一种双频带负群时延电路及其参数确定方法与流程

本发明涉及负群时延电路技术领域，特别是涉及一种双频带负群时延电路及其参数确定方法。

背景技术：

负群时延电路已经成为近年来的研究热点之一。与常规微波元器件不同，负群时延电路的传输相位与工作带宽内的频率成正比。该特性使得它可以与传统组件级联以获得平坦的群时延响应，从而消除了色散效应。此外，相关研究已经发现，通过适当调整负群时延电路的增益，相位和群时延，它可以等效为非福斯特元件或网络。如果等效的非福斯特电路的相位，增益和群时延是可调的，则元件值也是可调的。而且，负群时延性能可用于设计带阻滤波器和群时延可选的功率分配器。

尽管有许多应用，但大多数ngd电路都被设计为单频带的。在文献g.chaudhary,p.kim,j.jeong,y.jeongandj.lim,"dual-bandnegativegroupdelaycircuitusingdefectedmicrostripstructure,"2015ieeeradioandwirelesssymposium,sandiego,ca,2015,pp.129-131中，两个工作在不同频率的ngd单元被级联，因此整体传递函数可以实现双频性能。但是，这种设计方法会导致电路面积过大。此外，由于电路经常在ngd频率下遭受较大的传输损耗，因此该设计方法将进一步增加损耗。在文献t.shao,s.fang,z.wang,h.liuands.fu,"anoveldual-bandnegativegroupdelaymicrowavecircuit,"2019ieeeradioandwirelesssymposium,orlando,fl,usa,2019,pp.1-3中，电路实现了双频带ngd特性，但是两个工作角频率在数值上相关。

技术实现要素：

本发明的目的是提供双频带负群时延电路及其参数确定方法，以实现任何两个指定频率上的负群时延。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种双频带负群时延电路，所述负群时延电路包括：六个微带传输线和两个晶体管跨导，六个所述微带传输线分别为微带传输线tl1、微带传输线tl2、微带传输线tl3、微带传输线tl4、微带传输线tl5、微带传输线tl6、两个所述晶体管跨导分别为晶体管跨导gm1和晶体管跨导gm2；

所述微带传输线tl1的一端与输入端口p1连接，所述微带传输线tl1的另一端与所述微带传输线tl2的一端连接，所述微带传输线tl2的另一端与所述微带传输线tl3一端连接，所述微带传输线tl3的另一端与连接负载的一个端口p3连接；

所述微带传输线tl4的一端与输出端口p2连接，所述微带传输线tl4的另一端与所述微带传输线tl5的一端连接，所述微带传输线tl5的另一端与所述微带传输线tl6一端连接，所述微带传输线tl6的另一端与连接负载的另一个端口p4连接；

所述晶体管跨导gm1的输入端与所述微带传输线tl1的另一端和所述微带传输线tl2的一端共点连接；所述晶体管跨导gm1的输出端与所述微带传输线tl4的另一端和所述微带传输线tl5的一端共点连接；

所述晶体管跨导gm2的输入端与所述微带传输线tl2的另一端和所述微带传输线tl3一端共点连接；所述晶体管跨导gm2的输出端与所述微带传输线tl5的另一端和所述微带传输线tl6一端共点连接；

六个所述微带传输线的特性阻抗和传输相位根据双频带负群时延电路的两个工作角频率采用求解参数求解方程组的方式确定。

可选的，所述微带传输线tl1、所述微带传输线tl3、所述微带传输线tl4、所述微带传输线tl6的特性阻抗相同，均为z1，所述微带传输线tl1、所述微带传输线tl3、所述微带传输线tl4、所述微带传输线tl6的传输相位相同，均为θ1，所以微带传输线tl4、所述微带传输线tl6传输的信号的工作角频率ω10和θ1成正比；所述微带传输线tl2、所述微带传输线tl5的特性阻抗相同，均为z2，所述微带传输线tl2、所述微带传输线tl5的传输相位相同，均为θ2，所以微带传输线tl2、所述微带传输线tl5传输的信号的工作角频率ω20和θ2成正比。

