Designtheorie eines kompakten Leistungsteilers mit rekonfigurierbarer Leistungsteilung und negativen Gruppenverzögerungseigenschaften

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7222 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wird die kombinierte Analyse der rekonfigurierbaren Leistungsteilung und der negativen Gruppenverzögerung (NGD) in einem Leistungsteiler vorgestellt. In dieser Arbeit wird ein neuartiger rekonfigurierbarer Leistungsteiler auf Verbundübertragungsleitungsbasis mit hohem Leistungsteilungsverhältnis, variabler negativer Gruppenverzögerung und niedrigerer Wellenimpedanz vorgestellt. Die Impedanztransformation in Verbundübertragungsleitungen steuert sowohl die negative Gruppenverzögerung als auch die Leistungsteilung. Dieser Leistungsteiler verfügt über einen weiten Bereich an Leistungsteilungsverhältnissen von 1 bis 39, eine ausreichende Isolierung, Impedanzanpassung und einen NGD von \(-3,4\) ns bis \(-4,7\) ns im rekonfigurierbaren Übertragungspfad. Die negative Gruppenverzögerung wird ohne Verwendung zusätzlicher Gruppenverzögerungsschaltungen erreicht. Es werden theoretische Gleichungen abgeleitet, die der niedrigen charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitungsabschnitte und der Isolationselemente entsprechen. Die Messergebnisse rechtfertigen das Erreichen einer hohen Abstimmung des Leistungsteilungsverhältnisses und einer negativen Gruppenverzögerung. Isolation und Rückflussdämpfung liegen bei der Mittenfrequenz von 1,5 GHz über − 15 dB. Als wesentliche Beiträge dieses Designs können die breite rekonfigurierbare Leistungsaufteilung zusammen mit der negativen Gruppenverzögerung und der reduzierten Größe aufgeführt werden.

Drahtlose Kommunikationssysteme erfordern gleiche, ungleiche und rekonfigurierbare Leistungsteiler als Speisenetzwerke für die Antennenarrays. Bei rekonfigurierbaren Leistungsteilern wird der Betriebsbereich oder das Leistungsteilungsverhältnis durch Gleichspannungen und konzentrierte Elemente wie Varaktordioden gesteuert. Die Kapazität von Varaktordioden kann durch Gleichspannung gesteuert werden, was zu einer Änderung der Bandbreite oder des Leistungsteilungsverhältnisses führt1,2,3. Zusätzlich zur Rekonfigurierbarkeit ist auch eine negative Gruppenverzögerung (NGD) erforderlich, um Strahlschielungsprobleme in Antennenarray-Elementen zu überwinden. Einige rekonfigurierbare Leistungsteiler werden in 4,5,6,7 vorgestellt. Um eine vollständig rekonfigurierbare Leistungsaufteilung zu erreichen, werden schaltbare Wechselrichter eingesetzt4. Das Vorhandensein von zwanzig PIN-Dioden macht das System jedoch komplex. In5 werden nur zwei Varaktordioden verwendet, die Abstimmbarkeit reicht jedoch nur von 1:1 bis 1:2,4. Rekonfigurierbare PDs mit kontinuierlichem Teilungsverhältnis sind in6 ausgelegt, der Leistungsteilungsbereich reicht jedoch nur von \(-12,4\) bis 14,8 dB und von \(-8,6\) bis \(-22,5\) dB. PD mit einer umfassenderen Aufteilung von \(-1,25\) dB bis 20 dB wird in7 realisiert, die Schaltung verwendet jedoch eine große Anzahl verschiedener charakteristischer Impedanzen. Der planare, auf Magic-T basierende, spannungsgesteuerte, variable Leistungsteiler mit einem maximalen Leistungsteilungsbereich von 14 dB wird in 8 vorgestellt. Allerdings weist die Schaltung einen Phasenunterschied von etwa 15 Grad auf. Die Leistungsteilungsarchitektur des SWIPT-Systems wird in9,10 untersucht und die Rekonfigurierbarkeit auf der Grundlage einer kaskadierten Varaktordiode und einer reflektierenden Phasenschiebermethode wird in11,12,13 vorgestellt. Der Dualband-Betrieb und der Isolationsabschnitt mit zusätzlichen Übertragungsleitungen sind in 14 bzw. 15 dargestellt, um die unerwünschte Kopplung zu beseitigen, die beim Abstimmen auftritt.

