鄧 良，戴永勝

（南京理工大學(xué)，南京 210094）

基于多級不對稱耦合器負(fù)群延時(shí)電路研究

鄧 良，戴永勝

（南京理工大學(xué)，南京 210094）

提出了一種基于多級不對稱耦合器結(jié)構(gòu)的負(fù)群延時(shí)電路。通過合理設(shè)置耦合器的耦合系數(shù)，可以在多節(jié)耦合線耦合器的耦合端得到帶寬較寬的負(fù)群延時(shí)效果，和采用集總電阻、電容元器件構(gòu)成的帶阻結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)負(fù)群延時(shí)電路相比，該電路設(shè)計(jì)全部采用分布式耦合微帶線實(shí)現(xiàn)，集成化程度高，插入損耗小、可應(yīng)用于更高的頻段。此電路結(jié)構(gòu)可廣泛用于功率放大器前端，用以提高放大器的效率。關(guān)鍵詞：負(fù)群延時(shí)；定向耦合器；分布式結(jié)構(gòu)

1 引言

電路中的群延時(shí)概念最早是由美國人在20世紀(jì)30年代提出的，群延時(shí)（ND）定義為相位參數(shù)（φ）對角頻率的微商[1]：

根據(jù)這個(gè)定義，電路中出現(xiàn)負(fù)群延時(shí)（negative group dealy）等效于相位隨頻率出現(xiàn)正斜率。近些年來，“負(fù)群延時(shí)”或者“超光速傳播”的物理現(xiàn)象已在電子電路實(shí)現(xiàn)，并在各種通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，如提高功率放大器的效率、增加反饋線性放大器的帶寬、減小相控陣天線系統(tǒng)的波數(shù)偏斜等[2]。在微波領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)負(fù)群延時(shí)的方法是利用帶阻結(jié)構(gòu)或者集總RLC諧振器[3~5]。目前在美國和西方發(fā)達(dá)國家，也有利用左右手混合材料來實(shí)現(xiàn)負(fù)群延時(shí)的先例。然而這些結(jié)構(gòu)和實(shí)例都只能在特定的頻率和相對較窄的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)群延時(shí)，并且因?yàn)槠涫褂眉傇Y(jié)構(gòu)不易集成。在本文中，我們將提出一種方法，用來改善現(xiàn)有的這些問題。具體來說，我們的設(shè)計(jì)包含了三個(gè)不同的定向耦合器，通過合理選擇每個(gè)耦合器的耦合比，可以在整個(gè)定向耦合器的耦合端口實(shí)現(xiàn)負(fù)群延時(shí)效應(yīng)，并且保證較低的插入損耗。這種方法將采用完全分布式的微帶線結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)負(fù)群延時(shí)電路，不需要任何集總元件。因此我們提出的結(jié)構(gòu)可以集成在較高頻段的電路中。本文所提出的負(fù)群延時(shí)電路特別適用于動(dòng)態(tài)電源和包絡(luò)跟蹤功率放大器中。對于功率放大器而言，提高其效率是非常有必要的。本文提出的定向耦合器的耦合端口實(shí)現(xiàn)的負(fù)群延時(shí)效應(yīng)可以改變射頻信號路徑，從而有效提高功率放大器的效率。

2 理論

在微波電路中，因?yàn)閱喂?jié)耦合線耦合器在帶寬上是受限制的，經(jīng)常被使用的是多節(jié)耦合器，用以擴(kuò)展帶寬[6]。然而到目前為止，關(guān)于耦合器的相位變化特性卻很少有人關(guān)注。在這一節(jié)中，我們將通過合理選擇耦合器的耦合系數(shù)，在耦合器的耦合端口實(shí)現(xiàn)負(fù)群延時(shí)效應(yīng)。根據(jù)耦合器的相位特性，多節(jié)耦合線耦合器通常做成奇數(shù)個(gè)節(jié)，如圖1所示。在本設(shè)計(jì)中，我們采用三節(jié)耦合器形式，假定三節(jié)耦合器的耦合系數(shù)分別為（C1、C2和C3），并且其電長度θ在中心頻率處相同。

圖1 三節(jié)耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

我們還假定每節(jié)耦合器均為弱耦合（耦合度C≥10 dB），并且在中心頻率每節(jié)的長度為λ/4，則圖1所示的級聯(lián)耦合器的耦合端口（端口3）的總電壓可以表示為：

接下來通過式（2）將電壓耦合系數(shù)V3/V1轉(zhuǎn)換為負(fù)群延時(shí)公式，首先定義相位變化K（θ）如下：

所以根據(jù)負(fù)群延時(shí)的定義，則：

從式（3）、式（4）中我們可以分析得到，b是一個(gè)正常數(shù)，同時(shí)因?yàn)殡婇L度也為一個(gè)正數(shù)，所以θ’（ω）也為一個(gè)正數(shù)。因此GD的值應(yīng)該是負(fù)數(shù)，即可以得到負(fù)群延時(shí)。接下來只需要找到每一節(jié)耦合線的耦合系數(shù)C的最佳值，就可以得到所需頻段內(nèi)的負(fù)群延時(shí)。通過優(yōu)化計(jì)算，當(dāng)n=3時(shí)，一組耦合系數(shù)的優(yōu)化值如下：