可选的，所述晶体管跨导gm1和所述晶体管跨导gm2的跨导值相同，均为gm。

可选的，所述参数求解方程组为：

其中，ω1和ω2为双频带负群时延电路的两个工作角频率，τg1和τg2是在ω1和ω2两个工作角频率处的预期得到的负群时延值；h(ω)表示两条信号传输路线的总体传输响应函数；

hpath1(ω)表示第1条信号传输线的传递函数，ω＝ω1时的hpath1(ω)为：hpath2(ω)表示第2条信号传输线的传递函数；ω＝ω2时的hpath2(ω)为：其中，zin1,zin2,zin3分别表示输入端口p1、晶体管跨导gm1的输入端口节点和晶体管跨导gm2的输入端口节点相对于负载的一个端口p3的视入阻抗；a11,a12,a21,a22分别表示第一传输系数，传输阻抗，传输导纳和第二传输系数；

a12＝jz2cosθx1sinθx2+jz1cosθx2sinθx1；

其中，z0为标准特性阻抗，典型值为50ω。两个工作角频率处的传输相位，

可选的，双频带负群时延电路的两个工作角频率ω1和ω2分别为0.8ghz和1.4ghz时，求解微带传输线tl1、所述微带传输线tl3、所述微带传输线tl4、所述微带传输线tl6的特性阻抗z1和传输相位θ1、所述微带传输线tl2、所述微带传输线tl5的特性阻抗z2和传输相位θ2的得到的值分别为：z1＝36.2ω，z2＝35.5ω，θ1＝θ2＝81.0°。

一种双频带负群时延电路的参数确定方法，所述参数确定方法包括如下步骤：

建立参数求解方程组；

将双频带负群时延电路的两个工作角频率带入所述求解方程组，求解双频带负群时延电路的参数；所述参数包括微带传输线tl1、所述微带传输线tl3、所述微带传输线tl4、所述微带传输线tl6的特性阻抗z1和传输相位θ1、所述微带传输线tl2、所述微带传输线tl5的特性阻抗z2和传输相位θ2。

可选的，所述参数求解方程组为：

其中，ω1和ω2为双频带负群时延电路的两个工作角频率，τg1和τg2是在ω1和ω2两个工作角频率处的预期得到的负群时延值；h(ω)表示两条信号传输路线的总体传输响应函数；

hpath1(ω)表示第1条信号传输线的传递函数，ω＝ω1时的hpath1(ω)为：hpath2(ω)表示第2条信号传输线的传递函数；ω＝ω1时的hpath2(ω)为：其中，zin1,zin2,zin3分别表示从输入端口p1、晶体管跨导gm1的输入端口节点和晶体管跨导gm2的输入端口节点相对于负载的一个端口p3的视入阻抗；a11,a12,a21,a22分别表示第一传输系数，传输阻抗，传输导纳和第二传输系数；

a12＝jz2cosθx1sinθx2+jz1cosθx2sinθx1；

其中，z0为标准特性阻抗，典型值为50ω。θx1和θx2分别为ω1和ω2两个工作角频率处的传输相位，

可选的，双频带负群时延电路的两个工作角频率ω1和ω2分别为0.8ghz和1.4ghz时，求解得到的微带传输线tl1、所述微带传输线tl3、所述微带传输线tl4、所述微带传输线tl6的特性阻抗z1和传输相位θ1、所述微带传输线tl2、所述微带传输线tl5的特性阻抗z2和传输相位θ2的值分别为：z1＝36.2ω，z2＝35.5ω，θ1＝θ2＝81.0°。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种双频带负群时延电路及其参数确定方法，所述负群时延电路包括：六个微带传输线和两个晶体管跨导，六个所述微带传输线分别为微带传输线tl1、微带传输线tl2、微带传输线tl3、微带传输线tl4、微带传输线tl5、微带传输线tl6、两个所述晶体管跨导分别为晶体管跨导gm1和晶体管跨导gm2；只需双频带负群时延电路的两个工作角频率采用求解参数求解方程组的方式确定六个所述微带传输线的特性阻抗和传输相位，即可实现两个工作角频率的信号的传输，无需两个单频带的频带负群时延电路的级联，而且实现了任何两个工作角频率的信号的传输，两个工作角频率无关联性。实现了任何两个指定频率上的负群时延。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种双频带负群时延电路的结构图；

