一种多阶重构的负电容的制作方法

本发明涉及微波电路技术领域，尤其是一种多阶重构的负电容。

背景技术

近年来，随着无线通信领域的理论的逐渐完善，微波电路设计水平也得到不断提升，人们对通信系统的宽带化要求也愈发严格。需要说明的是，本文中所述的微波电路是指波长为厘米、毫米级别的电磁波，其频率在1ghz～30ghz。众所周知，由于微波电路元器件中存在寄生参数的限制，电路的工作带宽及有效匹配过程往往只能存在于一个极小的范围之内。因此，在本技术领域内，如何有效地消除这些寄生参数从而扩展带宽已经成为了当代微波毫米波电路研究领域的一项热点。需要注意的是，在传统电路中的寄生电容均为正值，目前，本领域内并未提出一个负值的电容，也无法消除其寄生效应。

研究表明，通过控制一个负群延时电路的延时特性并对电路的增益/衰减特性进行调节，可以获得元件值为负的等效电容，应用了这种负电容的网络又被称为non-foster电容网络。该网络的一个重要特征为电路的电抗或电导值随着频率的增加而呈现出负的斜率特性。不同于传统电路，应用了负电容的电路可以克服以下限制：第一，最为典型的特性是该元件可以突破bode-fano规则的限制，这意味着其可以在极宽的带宽内实现更大的q值，这对于超宽带系统而言意义重大。第二，一个负的电容完全可以被用来补偿传统元件中的寄生参量。根据晶体管的寄生效应理论，影响晶体管的截止频率的重要因素之一是电路中的寄生电容。若通过并联负电容的方式对寄生电容进行补偿，在理论上就可以实现极高频率的高增益电路。但是，目前设计和研究得到的负电容尚难以实现灵活可变的重构功能，这种缺陷使得设计对于工艺误差的容忍度降低，同时电路难以在某些可调系统中获得广泛应用。

因此，急需要提出一种能够实现工作频率、等效容值和连接方式均可重构的等效负电容电路。

技术实现要素：

针对上述不足之处，本发明的目的在于提供一种多阶重构的负电容，本发明采用的技术方案如下：

一种多阶重构的负电容，所述负电容为至少两阶重构结构，且该负电容包括输入端口p1，输出端口p2，第一负载端口p3，第二负载端口p4，依次串联后一端与输入端口p1连接、且另一端与第一负载端口p3连接的第一微带传输线tl1、串联可调电容c6、第三微带传输线tl3和第五微带传输线tl5，依次串联后一端与输出端口p2连接、且另一端与第二负载端口p4连接的第二微带传输线tl2、串联可调电容c3、第四微带传输线tl4和第六微带传输线tl6，一端连接在第一微带传输线tl1与串联可调电容c6之间、且另一端接地的并联可调电容c1，一端连接在串联可调电容c6与第三微带传输线tl3之间、且另一端接地的并联可调电容c7，一端连接在第三微带传输线tl3与第五微带传输线tl5之间、且另一端接地的并联可调电容c8，一端连接在并联可调电容c8与第五微带传输线tl5之间、且另一端接地的并联可调电容c10，一端连接在第二微带传输线tl2与串联可调电容c3之间、且另一端接地的并联可调电容c2，一端连接在串联可调电容c3与第四微带传输线tl4之间、且另一端接地的并联可调电容c4，一端连接在第四微带传输线tl4与第六微带传输线tl6之间、且另一端接地的并联可调电容c5，一端连接在并联可调电容c5与第六微带传输线tl6之间、且另一端接地的并联可调电容c9，输入端连接在并联可调电容c1与串联可调电容c6之间、且输出端连接在并联可调电容c2与串联可调电容c3之间的第一阶跨导gm1，以及输入端连接在并联可调电容c8与并联可调电容c10之间、且输出端连接在并联可调电容c5与并联可调电容c9之间的第二阶跨导gm2。

优选地，所述第一阶跨导gm1与第二阶跨导gm2的跨导值相同，并且串联可调电容c3与串联可调电容c6保持相同的调节电容值。

进一步地，所述第一微带传输线tl1、第二微带传输线tl2、第五微带传输线tl5和第六微带传输线tl6的结构和电特性均相同，并且第三微带传输线tl3与第四微带传输线tl4的结构和电特性相同。

进一步地，所述并联可调电容c1、并联可调电容c2、并联可调电容c9和并联可调电容c10均保持相同的调节电容值，并且并联可调电容c4、并联可调电容c5、并联可调电容c7和并联可调电容c8均保持相同的调节电容值。

