Теория проектирования компактного делителя мощности с реконфигурируемым разделением мощности и характеристиками отрицательной групповой задержки

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7222 (2023) Цитировать эту статью

177 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье представлен комбинированный анализ реконфигурируемого разделения мощности и отрицательной групповой задержки (NGD) в делителе мощности. В этой работе представлен новый реконфигурируемый делитель мощности на основе композитной линии передачи с высоким коэффициентом деления мощности, переменной отрицательной групповой задержкой и более низким характеристическим сопротивлением. Преобразование импеданса в составных линиях передачи контролирует как отрицательную групповую задержку, так и разделение мощности. Этот делитель мощности имеет широкий диапазон коэффициентов деления мощности от 1 до 39, адекватную изоляцию, согласование импедансов и NGD от \(-3,4\) нс до \(-4,7\) нс в реконфигурируемом тракте передачи. Отрицательная групповая задержка достигается без использования каких-либо дополнительных схем групповой задержки. Выведены теоретические уравнения, соответствующие малому характеристическому сопротивлению участков линии передачи и элементов изоляции. Результаты измерений обосновывают достижение высокой настройки коэффициента деления мощности и отрицательной групповой задержки. Изоляция и обратные потери превышают – 15 дБ на центральной частоте 1,5 ГГц. К значительным преимуществам этой конструкции можно отнести широкое реконфигурируемое разделение мощности, отрицательную групповую задержку и уменьшенный размер.

Системы беспроводной связи требуют равных, неравных и реконфигурируемых делителей мощности в качестве сетей питания для антенных решеток. В реконфигурируемых делителях мощности рабочий диапазон или коэффициент деления мощности контролируется напряжением постоянного тока и элементами с сосредоточенными параметрами, такими как варакторные диоды. Емкостью варакторных диодов можно управлять с помощью постоянного напряжения, что приводит к изменению полосы пропускания или коэффициента деления мощности1,2,3. Помимо возможности реконфигурации, отрицательная групповая задержка (NGD) также необходима для решения проблем косоглазия луча в элементах антенных решеток. Некоторые реконфигурируемые делители мощности представлены в 4,5,6,7. Переключаемые инверторы используются для получения полностью реконфигурируемых делений мощности в4. Однако наличие двадцати PIN-диодов усложняет систему. В5 используются всего два варакторных диода, но перестраиваемость только от 1:1 до 1:2,4. Реконфигурируемые PD с непрерывным коэффициентом деления разработаны в 6, но диапазон деления мощности составляет только от \(-12,4\) до 14,8 дБ и от \(-8,6\) до \(-22,5\) дБ. В7 реализован ФД с более полным делением от \(-1,25\) дБ до 20 дБ, но в схеме используется большое количество различных характеристических сопротивлений. Регулируемый делитель мощности на основе Planar Magic-T с максимальным диапазоном деления мощности 14 дБ представлен в разделе 8. Однако в схеме имеется разность фаз около 15 градусов. Архитектура разделения мощности системы SWIPT изучена в 9,10, а возможность реконфигурации на основе каскадного варакторного диода и метода отражательного фазовращателя представлена ​​в 11,12,13. Двухдиапазонная работа и секция изоляции с дополнительными линиями передачи показаны соответственно в14,15, чтобы исключить нежелательную связь, возникающую во время настройки.

Антенны с фазированной решеткой страдают от проблем с косоглазием луча, что приводит к нежелательным возмущениям формы и направления диаграммы направленности. Делитель мощности с настраиваемыми PDR и NGD будет полезен для решения этой проблемы проектирования16. Делители мощности, основанные на управлении вносимыми потерями и имеющие широкий диапазон коэффициента деления и узкую полосу пропускания, представлены в [17]. Однако в данной работе анализ GD не проводится. В [18] реализована конструкция фильтра отрицательной групповой задержки с отрицательной групповой задержкой 4,05 нс. Систематический анализ делителя мощности NGD выполнен в19. В этой работе используется концепция каскадных идентичных каскадов модулирующих сигналов второго порядка. Делитель мощности с отрицательной групповой задержкой от симметричного к несимметричному на основе короткозамкнутых связанных линий с резисторами представлен в20.

Обычные делители мощности, предназначенные для антенных решеток, использующих схемы с отрицательной групповой задержкой, страдают от небольшой дробной полосы пропускания (FBW) и плохой возможности реконфигурации коэффициента деления мощности (PDR). Сочетание возможности реконфигурации разделения мощности и отрицательной групповой задержки компенсирует групповую задержку цепи. В радиочастотных цепях явление отрицательной групповой задержки наблюдается в узком диапазоне частот. Оно увеличивает линейность, что приводит к повышению производительности системы беспроводной связи21, как и в случае с антенными решетками с последовательным питанием без косоглазия. Распределенная пассивная полосовая схема отрицательной групповой задержки, каскадно соединенная с микроволновым усилителем, представлена ​​в [22]. Математические уравнения для расчета групповых задержек, связанных с величинами коэффициентов передачи при коэффициенте деления мощности \(k^2\) для расчетной рабочей частоты, приведены в 23.