(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 109120238 A(43)申请公布日 2019.01.01
(21)申请号 201810913262.5(22)申请日 2018.08.13
(71)申请人 南京信息工程大学
地址 210019 江苏省南京市建邺区奥体大
街69号(72)发明人 万发雨 李宁东
(74)专利代理机构 南京钟山专利代理有限公司
32252
代理人 戴朝荣(51)Int.Cl.
H03H 7/06(2006.01)
权利要求书3页 说明书7页 附图3页
(54)发明名称
一种基于RLC的带通负群时延电路及其设计方法
(57)摘要
一种基于RLC的带通负群时延电路及设计方法，其中带通负群时延电路包括信号源,所述的信号源与网络输入端口连接，所述的网络输入端口与网络输出端口，所述的网络输出端口外接负载，信号源的阻抗与负载阻抗均为R0，所述的网络输入端口与网络输出端口之间设置有基于RLC的谐振电路。在设计该种电路时，首先，根据S参数理论，推导出群时延电路的S参数矩阵。根据群时延的相关概念，利用推导出的S参数矩阵中的插入损耗S21,由公式CN 109120238 A路的相位函数,在由群时延定义
来求出群时延函数,最后在根据群时延和插入损耗综合出R、L、C的值。
来求出电
CN 109120238 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于RLC的带通负群时延电路，其特征在于：包括信号源,所述的信号源与网络输入端口连接，所述的网络输入端口与网络输出端口，所述的网络输出端口外接负载，信号源的阻抗与负载阻抗均为R0，所述的网络输入端口与网络输出端口之间设置有基于RLC的谐振电路。
2.如权利要求1所述的一种基于RLC的带通负群时延电路，其特征在于：所述的基于RLC的谐振电路由电阻R、电感L、电容C依次串联组成，所述的基于RLC的谐振电路并连在网络输入端口与网络输出端口之间。
3.如权利要求1所述的一种基于RLC的带通负群时延电路，其特征在于：所述的基于RLC的谐振电路由相互并联的电阻R、电感L、电容C组成，所述的基于RLC的谐振电路串连在网络输入端口与网络输出端口之间。
4.权利要求2所述的一种基于RLC的带通负群时延电路的设计方法，其特征在于：首先，根据S参数理论，推导出群时延电路的S参数矩阵，利用推导出的S参数矩阵中的插入损耗S21,由公式
来求出电路的相位函数，在由群时延定义
来求出
群时延函数,最后在根据群时延和插入损耗综合出R、L、C、的值，具体步骤如下：
根据S参数理论，推导出电路的S参数：
其中R0是连接在网络输入、输出端口的特性阻抗；电路中电容C满足：
式中ω0为中心频率；
在中心频率ω0时的S参数如下：
根据电路系统理论，设jω为电路的角频率，群时延公式为：
其中
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权 利 要 求 书
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由公式(1)、(2)、(4)、(5)可得在中心频率ω0时的群时延：
当ω＝ω0时，由公式(3)得：
令
由式(6)、(7)、(8)得：
根据式(2)、(9)、(10)，可以根据所需的群时延τ插入损耗A，进而求得电阻R,电感L，电0，容C。
5.权利要求3所述的一种基于RLC的带通负群时延电路的设计方法，其特征在于：首先，根据S参数理论，推导出群时延电路的S参数矩阵，利用推导出的S参数矩阵中的插入损耗S21,由公式
来求出电路的相位函数，在由群时延定义
来求出
群时延函数,最后在根据群时延和插入损耗综合出R、L、C、的值，具体步骤如下：
根据S参数理论，推导出电路的S参数：
式中R0是连接在网络输入、输出端口的特性阻抗；电路中电容C满足：
式中ω0为中心频率；
在中心频率ω0时的S参数如下：
根据电路系统理论，设jω为电路的角频率，群时延公式为：
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CN 109120238 A
权 利 要 求 书
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其中
由公式(14)、(15)、(11)、(12)可得在中心频率ω0时的群时延：
当ω＝ω0时，求得：
令
由公式(12)、(16)、(17)、(18)得：
根据公式(12)、(19)、(20)，可以设置的任意大小群时延τ插入损耗A，进而求得电阻R,0，电感L，电容C。
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说 明 书
一种基于RLC的带通负群时延电路及其设计方法
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技术领域
[0001]本发明是涉及微波工程技术领域，具体的说是用于一种基于RLC的带通负群时延电路及设计方法。
背景技术
[0002]20世纪早期，美国科学家A.Sommerfeld和L.Brillouin提出了群时延为负的可能性后，在相当长的一段时间内“负群时延”颇受争议，直到贝尔实验室的Chu和Wong第一次在激光脉冲穿过GaP:N样品的实验中观察到了负群速。此后，在其他光学、量子试验中，群速为负或大于光速也被多次被证实。进入二十世纪后，随着左手材料等新型材料的发展和对通信系统性能的要求越来越高，更多的研究人员开始对群时延展开研究。尤其是近些年来，负群时延电路因其特殊的性能和在前馈放大器、天线阵列等领域的广泛应用，吸引了世界各国研究者的注意，成为又一个研究热点。然而目前负群时延电路的研究成果主要集中在西方发达国家，特别是美国和日本，国内对于这一领域还处在起步阶段。发明内容