更进一步地，所述负电容，还包括连接在第二阶跨导gm2与并联可调电容c9、并联可调电容c10之间、且至少配置一阶的扩充带宽单元。其中，所述扩充带宽单元所述扩充带宽单元包括串联后一端与第二阶跨导gm2的输出端连接、且另一端连接在并联可调电容c9与第六微带传输线tl6之间的串联可调电容c15和第八微带传输线tl8，串联后一端与第二阶跨导gm2的输入端连接、且另一端连接在并联可调电容c10与第五微带传输线tl5之间的串联可调电容c16和第七微带传输线tl7，一端连接在串联可调电容c15与第八微带传输线tl8之间、且另一端接地的并联可调电容c11，一端连接在第八微带传输线tl8与并联可调电容c9之间、且另一端接地的并联可调电容c12，一端连接在串联可调电容c16与第七微带传输线tl7之间、且另一端接地的并联可调电容c13，一端连接在第七微带传输线tl7与并联可调电容c10之间、且另一端接地的并联可调电容c14，以及输入端连接在并联可调电容c10与并联可调电容c14之间、且输出端连接在并联可调电容c9与并联可调电容c12之间的第三阶跨导gm3。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明巧妙地设置并联、串联可调的电容器和微带传输线，通过调节各电容器，实现等效传输相移和特性阻抗的改变，当第一跨导gm1与第二跨导gm2的垮导值相同时，在一定频带内实现负群延时输出。另外，本发明采用微带传输线，由于微带传输线的传输相移可重构，进而，实现整个系统的传输相应函数的相位重构。与现有技术相比，本发明可实现电路的工作频率、等效电容值和连接方式的同时或分别重构。

(2)本发明采用分布式的布局方式，更有利于高频运用。

(3)本发明具有良好的扩展性能，根据电路的工作频率增减扩充带宽单元。可以说，本发明具有结构简单、扩张性能良好、多阶重构等优点，在微波电路技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的二阶重构负电容的结构示意图。

图2为本发明的工作频率重构的并联负电容的实物图。

图3为本发明的工作频率重构的并联负电容的频率-变功率比测试曲线图。

图4为本发明的工作频率重构的并联负电容的频率-相位测试曲线图。

图5为本发明的电容值重构的并联负电容的实物图。

图6为本发明的电容值重构的并联负电容的频率-变功率比测试曲线图。

图7为本发明的电容值重构的并联负电容的频率-相位测试曲线图。

图8为本发明的连接方式重构的负电容的实物图。

图9为本发明的连接方式重构的负电容的频率-变功率比测试曲线图。

图10为本发明的连接方式重构的负电容的频率-相位测试曲线图。

图11为本发明的三阶重构的负电容的结构示意图。

图12为本发明的三阶重构的负电容的频率-变功率比测试曲线图。

图13为本发明的三阶重构的负电容的频率-相位测试曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

如图1至图10所示，本实施例提供了一种二阶重构的负电容，其中，重构包括工作频率重构、电容值重构和连接方式重构，需要说明的是，本实施例中所述的“第一”、“第二”、“第三”、……等序号用语仅用于区分同类部件，不能理解成对保护范围的特定限定。具体来说，该二阶重构的负电容包括输入端口p1，输出端口p2，第一负载端口p3，第二负载端口p4，依次串联后一端与输入端口p1连接、且另一端与第一负载端口p3连接的第一微带传输线tl1、串联可调电容c6、第三微带传输线tl3和第五微带传输线tl5，依次串联后一端与输出端口p2连接、且另一端与第二负载端口p4连接的第二微带传输线tl2、串联可调电容c3、第四微带传输线tl4和第六微带传输线tl6，一端连接在第一微带传输线tl1与串联可调电容c6之间、且另一端接地的并联可调电容c1，一端连接在串联可调电容c6与第三微带传输线tl3之间、且另一端接地的并联可调电容c7，一端连接在第三微带传输线tl3与第五微带传输线tl5之间、且另一端接地的并联可调电容c8，一端连接在并联可调电容c8与第五微带传输线tl5之间、且另一端接地的并联可调电容c10，一端连接在第二微带传输线tl2与串联可调电容c3之间、且另一端接地的并联可调电容c2，一端连接在串联可调电容c3与第四微带传输线tl4之间、且另一端接地的并联可调电容c4，一端连接在第四微带传输线tl4与第六微带传输线tl6之间、且另一端接地的并联可调电容c5，一端连接在并联可调电容c5与第六微带传输线tl6之间、且另一端接地的并联可调电容c9，输入端连接在并联可调电容c1与串联可调电容c6之间、且输出端连接在并联可调电容c2与串联可调电容c3之间的第一阶跨导gm1，以及输入端连接在并联可调电容c8与并联可调电容c10之间、且输出端连接在并联可调电容c5与并联可调电容c9之间的第二阶跨导gm2。其中，在第一负载端口p3与第二负载端口p4之间串联一个50ω的负载。

