一种基于扇形短截线和耦合微带线的负群时延电路外文翻译资料

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Synthesis ofBroadband Negative Group Delay Active Circuits

Blaise Ravelo, Andre Perennec, and Marc Le Roy

LEST- UMR CNRS 6165 - UBO/ENSTBr- CS93837, F-29238 Brest cedex 3, France

摘要 - 本文研究了能够在微波频率或基带信号上同时产生负群延迟和增益的有源电路的设计和综合。 分析方程表明，所提出的拓扑结构满足这些目标，同时满足有源器件要求。 然后，提取合成方法并应用于设计两个微波电路，进一步通过实验结果验证。 该方法扩展到四级基带有源电路的设计，提供高达600 MHz的增益和负组延迟。 时域模拟证明了相对时间的高度提升。 关键词 - 有源器件，超材料，负群延迟，超光速群速度，合成方法。

1引言

具有同时或独立负介电常数和磁导率的材料最初由Veselago [1]在20世纪60年代后期引入，现在在3-D人工介质[2]和1-D或2-D微波电路[3]中得到验证。最近，这种超材料也被称为左手媒体（LHM）已应用于微带和共面波导技术，以设计天线，滤波器，耦合器[4]和移相器[5]。通常，在这些器件中，LHMI属性用于减小电路尺寸或扩大初始工作带宽。 1960年，Brillouin和Sommerfeld [6]的经典分析表明，在异常色散的频带中，例如，从电磁布拉格光栅[7]或超材料中获得，群速度可以大于c，真空中的光速，甚至是负的。自1999年以来，人们对“超光速”群体速度产生了新的兴趣，这种反直觉效应受到了广泛的争论[8]。现在已经很好地证实，这种行为与因果关系并不矛盾，并且大多数争议点已经得到解决。然而，为了说明和确定这种有趣现象的特性，已经提出了几种表现出负群延迟（NGD）或超光速现象的实验电路[9] - [10]。这些设备可以合并为两大类。基本上致力于微波应用的第一个包括由无源左手电池构成的LMM [3]，即与RLC并联谐振网络相关联的串联电容和并联电感。为了获得显着的NGD值，许多小区必须级联，导致非常低的传输水平。

第二类将NGD或负折射率（NRI）的实验与输入信号的放大或至少损失补偿相结合。在最受争议的[8]中，创建了一个异常色散区域

作为一种光学放大器，作者测量了一组速度为-c1310。所有其他有源NGD电路仅适用于低于几百kHz的基带信号，它基于一个内置运算放大器，电阻和电容的简单电子电路[9] - [10]。高斯基带信号的增益和高相对进展可以通过级联几个级来实现。这种简单的电子电路对于分析NGD的特性非常有用;但是，它们相当窄带并且仅限于低频。此外，据我们所知，没有在微波频率上实现有源NGD设备。这一评估使我们研究了一种更为通用的方法，不仅可以带来NGD和增益，而且还可以用于宽带和基带信号，就像微波域上的调制信号一样。第二节描述了建议的拓扑结构及其Sparameters的理论分析。第III节比较了两级NGD有源器件的模拟和测量频率结果。在第IV节中，根据初始单元方程设计宽带电路。然后，在得出有关该器件的局限性和改进的结论之前，先介绍该宽带和基带四级NGD有源电路的频域和时域仿真。

2拟议的NGD拓扑和合成方程

在这里，值得使用更全局的群延迟概念而不是群速度，因为它对于集总电路和分布式电路都有明确的定义。 通常，群延迟r = -dpldco是从实验的Sparameters中提取的，其中（o是频率相关的传输相移，w是角频率。在带宽受限的输入信号的情况下，群延迟对应 我们的感觉是，通过场效应晶体管（FET）与无源元件的结合，我们可以实现关于NGD，增益，输入和输出匹配，噪声和稳定性的严格目标。

A.所提出的单元电池的理论研究直观地，我们首先测试了与FET并联或并联的经典LHM电池[3]的几种配置，因为LHM电池本身提供NGD。 但是，最后通过与LHM单元进行比较，图1中描述的拓扑结构和由FET漏极输出分流的串联RLC谐振电路组成，同时产生更高的显着性

NGD和增益值，更高的简单性，而且还有输入/输出匹配的可能性。

为了对电池进行分析描述，FET仅由压控电流发生器和Rds（漏源电阻）建模。 群延迟z在RLC网络共振频率co = 1 / LC处为负，并且在该特定频率处：

其中Z0是参考端口的输入阻抗（实际上为50 Q）和g，。 是FET跨导。 值得强调的是： - S12为零，低频时S1幅度接近1; - 细胞共振时群延迟总是为负; - （3）表明输出匹配是可能的; - 即使谐振最小，也可以获得实质性的增益; R必须很小才能获得显着的NGD值，但这会将传感器增益限制在较低值; - S21; 并且不依赖于完全相同的参数，因此它意味着：i）可以独立于S21到L控制z和ii）可以通过C改变共振频率而不改变r的水平，从而给出自由度 找到令人满意的妥协。

B.整个电路合成令人惊讶的是，这种拓扑结构是电阻放大器的拓扑结构，不包括元件的值。 通过在第一个电池和发电机之间放置一个分流电阻RM来匹配电路输入（图2）。 然后，考虑到该电阻器和随后的单位单元作为新的第一单元，组延迟（2）和S22（3）表达式保持不变; 另一方面，其他重要参数变为：

对于单位单元k和串联共振频率cok，只有Rk有不同的表达式：

显然，Rk也是级间匹配阻抗的一部分。 然后，对于最后一级，应通过反转来计算R，1以满足足够的输出匹配。 显然，这些合成方程仅适用于简单的微波低频模型，但它们提供的元件值非常接近通过优化和更完整的FET建模可实现的最终值。