[0003]本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于RLC的带通负群时延电路及设计方法，根据需要的负群延时电路性能参数，如群时延τ插入损耗A，便利的计算出负群延时电0，路的输入参数，如电阻R,电感L,电容C。[0004]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：[0005]一种基于RLC的带通负群时延电路，其特征在于：包括信号源,所述的信号源与网络输入端口连接，所述的网络输入端口与网络输出端口，所述的网络输出端口外接负载，信号源的阻抗与负载阻抗均为R0，所述的网络输入端口与网络输出端口之间设置有基于RLC的谐振电路，其中基于RLC的谐振电路由电阻R、电感L、电容C依次串联组成，所述的基于RLC的谐振电路并连在网络输入端口与网络输出端口之间。
[0006]该种基于串联RLC带通负群时延电路的设计方法为：首先，根据S参数理论，推导出群时延电路的S参数矩阵，利用推导出的S参数矩阵中的插入损耗S21,由公式求出电路的相位函数，在由群时延定义
延和插入损耗综合出R、L、C、的值，具体步骤如下：[0007]根据S参数理论，推导出电路的S参数：
来
来求出群时延函数,最后在根据群时
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说 明 书
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[0008]
[0009][0010][0011][0012][0013]
其中R0是连接在网络输入、输出端口的特性阻抗；电路中电容C满足：
式中ω0为中心频率；
在中心频率ω0时的S参数如下：
[0014]
[0015][0016][0017][0018][0019][0020][0021]
根据电路系统理论，设jω为电路的角频率，群时延公式为：
其中
由公式(1)、(2)、(4)、(5)可得在中心频率ω0时的群时延：
当ω＝ω0时，由公式(3)得：
[0022][0023][0024]
令
由式(6)、(7)、(8)得：
[0025]
根据式(2)、(9)、(10)，可以根据所需的群时延τ插入损耗A，进而求得电阻R,电0，
感L，电容C。
[0027]一种基于RLC的带通负群时延电路，其特征在于：包括信号源,所述的信号源与网
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[0026]
CN 109120238 A
说 明 书
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络输入端口连接，所述的网络输入端口与网络输出端口，所述的网络输出端口外接负载，信号源的阻抗与负载阻抗均为R0，所述的网络输入端口与网络输出端口之间设置有基于RLC的谐振电路，其中基于RLC的谐振电路由相互并联的电阻R、电感L、电容C组成，所述的基于RLC的谐振电路串连在网络输入端口与网络输出端口之间。[0028]该种基于并联RLC带通负群时延电路的设计方法为：首先，根据S参数理论，推导出群时延电路的S参数矩阵，利用推导出的S参数矩阵中的插入损耗S21,由公式求出电路的相位函数，在由群时延定义
来
来求出群时延函数,最后在根据群时
延和插入损耗综合出R、L、C、的值，具体步骤如下：[0029]根据S参数理论，推导出电路的S参数：
[0030]
[0031]式中R0是连接在网络输入、输出端口的特性阻抗；
[0032]电路中电容C满足：
[0033][0034]式中ω0为中心频率；
[0035]
在中心频率ω0时的S参数如下：
[0036]
[0037]根据电路系统理论，设jω为电路的角频率，群时延公式为：
[0038][0039]其中
[0040]由公式(14)、(15)、(11)、(12)可得在中心频率ω0时的群时延：
[0041][0042]当ω＝ω0时，求得：
[0043]
[0044]令
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CN 109120238 A[0045][0046][0047]
说 明 书
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由公式(12)、(16)、(17)、(18)得：
根据公式(12)、(19)、(20)，可以设置的任意大小群时延τ插入损耗A，进而求得0，
电阻R,电感L，电容C。
[0049]本发明的有益效果是：研究人员可以依据自己需要的负群延时电路性能参数，如群时延τ插入损耗A，便利的计算出负群延时电路的输入参数，如电阻R,电感L,电容C。0，附图说明
[0050]图1为本发明基于串联RLC带通负群时延电路图。[0051]图2为本发明基于并联RLC带通负群时延电路图。
[0052]图3为本发明基于串联RLC负群时延电路的S21参数仿真结果示意图。[0053]图4为本发明基于串联RLC负群时延电路的群时延仿真结果示意图。[0054]图5为本发明基于并联RLC负群时延电路的S21参数仿真结果示意图。[0055]图6为本发明基于并联RLC负群时延电路的群时延仿真结果示意图。
具体实施方式
[0056]现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。[0057]如图1所示，一种基于RLC的带通负群时延电路，其特征在于：包括信号源,所述的信号源与网络输入端口连接，所述的网络输入端口与网络输出端口，所述的网络输出端口外接负载，信号源的阻抗与负载阻抗均为R0，所述的网络输入端口与网络输出端口之间设置有基于 RLC的谐振电路，其中基于RLC的谐振电路由电阻R、电感L、电容C依次串联组成，所述的基于RLC的谐振电路并连在网络输入端口与网络输出端口之间。[0058]该种基于串联RLC带通负群时延电路的设计方法为：首先，根据S参数理论，推导出群时延电路的S参数矩阵，利用推导出的S参数矩阵中的插入损耗S21,由公式求出电路的相位函数，在由群时延定义