在本实施例中，第一阶跨导gm1与第二阶跨导gm2的跨导值相同，串联可调电容c3与串联可调电容c6在调节过程中始终保持相同的调节电容值。同理地，并联可调电容c1、并联可调电容c2、并联可调电容c9和并联可调电容c10在调整过程中均保持相同的调节电容值，并且并联可调电容c4、并联可调电容c5、并联可调电容c7和并联可调电容c8在调整过程中均保持相同的调节电容值。另外，该第一微带传输线tl1、第二微带传输线tl2、第五微带传输线tl5和第六微带传输线tl6的结构和电特性均相同，并且第三微带传输线tl3与第四微带传输线tl4的结构和电特性相同。

在本实施例中，通过调节各个可调电容器、tl1-tl6的等效传输相移和特性阻抗均可以发生变化，故在相同的跨导gm1＝gm2的条件下，可以在一定频带内实现负群延时传输，又因为传输线的传输相移可进行重构，所以整个系统的传输响应函数的相位可以重构，即s21的相位可重构。同时，两阶跨导同时发生变化时，电路的传输响应函数的幅度也可重构，即s21的幅度可以重构。因此，只要使电路的s参数在某一频带内与一个特定的负电容保持一致，就可以认为该电路等效为该负电容。当电路的s21进行重构的时候，负电容就可以实现重构。

另外，本实施例的负电容可分别连接成工作频率重构、电容值重构和连接方式重构，本实施例的重构性是通过控制可调电容器两端的电压来实现的。为了清晰、严谨地展现本实施例的电路特性，特进行s参数测试。图2给出了一个工作频率重构的-10pf并联等效电容电路，电路尺寸和元器件型号都在图中标识出来，图3、图4为图2中电路的工作频率重构特性测试曲线。从图中可以看出，该电路可以在保持-10pf的值不变的情况下，中心工作频率从0.7ghz重构至0.8ghz，工作带宽为60mhz。另外，图5给出了一个工作于1ghz的电容值重构的串联负电容电路，图6、图7给出了电路的容值可重构特性测试曲线。从试验图形中可以看出，该电路可以在保持1ghz中心频率的值不变的情况下，等效容值从-1.1pf重构至-2.5pf。不仅如此，图8给出了一个连接方式可重构的负电容电路，图9、图10给出了该电路的连接方式可重构特性测试曲线。实验证明，该电路可以在保持0.7ghz中心频率的值不变的情况下，实现-10pf串联电容至-1.3pf并联电容的重构特性。

实施例2

如图11至图13所示，本实施例提供了一种三阶重构的负电容，为了满足工作带宽的要求，需要在二阶重构的负电容基础上增加第三微带传输线tl3、第四微带传输线tl4、串联可调电容c3、并联可调电容c4、并联可调电容c5、串联可调电容c6、并联可调电容c7、并联可调电容c8和第二阶跨导gm2，增加所依次对应的是第七微带传输线tl7、第八微带传输线tl8、串联可调电容c15、并联可调电容c11、并联可调电容c12、串联可调电容c16、并联可调电容c13、并联可调电容c14和第二阶跨导gm3。具体来说，串联可调电容c15和第八微带传输线tl8串联后一端与第二阶跨导gm2的输出端连接、且另一端连接在并联可调电容c9与第六微带传输线tl6之间，串联可调电容c16和第七微带传输线tl7串联后一端与第二阶跨导gm2的输入端连接、且另一端连接在并联可调电容c10与第五微带传输线tl5之间，并联可调电容c11的一端连接在串联可调电容c15与第八微带传输线tl8之间、且另一端接地，并联可调电容c12的一端连接在第八微带传输线tl8与并联可调电容c9之间、且另一端接地，并联可调电容c13的一端连接在串联可调电容c16与第七微带传输线tl7之间、且另一端接地，并联可调电容c14的一端连接在第七微带传输线tl7与并联可调电容c10之间、且另一端接地，并且第三阶跨导gm3的输入端连接在并联可调电容c10与并联可调电容c14之间、且输出端连接在并联可调电容c9与并联可调电容c12之间。

在本实施例中，为了扩展工作带宽而设计的三阶可重构并联负电容电路，并且也给出了该电路的测试曲线。从图中可以看出，该电路可以实现0.84ghz下的-10pf并联负电容及0.95ghz频率下的-3.8pf并联负电容的重构特性。另外，将图3、图4与图12、图13进行对比可以看出，在800mhz下的-10pf并联负电容能有效地将工作带宽从0.77-0.83ghz拓展到0.78-0.9ghz，由此可见，带宽拓展幅度达到一倍。

本发明的负电容可以实现工作频率、等效容值和连接方式的三维重构，并且还能通过增加阶数来实现带宽拓展。综上所述，本发明具有结构简单、易于调谐、制造成本低等优点，与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，在射频微波系统中具有广阔的市场前景。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。