一种围栏型低损耗宽带负群时延补偿电路及其设计方法与流程

1.本发明涉及微波工程技术领域，具体而言，涉及一种围栏型低损耗宽带负群时延补偿电路及其设计方法。


背景技术：

[0002]“群时延”(group delay,gd)这一概念早在上世纪30年代就被提出，它是用来描述相位随着频率变化快慢程度的量，是通过相位对角频率求负导数得到的。群时延可以用来表征信号传输过程中产生的相位失真。输入信号包含不同频率分量，频率不同的信号传输所需的时间不同，经过系统后也会有各个频率分量对应的时延。绝大多数的电路元件(微波传输线、滤波器和功分器等)组合产生的响应均会呈现出正的群延时特性。然而，由于现代通信系统传输速率的飞速提升，系统工作频率的逐渐提高，经过系统所产生的正群时延是人们不愿意看到的。在射频系统中，对群时延进行色散补偿可以减小由于色散效应产生的信号波形畸变。此外，群时延还会对噪声特性产生不好的影响。由此可见，群延时使通信系统存在多个不稳定因素，并且这些缺陷通常是难以避免的。在微波传输线中，对所有频率的相位响应均为固定值的微带线是较难实现的，因此相位特性的不稳定会造成电路参数的恶化从而产生正群时延。这也使得如何实现对正群时延的反向补偿这一问题得到广泛的研究。在这样的大背景下，负群时延(negative group delay，ngd)电路应运而生。
[0003]
目前大多的负群时延微波电路都是基于rlc谐振器或是微带耦合实现，存在插入损耗大、带宽窄的缺点。而其中使用的集总元件往往只有一些规范标准值，限制了设计的灵活性。对于近年来提出的基于有耗传输线的负群时延电路和基于有限品质因数谐振器的交叉耦合电路，其理论都非常复杂，设计难度大。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种围栏型低损耗宽带负群时延补偿电路及其设计方法，以解决背景技术中所指出的插入损耗大、带宽窄、灵活性差等问题。
[0005]
本发明的实施例通过以下技术方案实现：一种围栏型低损耗宽带负群时延补偿电路，由四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节和围栏型耦合单元组成，所述四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节和围栏型耦合单元依靠电容耦合；
[0006]
其中，所述围栏型耦合单元由外围开口接地环、套于开口接地环内部的接地金属片以及介质基板和下表面敷铜共同组成，所述开口接地环的开口方向与四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节的开放侧方向一致；
[0007]
所述四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节由在介质基板上表面敷铜的半模衬底集成波导以及加载在下表面金属层上的四方连续结构慢波网络组成，所述半模衬底集成波导通过远离围栏型耦合单元一侧加工的金属化通孔阵列连接至下表面金属层。
[0008]
进一步地，所述开口接地环和接地金属片均为方形。
[0009]
进一步地，所述开口接地环外围接地的金属化通孔h1位于开口接地环开口方向的正后方，接地金属片内部接地的金属化通孔h2位于接地金属片的中心位置。
[0010]
进一步地，所述半模衬底集成波导包括微带线和上表面金属层，所述微带线和上表面金属层组成的结构为t形状。
[0011]
进一步地，所述四方连续结构加载型半模衬底集成波导和围栏型耦合单元以所述开口接地环的开口方向为对称轴对称布设。
[0012]
进一步地，所述四方连续结构慢波网络由下表面金属层蚀刻的n个直接连接的四方连续型单元构成，n为大于等于1的正整数。
[0013]
进一步地，所述四方连续结构慢波网络设置在金属化通孔h1与金属化通孔阵列之间。
[0014]
本发明还提供一种针对上述所述的围栏型低损耗宽带负群时延补偿电路的设计方法，包括以下步骤：
[0015]
s1.根据s参数的理论，推导出负群时延补偿电路的s参数矩阵，得到电路的反射系数|s
11
|和传输系数|s
21
|；
[0016]
s2.由负群时延定义来推导出群时延的表达式τg(ω)，式中，c表示真空中的光速，ng(ω)表示群折射率；
[0017]
s3.通过hfss仿真软件对该负群时延补偿电路的|s
11
|、|s
21
|、τg(ω)和传输相位进行仿真，经过电磁参数优化之后确定负群时延补偿电路基本参数的尺寸。
[0018]
进一步地，步骤s2所述群时延的表达式τg(ω)如下：
[0019][0020]
式中，l表示介质长度。
[0021]
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明通过围栏型耦合单元与四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节的整体耦合结构产生的等效负电容，等效出具有负介电常数性质的材料，然后结合具有负磁导率的围栏型耦合单元，形成同时具有负介电常数和负磁导率的左手材料，以此形成一种耦合式的负群时延补偿电路。
[0022]
本发明的负群时延补偿电路仅由四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节以及围栏型耦合单元组成，比传统的负群时延补偿电路制作更加简单，提供了新的设计自由度；且通过半模衬底集成波导底面加载的四方连续结构慢波网络，使得本结构与传统的负群时延补偿电路相比，具有更低的插入损耗和易于实现多通带、宽带的传输特性。
附图说明
[0023]
图1为本发明的结构示意图；
[0024]
图2为本发明的围栏型耦合单元示意图；
[0025]
图3为本发明的上表面金属层示意图；
[0026]
图4为本发明的下表面金属层示意图；
[0027]
图5为本发明的负群时延补偿电路的|s
11
|和|s
