负群时延电路及三维可重构负电容理论和关键技术研究

As one of the effective means to compensate the dispersion effect in communication systems, negative group delay (NGD) technology has become a hot spot in the microwave millimeter wave circuit research field. The NGD circuit with stable group delay time and gain control character is significant for signal integrity of the system. The equivalent negative capacitance based on the NGD circuit can surpass the limitation of the Bode-Fano limitation in the conventional components, thereby helping to achieve excellent impedance matching in a wideband system. Currently, NGD and negative capacitance technologies have been widely reported in the world. However, there are still problems such as narrow frequency band, large loss, and inability to adjust the equivalent capacitance. Therefore, this topic will focus on realizing the three-dimensional reconfigurable characteristics of the new active distributed NGD circuit and negative capacitance: First, the transfer function model of the distributed NGD circuit and propose the circuit optimization program to stabilize the NGD time condition is established. By this way the gain is adjustable in a wide range. Secondly, the NGD model is used to study the equivalent mechanism of the negative capacitance. Finally, by introducing an adjustable π-type network to achieve three-dimensional reconfigurability, the operating frequency, capacitance, and connection can be changed in negative capacitance. The above research has vital practical significance for improving communication quality and implementing reconfigurable systems.

作为通信系统中弥补色散效应的有效手段之一，负群时延(NGD)技术已经成为了当今微波毫米波电路研究的前沿与热点，实现群时延时间稳定，增益可控的NGD电路对提升系统的信号完整度而言意义重大。基于NGD电路的等效负电容则可以超越传统元件中Bode-Fano准则的限制，从而有助于在宽带系统中实现优良的阻抗匹配。目前国内外开展的NGD及负电容技术已有相关报道，但是仍然存在着频带较窄、损耗较大、等效电容值无法调节等问题。因此，本课题将重点着眼于实现新型有源分布式NGD电路和三维可重构负电容：首先，建立分布式NGD电路的传输函数模型，提出电路的优化方案，在稳定NGD时间的条件下实现增益的大范围可调；其次，结合NGD模型，研究负电容的等效机理；最后，通过引入可调π型网络实现工作频率、电容值和连接方式均可改变的三维可重构负电容。上述研究对于改善通信系统质量，实现可重构系统而言具有至关重要的现实意义。

作为通信系统中弥补色散效应的有效手段之一，负群时延(NGD)技术已经成为了当今微波毫米波电路研究的前沿与热点，实现群时延时间稳定，增益可控的NGD电路对提升系统的信号完整度而言意义重大。基于NGD电路的等效负电容技术则可以超越传统元件中Bode-Fano准则的限制，有助于在宽带系统中实现优良的阻抗匹配。首先，项目提出了一种基于支线耦合器的新型可重构NGD电路。它由两个支线耦合器组成，它们由两个电容值不同的变容二极管连接。通过简单地调整电容值，所提出电路的传输增益/损耗和群延迟 (GD) 值都可以根据需要独立调整。项目已经给出了完整的理论分析来验证可重构的 NGD 响应。为了补偿传输损耗，还提出了通过在传输路径中插入两个简单放大器的有源 NGD 电路。有源电路还可以通过用固定电容值调整放大器的增益来实现独立的传输增益/损耗和 GD。项目通过设计、制造和测试证明了所提出的技术。实验结果表明，所提出的无源电路的NGD可以在0到-90 ns范围内调整，而增益在-14 dB到-53 dB之间变化。同时，项目提出了一种使用NGD 电路的新型可重构非福斯特电容 (NFC)。 NGD电路基于多阶分布式放大器，用于实现NGD性能和增益补偿。通过在放大器中的跨导晶体管旁边引入并联和串联变容二极管，可以灵活调整分布式放大器中传输线的特性阻抗和电长度。因此，所提出的 NGD 电路的增益、相移和负群延迟值可以根据需要轻松控制，因此可以调整散射参数 S21 以匹配理想的 NFC，从而产生可重构的非福斯特电容. NFC的工作频率范围、等效负电容值和连接方式可以通过适当控制施加在变容二极管上的电压来完全重新配置。给出了仿真和测量结果，两者吻合良好，实验结果表明，使用 1 GHz 中心频率可以将 NFC 值从 -1.1 pF 调谐到 -2.5pF，使用 -10 pF 并联 NFC 可以将工作频率从 0.7 GHz 调谐到 0.8 GHz。