延和插入损耗综合出R、L、C、的值，具体步骤如下：
[0059]
[0048]
来
来求出群时延函数,最后在根据群时
根据S参数理论，将
[0060]带入推导出电路的S参数：
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[0061]
[0062][0063][0064][0065][0066]
其中R0是连接在网络输入、输出端口的特性阻抗；本实施例中取R0＝50Ω。电路中电容C满足：
式中ω0为中心频率；
在中心频率ω0时的S参数如下：
[0067]
[0068][0069][0070][0071][0072][0073][0074]
根据电路系统理论，设jω为电路的角频率，群时延公式为：
其中
由公式(1)、(2)、(4)、(5)可得在中心频率ω0时的群时延：
当ω＝ω0时，由公式(3)得：
[0075][0076][0077]
令
由式(6)、(7)、(8)得：
[0078]
根据式(2)、(9)、(10)，可以根据所需的群时延τ插入损耗A，进而求得电阻R,电0，
感L，电容C。
[0080]本实施例中，通过公式1-10，对于串联RLC负群时延电路，当负群延时值为-5ns，对
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[0079]
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应的S21值设定为-4dB，计算出结果为：R＝42.73Ω；L＝289.43nH；C＝0.35pF。[0081]当负群延时值为-6ns，对应的S21值设定为-6dB，计算出结果为：R＝25.11Ω；L＝ 150.99nH；C＝0.67pF。[0082]把计算出的R、L、C的值带入电路仿真验证，得到S21参数仿真结果如图3所示，由图3可知，在中心频率0.5GHz时，电路的插入损耗分别为-4dB、-6dB，与预先设置的插入损耗值相吻合。
[0083]得到关于负群延时值的仿真结果如4所示，由图4可知，在中心频率0.5GHz时，电路的群时延分别为-5ns、-6ns，与预先设置的群时延τ可以验证该理论方法的有0的值相吻合。效性。
[0084]如图2所示，一种基于RLC的带通负群时延电路，其特征在于：包括信号源,所述的信号源与网络输入端口连接，所述的网络输入端口与网络输出端口，所述的网络输出端口外接负载，信号源的阻抗与负载阻抗均为R0，所述的网络输入端口与网络输出端口之间设置有基于RLC的谐振电路，其中基于RLC的谐振电路由相互并联的电阻R、电感L、电容C组成，所述的基于RLC的谐振电路串连在网络输入端口与网络输出端口之间。[0085]该种基于并联RLC带通负群时延电路的设计方法为：首先，根据S参数理论，推导出群时延电路的S参数矩阵，利用推导出的S参数矩阵中的插入损耗S21,由公式求出电路的相位函数，在由群时延定义
延和插入损耗综合出R、L、C、的值，具体步骤如下：
[0086]
来
来求出群时延函数,最后在根据群时
根据S参数理论，将
[0087]带入推导出电路的S参数：
[0088]
[0089][0090][0091][0092][0093]
式中R0是连接在网络输入、输出端口的特性阻抗；
电路中电容C满足：
式中ω0为中心频率；
在中心频率ω0时的S参数如下：
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[0094]
[0095][0096][0097][0098][0099][0100][0101]
根据电路系统理论，设jω为电路的角频率，群时延公式为：
其中
由公式(14)、(15)、(11)、(12)可得在中心频率ω0时的群时延：
当ω＝ω0时，求得：
[0102][0103][0104][0105]
令
由公式(12)、(16)、(17)、(18)得：
根据公式(12)、(19)、(20)，可以设置的任意大小群时延τ插入损耗A，进而求得0，
电阻R,电感L，电容C。[0107]本实施例中，通过公式11-20，对于并联RLC负群时延电路，当负群延时值为-8ns，对应的S21值设定为-5dB，计算出结果为：R＝77.82Ω；L＝0.2157nH；C＝117.4pF。[0108]当负群延时值为-10ns，对应的S21值设定为-6dB，计算出结果为：R＝99.52Ω；L＝ 0.2512nH；C＝100.8pF。[0109]把计算出的R、L、C的值带入电路仿真验证，得到S21参数仿真结果如图5所示，由图5可知，在中心频率1GHz时，电路的插入损耗分别为-5dB、-6dB，与预先设置的插入损耗值相吻合。
[0110]得到关于负群延时值的仿真结果如6所示，由图6可知，在中心频率1GHz时，电路的群时延分别为-8ns、-10ns，与预先设置的群时延值相吻合，可以验证该理论方法是有效的。[0111]需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。[0112]以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
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说 明 书 附 图
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