我們將利用上述數(shù)值，搭建出負(fù)群延時(shí)電路。

3 負(fù)群延時(shí)電路的仿真設(shè)計(jì)

3.1 模型建立

利用式（5）所得到的耦合系數(shù)值，我們搭建了一個(gè)三節(jié)耦合線耦合器，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其襯底材料為RT/5880，介電系數(shù)為2.2，介質(zhì)厚度為1.676 mm，介質(zhì)損耗正切角0.002。所設(shè)定的中心頻率在2.42 GHz。所有以上工作均在安捷倫公司的軟件ADS2009（Advanced design system）上設(shè)計(jì)完成。

圖2 三節(jié)耦合器電路結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 仿真結(jié)果

圖3為所設(shè)計(jì)的三節(jié)耦合線耦合器的S參數(shù)仿真結(jié)果圖。

其回波損耗值（S11）在所設(shè)定頻段（2.1~2.7 GHz）內(nèi)均小于-23 dB，同樣其耦合度（S31）在負(fù)群延時(shí)頻段也達(dá)到-18 dB。圖3（c）可以看出，其插入損耗（S21）值在設(shè)定頻段優(yōu)于-1.8 dB，同時(shí)圖3（d）表明，所設(shè)計(jì)三節(jié)耦合線耦合器的隔離度（S41）在頻段內(nèi)小于-14 dB。

其相位曲線S31變化如圖4所示，可以看出在設(shè)定頻段內(nèi)（2.1~2.7 GHz），由于選擇的耦合系數(shù)值較為合理，我們實(shí)現(xiàn)了相位的正斜率，即隨著頻率的變化相位值增加。所以，在對應(yīng)頻段內(nèi)的最大負(fù)群延時(shí)（GD）可達(dá)-4 ns，其負(fù)群延時(shí)相對帶寬接近30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的RLC負(fù)群延時(shí)電路。

圖3 三節(jié)耦合線耦合器的S參數(shù)仿真結(jié)果圖

4 結(jié)論

本文提出了一種基于不對稱耦合器結(jié)構(gòu)的負(fù)群延時(shí)電路，通過合理選擇每一節(jié)耦合器的耦合系數(shù)，我們可以在耦合器的耦合端口得到負(fù)群延時(shí)效應(yīng)。并且，這一無源負(fù)群延時(shí)電路不需要任何的集總元器件，全部由微帶耦合線構(gòu)成，因此這種結(jié)構(gòu)的負(fù)群延時(shí)電路可以適用于更高頻率。本負(fù)群延時(shí)電路可廣泛應(yīng)用于功率放大器前端，通過改變射頻信號路徑，從而有效提高功率放大器的效率。

圖4 耦合線耦合器相位和群延時(shí)仿真結(jié)果圖

[1] 史錦順. 群延時(shí)的新概念[Z].

[2] H Noto, K Yamauchi, M Nakayama, Y Isota. Negative Group Delay Circuit for Feed-Forwed Amplifer [C]. IEEE Int. Microw. Symp. Dig., 2007. 1103-1106.

[3] H Choi, Y Jeong, J Lim, S Y Eom, Y B Jung. A novel design for a dual-band negative group delay circuit [J]. Microw.Wiress Compon. Lett., 2011, 21（1）: 19-21.

[4] M W Mitchell, R Y Chiao. Negative group delay and "fronts" in a causal system: An experiment with very low frequency bandpass amplifiers [J]. Phys. Lett. A, 1997, 230: 133-138.

[5] B Kim, J Moon, I Kim. Efficiently amplified [J]. IEEE Microwave Mag., 2010,11（5）: 87-100.

[6] D M Pozar. Microwave Engineering [M]. Toronto: John Wiley&Sons, 2005. 345-347.

Research of Negative Group Delay Circuit Based on Multistage Asymmetrical Directional Coupler

DENG Liang, DAI Yongsheng

（Nanjing University of Science&Technology,Nanjing210094,China）

The paper presents a novel negative group delay（NGD）circuit base on asymmetrical couplers. By cascading couplers with appropriate coupling coeff i cients, we are able to synthesize negative group delay with a broad bandwidth at the coupled port of couplers. Unlike conventional NGD circuits that use bandstop structures with lumped elements, such as inductors and capacitors, to realize negative group delay, the proposed design provides a fully distributed realization of NGD circuit and has a high degree of integration, that could use in more high frequency and its return loss will be less. The circuit could widely use in the freedom of power amplif i ers to develop its eff i ciency.

negative group delay; directional couplers; dispersion

TN402

A

1681-1070（2014）09-0033-03

鄧 良（1989—），男，湖南長沙人，南京理工大學(xué)電磁場與微波技術(shù)專業(yè)研究生，主要研究方向?yàn)樯漕l微波器件設(shè)計(jì)。

2014-04-23