输型两级负群时延电路在加载100～300 Ω之间不同阻值电阻的条件下,可以获得-2.0～-14 ns范围内的负群时延值,而其信号衰减值在6.0～11 dB之间,同时其输入输出端口反射系数均优于-15 dB．

(a) 传输参数S21与群时延仿真结果

3 电路测试与结果分析

为了验证仿真分析模型,对本文中仿真部分提出的两级传输型负群时延电路进行了加工和测试．电路基片采用0.508 mm厚度Rogers 4350B板材,按照仿真优化后的物理尺寸参数进行电路加工,具体参数见图6(a)．使用安捷伦公司的矢量网络分析仪(E8363C)对加工的电路进行了测量,测量结果如图8所示．实测结果显示,在耦合线谐振器耦合系数为14 dB,在离微带谐振器接地端3.0 mm处加载不同阻值的电阻,能够获得-2～-12 ns的负群时延值,其信号衰减值在6～10 dB之间．表1为本文设计加工的两级负群时延电路与文献[4-7]电路的主要性能参数对比,从表中数据可以看出,本文设计的传输型负群时延电路在信号衰减、可配置性、端口驻波比及电路尺寸方面具明显的优势．

(a) 传输参数S21与群时延实测结果

(b) 端口反射参数S11实测结果

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

注：f0为工作中心频率；Gmax为最大负群时延；Amax为最大信号衰减；S11max为端口反射系数最大值；λg为导波长度.

4 结论

1) 提出了一种基于有耗耦合谐振结构的传输型负群时延电路．

2) 通过对电路中的电阻加载参数及耦合部分耦合参数进行理论和仿真分析,设计和加工了一款两级传输型负群时延电路．实测结果表明,该电路既能实现较大范围的负群时延值配置,又能保持较低的信号衰减．

3) 本文提出的传输型负群时延电路具有结构紧凑、信号衰减小、负群时延值可灵活配置等优点,为实现负群时延电路提供了一种简单可行的设计方案．

References)

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Anovelconfigurabletransmission-typemicrostripnegativegroupdelaycircuit

Liu Gang Xu Jinping

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

TM131.4

A

1001-0505(2017)05-0856-05

2017-03-06.

刘刚(1984—),男,博士生;徐金平(联系人),男,博士，教授,博士生导师,jpxu@seu.edu.cn.

刘刚,徐金平.一种新型的可配置传输型微带负群时延电路[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(5):856-860.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.05.003.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.05.003