3实验验证和NGD电路实现

为了验证该理论，我们构建了一个工作在1 GHz左右的电路。 此外，首先我们决定将设计限制为具有相同谐振频率的两级设备。 在这些条件下，从经典换能器增益公式或前一节中定义的单元级联链矩阵获得的总插入损耗表示为：

由于FET是单边的，S11T可以被识别为Siii第一单元（4）和S22Tas S222的返回损耗，第二单元（3）的输出返回损耗。目标是使SIIT和S22T值低于-10 dB，理论总增益约为6 dB，NGD优于-2 ns，我们寻找具有高gm和RDS值的FET。然后，我们分别从（10）和（6）得到R2和RM。由于指定频率最初为1.45 GHz，因此我们将C1和C2设置为相同且小，以使L1和L2都足够高以实现显着的NGD值。然后，由于R1，第一个单元的NGD为-1.66 ns，第二个单元的NGD为-0.33 ns，Ist和第二级的S21分别为10.84和0.06 dB。最后，总插入损耗理论上为6 dB;输入端的匹配为-14 dB，输出端的匹配为-11 dB，群延迟为-2.3 ns。通过引入高频等效电路模型，S参数和群延迟几乎没有变化。另一方面，当在原理图和电磁仿真中引入连接微带线和真实无源元件的模型时，工作频率向下移动到1.07GHz，S21T降低到3dB。图5总结了电路参考，并显示了最终电路的布局。

已经实现了两种不同的偏置网络，一种是传统的偏置网络（用于栅极和漏极偏置的VGS1和VDSI），另一种是通过谐振单元连接的网络（VGS2和VDS2），它们都提供相同的测量结果。 图6-a和6-b显示了实验结果

（没有调整获得）匹配电磁模拟（ADS动量）。 测量的群延迟在1.03 GHz时为2.3 ns，S21T参数为1.68 dB。 在该特定频率，SI ,,约为-14dB，S22T低于-12dB。 与先前使用无源元件进行的研究相比[3]，用相同数量的电池获得的NGD和带宽值略高。 对每个级的特性的独立控制，特别是谐振频率，使得宽带NGD电路的设计成为可能。

4基带信号宽带和有源电路的设计

具有负群延迟的有源电路可以在数字传输域中找到潜在的应用。然后，它们的理想特性将是恒定的正相位斜率和在整个基带信号带宽上的增益，并且显然在宽带上用于高数据速率。幸运的是，在许多应用中，数字信号被滤波以限制其频谱。因此，我们将专注于最小化高斯基带信号的码间干扰的带宽，从而尽可能地保持信号失真和波纹。从第二节中介绍的拓扑结构中，我们实现了一个

带有四级电路的宽带NGD。每个级的元件值分别为0到600 MHz的规则扩展的谐振频率确定;此外，整个电路行为是根据增益的级传递函数和这些传递函数的时间延迟之和来计算总组延迟的。最终优化和电磁模拟（图7-a）在与部分III相同的条件下进行，即具有部件S参数，互连线，偏置网络，以及相同的FET和基板。这种宽带需要实现有源偏置网络。

在频域中，高频增益的增加产生高于输入的输出标准偏差。 相反，在时域中，出现脉冲压缩现象（参见图7-b插图，其中输入和输出脉冲以相同的纵坐标刻度显示）。 所提出的时域仿真（图7-b）表现出相对于0.7ns标准偏差的82％的相对时间提前。 这种先前的效应可以被视为波干扰的直接结果，如具有反常色散带宽的介质[7]。

5结论

我们报道了一种新的NGD有源拓扑，能够同时提供增益和NGD。 应该注意的是，与需要许多基本的大块超材料不同，这里一个材料足以产生显着效果。 为了验证我们的理论结果，我们设计并实现了一个用于微波频率调制信号的两级电路。 所提出的分析和合成方程足够通用以应用于若干频带。 此外，一些细胞导致了相当大的增长和相对时间推进值。 实际上，我们在频率和时域中模拟了一个四级电路，即使对于国外和基带高斯输入信号也能提供增益和负延迟。 该提案为通信领域的潜在应用开辟了前景。 计划时域测量以验证时间延迟灵敏度与噪声的关系，并且还计划实施毫米波分布式电路。

参考文献

[1] V. Veselago, 'The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of c and

Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, no. 4, pp. 509-514, 1968.

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[3] 0. F. Siddiqui, M. Mojahedi, G. V. Eleftheriades, 'Periodically Loaded Transmission Line With Effective Negative Refractive Index and Negative Group Velocity,' IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 51, No. 10, Oct. 2003.

[4] A. Lai, C. Caloz, and T. Itoh, 'Composite right/left-handed transmission line metamaterials,' IEEE Microwave Magazine, vol. 5, pp. 34- 50, Sept. 2004.

[5] M. A. Antoniades, and G. V. Eleftheriades, 'Compact linear lead/lag metamaterial phase shifters for broadband applications,' IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters, vol. 2, 103, July 2003.

[6] L. Brillouin, and A. Sommerfeld, Wave Propagation and Group Velocity, Academic Press, New York, 1960, pp. 113-137.

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[8] L. J. Wang, A. Kuzmich and A. Dogariu, 'Gain-Assisted Superluminal Light Propagation,' Nature 406, pp. 277-279, June 2000.

[9] D. Solli, R.Y. Chiao, 'Superluminal effects and negative delays in electronics, and their applications,' Physical Review E, Issue 5, Nov. 2002.

[10] M. Kitano, T. Nakanishi, K. Sugiyama, 'Negative Group Delay and Superluminal Propagation: An Electronic Circuit Approach', IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.9 No. 1, p. 43, 2003.

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