图2为本发明仿真得到的双频带负群时延电路的输入与输出间的增益响应特性曲线图；

图3为本发明仿真得到的双频带负群时延电路的输入与输出间的相位响应特性曲线图；

图4为本发明仿真得到的双频带负群时延电路的输入与输出间的群时延响应特性曲线图；

图5为本发明仿真得到的双频带负群时延电路的输入和输出的回波损耗特性曲线图；

图6为本发明提供的双频带负群时延电路的实物图；

图7为本发明实验得到的双频带负群时延电路的输入与输出间的增益响应特性曲线图；

图8为本发明实验得到的双频带负群时延电路的输入与输出间的相位响应特性曲线图；

图9为本发明实验得到的双频带负群时延电路的输入与输出间的群时延响应特性曲线图；

图10为本发明实验得到的双频带负群时延电路的输入和输出的回波损耗特性曲线图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供双频带负群时延电路及其参数确定方法，以实现任何两个指定频率上的负群时延。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

如图1所示，本发明提供一种双频带负群时延电路，所述负群时延电路包括：六个微带传输线和两个晶体管跨导，六个所述微带传输线分别为微带传输线tl1、微带传输线tl2、微带传输线tl3、微带传输线tl4、微带传输线tl5、微带传输线tl6、两个所述晶体管跨导分别为晶体管跨导gm1和晶体管跨导gm2；所述微带传输线tl1的一端与输入端口p1连接，所述微带传输线tl1的另一端与所述微带传输线tl2的一端连接，所述微带传输线tl2的另一端与所述微带传输线tl3一端连接，所述微带传输线tl3的另一端与连接负载的一个端口p3连接；所述微带传输线tl4的一端与输出端口p2连接，所述微带传输线tl4的另一端与所述微带传输线tl5的一端连接，所述微带传输线tl5的另一端与所述微带传输线tl6一端连接，所述微带传输线tl6的另一端与连接负载的另一个端口p4连接；所述晶体管跨导gm1的输入端与所述微带传输线tl1的另一端和所述微带传输线tl2的一端共点连接；所述晶体管跨导gm1的输出端与所述微带传输线tl4的另一端和所述微带传输线tl5的一端共点连接；所述晶体管跨导gm2的输入端与所述微带传输线tl2的另一端和所述微带传输线tl3一端共点连接；所述晶体管跨导gm2的输出端与所述微带传输线tl5的另一端和所述微带传输线tl6一端共点连接；六个所述微带传输线的特性阻抗和传输相位根据双频带负群时延电路的两个工作角频率采用求解参数求解方程组的方式确定。

其中，所述微带传输线tl1、所述微带传输线tl3、所述微带传输线tl4、所述微带传输线tl6的特性阻抗相同，均为z1，所述微带传输线tl1、所述微带传输线tl3、所述微带传输线tl4、所述微带传输线tl6的传输相位相同，在任意工作角频率ω10下为θ1，需要指出的是，传输线物理尺寸确定的情况下，角频率和传输相位成正比；所述微带传输线tl2、所述微带传输线tl5的特性阻抗相同，均为z2，所述微带传输线tl2、所述微带传输线tl5的传输相位相同，在任意工作角频率ω20下为θ2，需要指出的是，传输线物理尺寸确定的情况下，角频率和传输相位成正比。所述晶体管跨导gm1和所述晶体管跨导gm2的跨导值相同，均为gm。设为θ2，θ1和θ2是角频率在的ω10和ω10处传输线的相位。对于任何频率ω，传输相位为θx1和θx2：

信号通过两条路径path1和path2传输，两条路径的传递函数彼此独立。总体传输响应函数是两个传递函数的和；即

其中hpath1和hpath2为两条路径的传输函数。通过使用微波网络传输矩阵，两个传输函数可以计算为

其中zin1,zin2,zin3和a11,a12,a21,a22为一系列函数表达式的简写形式，分别可以表示为

a12＝jz2cosθx1sinθx2+jz1cosθx2sinθx1(9)