21
|仿真结果示意图；
[0028]
图6为本发明的负群时延补偿电路的群时延仿真结果示意图；
[0029]
图7为本发明的负群时延补偿电路的传输相位仿真结果示意图；
[0030]
图标：1-上表面金属层，2-介质基板，3-下表面金属层，4-金属化通孔阵列，5-微带线，6-四方连续结构慢波网络，7-开口接地环，8-接地金属片，9-金属化通孔h1，10-金属化通孔h2。
具体实施方式
[0031]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0032]
实施例1
[0033]
参考图1所示的围栏型低损耗宽带负群时延补偿电路，由四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节和围栏型耦合单元组成，所述四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节和围栏型耦合单元依靠电容耦合。
[0034]
参考图4，围栏型耦合单元由外围开口接地环7、套于开口接地环7内部的接地金属片8以及介质基板2和下表面敷铜共同组成，所述开口接地环的开口方向与四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节的开放侧方向一致。在本实施例中，采用标准印刷电路板工艺(pcb)，介质基板2为kappa 438层压板，相对介电常数为4.38，介质损耗角正切为0.005，厚度为1.016mm，上下表面金属均为0.035mm铜层。
[0035]
进一步地，参考图2，所述四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节由在介质基板2上表面敷铜的半模衬底集成波导以及加载在下表面金属层3上的四方连续结构慢波网络6组成，所述半模衬底集成波导通过远离围栏型耦合单元一侧加工的金属化通孔阵列4连接至下表面金属层3。参考图3，四方连续结构慢波网络6由下表面金属层3蚀刻的n个直接连接的四方连续型单元构成，n为大于等于1的正整数。在本实施例的一种实施方式中，所述四方连续结构慢波网络6包括多个呈周期排列的“x”形微带节点，每一四方连续型单元的“x”形微带节点的四个夹角处均向外平行延伸出两个分支，两个分支靠近夹角的一端点垂直相交，且另一端点与相邻四方连续型单元中的分支通过横向微带线5/纵向微带线5连接，相邻四方连续型单元中的分支连接构成棱形。
[0036]
需要说明的是，基于加载左手材料是实现负群时延电路的一类重要手段，本发明通过围栏型耦合单元与四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节的整体耦合结构产生的等效负电容，等效出具有负介电常数性质的材料，然后结合具有负磁导率的围栏型耦合单元，形成同时具有负介电常数和负磁导率的左手材料，以此形成一种耦合式的负群时延补偿电路。本发明的负群时延补偿电路仅由四方连续结构加载型慢波半模衬底集成波导传输节以及围栏型耦合单元组成，比传统负群时延补偿电路制作更加简单，提供了新的设计自由度。
[0037]
实施例2
[0038]
本实施例在上述实施例的基础上对围栏型耦合单元的结构做了优化。
[0039]
在本实施例中，所述开口接地环7和接地金属片8均为方形，其中，开口接地环7为“c”形微带线，所述开口接地环7外围接地的金属化通孔h19位于开口接地环7开口方向的正
后方，接地金属片8内部接地的金属化通孔h210位于接地金属片8的中心位置，四方连续结构慢波网络6设置在金属化通孔h19与金属化通孔阵列4之间。需要说明的是，在本实施例中，通过实验对比四方连续结构慢波网络分别加载在半模衬底集成波导的顶面、底面和围栏型单元的底面等处各自产生的效果后发现，发现四方连续结构慢波网络加载在半模衬底集成波导底面的效果是最好的，优选的，四方连续结构慢波网络加载在半模衬底集成波导的底面，以此实现减小插入损耗的效果。
[0040]
具体的，“c”形微带线5的尺寸为4.2mm，线宽为0.3mm，开口宽度为0.2mm，“c”形微带线5与内部方形接地金属片8的间隔距离为0.2mm，围栏型耦合单元与半模衬底集成波导的耦合距离为0.84mm。
[0041]
基于该结构的设计方法如下，包括：一种围栏型低损耗宽带负群时延补偿电路的设计方法，包括以下步骤：
[0042]
s1.根据s参数的理论，推导出负群时延补偿电路的s参数矩阵，得到电路的反射系数|s
11
|和传输系数|s
21
|；
[0043]
s2.由负群时延定义来推导出群时延的表达式τg(ω)，式中，c表示真空中的光速，ng(ω)表示群折射率；
[0044]
所述群时延的表达式τg(ω)如下：
[0045][0046]
式中，l表示介质长度。
[0047]
s3.通过hfss仿真软件对该负群时延补偿电路的|s
11
|、|s
21
|、τg(ω)和传输相位进行仿真，经过电磁参数优化之后确定负群时延补偿电路基本参数的尺寸。
[0048]
以下对本发明实施例的仿真结果进行说明：
[0049]
本发明基于hfss仿真软件对该负群时延补偿电路在5.4ghz～5.8ghz进行仿真。参见图5所示出的仿真结果可知，该负群时延补偿电路工作于c频段，在中心频率5.62ghz时，电路的反射系数|s
11
|约为-11.9db，电路的传输系数|s
21
|约为-3.09db。
[0050]
参见图6所示出的仿真结果可知，电路的群时延峰值约为-1.46ns，-1ns处的带宽约为19.2mhz。
[0051]
参见图7所示出的仿真结果可知，本发明的补偿电路有13.5
°
的相位补偿效果。
[0052]
综上，本发明的负群时延补偿电路与传统负群时延补偿电路相比，该结构具有更低的插入损耗和易于实现多通带、宽带的传输特性。
[0053]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。