其中z0为标准特性阻抗，典型值为50欧姆。

从公式(3)至(11)可以看出，hpath1和hpath2仅与z1,θ1,z2和θ2这四个未知量相关，因此根据群时延的定义，为了在两个频率(ω1和ω2)上获得负群时延性能，(2)应满足

其中(12)中的τg1和τg2是在ω1和ω2两个频率处的预期得到的负群时延值。(13)是为了确保两点处是最大负群时延点。通过这种方式，可以为四个未知参数z1,θ1,z2和θ2建立四个函数，从而可以计算出未知量的值。

因此本发明通过求解参数求解方程组：的方式可以获得双频带双频带负群时延电路的参数。

图2至图5给出了在0.8ghz和1.4ghz两个频率点处的负群时延电路的仿真结果，在该仿真中，z1＝36.2ω，z2＝35.5ω，θ1＝θ2＝81.0°(在1ghz处)，gm＝100ms。图2给出了输入输出间的增益关系，图3给出了输入输出间的相位关系，图4给出了输入输出间的群时延特性，图5给出了输入和输出的回波损耗特性，需要指出的是，在理想仿真中，输入和输出端口的回波特性完全一致，均如图5所示。

从图2至图5可以看出，电路在给定的工作条件下可以在0.8ghz和1.4ghz两个频率点下实现-1ns的群时延特性，电路在两点的传输损耗约为-5.8db，回波损耗均优于20db。图2-5的横坐标为frequency：频率；纵坐标分别为gain：增益，phase：相位，groupdelay：群延迟，retumloss，回波损耗。

产品的装置结构如图6所示，该电路的输入端口为p1，输出端口为p2，p3和p4端口连接到50ω的匹配负载电阻。电路由微带传输线tl1，tl2，tl3，tl4，tl5，tl6和两个晶体管跨导gm1和gm2组成，其中tl1，tl3，tl4和tl6传输线的特性阻抗相同；tl1，tl3，tl4和tl6传输线的传输相位也相同，tl2和tl5的特性阻抗相同，tl2和tl5的传输相位也相同。gm1和gm2工作在相同的漏极和栅极电压下，因此跨导相同。直流馈电vcc提供漏极偏压,vg提供栅极偏压。

电路采用rogers58800.254mm厚度基板加工，gm1和gm2跨导管为renesas公司的2sc5761晶体管。tl1，tl3，tl4和tl6传输线的长度均为64.2mm，宽度为1.36mm。tl2和tl5的传输线长度均为42mm，宽度为1.7mm。电路整体面积约为167.5×39.5mm²。工作时vcc＝2v，vg＝0.87v。

电路中tl1的左端连接到p1，tl1的右端连接到tl2的左端，同时连接到gm1的输入端，tl2的右端连接到tl3的左端，同时连接到gm2的输入端，tl3的右端连接到p3。tl4的左端连接到p2，tl4的右端连接到tl5的左端，同时连接到gm1的输出端，tl5的右端连接到tl6的左端，同时连接到gm2的输出端，tl6的右端连接到p4。

图7至图10给出了图6中实物图电路的测试结果。图7给出了输入输出间的增益关系，图8给出了输入输出间的相位关系，图9给出了输入输出间的群时延特性，图10给出了输入和输出的回波损耗特性。

从图7至图10可以看出，电路在给定的工作条件下可以在0.8ghz和1.4ghz两个频率点下实现-0.7ns的群时延特性，电路在两点的传输损耗约为-5db和0db，回波损耗均优于14db。图7-10的横坐标为frequency：频率；纵坐标分别为gain：增益，phase：相位，groupdelay：群延迟，retumloss，回波损耗，图10中，s11和s22分别表示输入端口p1和输出端口p2的回波损耗特性。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

可以实现双频带的负群时延特性而不需要级联多个工作在不同频点的负群时延单元，从而减小了电路面积，增加了电路的集成度。同时，由于电路采取了有源结构，解决了传统负群时延电路高衰减的缺陷，甚至可以提供增益。

由于四个未知量的引入，可以确定两个频率点的负群时延特性，即双频带负群时延。可以提供增益的特性来源与公式(2)中的跨导gm，当gm足够大时，传输函数可以大于1，即提供增益。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。