Phased-Array-Antennen leiden unter Strahlschielungsproblemen, die zu unerwünschten Störungen in Form und Richtung des Strahlungsmusters führen. Ein Leistungsteiler mit abstimmbarem PDR und NGD wird zur Bewältigung dieser Designherausforderung hilfreich sein16. Leistungsteiler, die auf der Kontrolle der Einfügungsdämpfung basieren und ein Teilungsverhältnis mit großem Bereich und schmaler Bandbreite aufweisen, werden in 17 vorgestellt. Eine GD-Analyse wird in dieser Arbeit jedoch nicht durchgeführt. Der Entwurf eines negativen Gruppenverzögerungsfilters mit einer negativen Gruppenverzögerung von 4,05 ns ist in18 implementiert. Eine systematische Analyse des NGD-Leistungsteilers erfolgt in19. In dieser Arbeit wird das Konzept kaskadierter identischer Basisbandstufen zweiter Ordnung genutzt. In20 wird ein symmetrischer zu unsymmetrischer negativer Gruppenverzögerungs-Leistungsteiler vorgestellt, der auf kurzgeschlossenen gekoppelten Leitungen mit Widerständen basiert.

Die herkömmlichen Leistungsteiler, die für Antennenarrays mit negativen Gruppenverzögerungsschaltungen entwickelt wurden, leiden unter kleinen Teilbandbreiten (FBWs) und einer schlechten Rekonfigurierbarkeit des Leistungsteilungsverhältnisses (PDR). Durch die Kombination von Leistungsteilungs-Rekonfigurierbarkeit und negativer Gruppenverzögerung wird die Schaltgruppenverzögerung kompensiert. In HF-Schaltkreisen wird das Phänomen der negativen Gruppenverzögerung innerhalb eines schmalen Frequenzbands beobachtet. Es erhöht die Linearität und führt zu einer verbesserten Leistung eines drahtlosen Kommunikationssystems21, wie im Fall schielfreier, in Reihe gespeister Antennenarrays. Eine verteilte passive Bandpass-Negativgruppenverzögerungsschaltung, die mit einem Mikrowellenverstärker kaskadiert ist, wird in22 vorgestellt. Die mathematischen Gleichungen zur Berechnung von Gruppenverzögerungen, die mit den Größen der Übertragungskoeffizienten bei einem Leistungsteilungsverhältnis \(k^2\) für die ausgelegte Betriebsfrequenz verbunden sind, sind in23 angegeben.

Alle zuvor erwähnten Arbeiten sind erfolgreich bei der Realisierung von Funktionen wie einstellbarer Bandbreite, Frequenz, Leistungsteilung oder NGD. In der Literatur wird noch nicht über eine Arbeit berichtet, die sich gleichzeitig mit der Neukonfiguration der Leistungsteilung und der negativen Gruppenverzögerung befasst.

In diesem Artikel wird eine neue Designtechnik vorgestellt, um eine negative Gruppenverzögerung und ein einstellbares Leistungsteilungsverhältnis ohne zusätzliche Gruppenverzögerungsschaltungen zu erreichen. Die Impedanztransformation in Verbundübertragungsleitungen steuert die negative Gruppenverzögerung und Leistungsteilung. In der vorgeschlagenen Schaltung sorgt der Übertragungspfad zwischen 3 und 1 für negative Gruppenverzögerungseigenschaften und eine positive Gruppenverzögerung im Übertragungspfad zwischen 2 und 1. Der vorgeschlagene Leistungsteiler kann in Hüllkurvenverfolgungsanwendungen oder dynamischen Leistungsverstärkern verwendet werden. Der positive Gruppenverzögerungspfad kann direkt mit dem HF-Pfad verbunden werden, und der negative Gruppenverzögerungspfad kann mit dem Detektorpfad verbunden werden, um die Zeitfehlanpassung zwischen der Signalhüllkurve und der dynamischen Stromversorgung auszugleichen. Die Schaltung sorgt außerdem für eine ordnungsgemäße Impedanzanpassung und eine ausreichende Isolierung. Die Arbeit ist mit den theoretischen Analyse- und Entwurfstechniken im Abschnitt „Entwurfstechniken und mathematische Analyse“ gegliedert. Der Abschnitt „Analyse der Ergebnisse“ analysiert und untersucht Ergebnisse in verschiedenen Szenarien und vergleicht diese Arbeit mit den neuesten Entwürfen auf dem neuesten Stand der Technik in der Literatur. Die Arbeit wird dann im Abschnitt „Abschluss“ abgeschlossen.

Das Konzept der zusammengesetzten Übertragungsleitungen (CT-Leitungen) wird in diesem Design verwendet, um Folgendes zu erreichen: Rekonfigurierbarkeit bei der Leistungsteilung, kleinere charakteristische Impedanz, Größenreduzierung und negative Gruppenverzögerung. Das Isolationsnetzwerk verfügt über zusätzliche Übertragungsleitungen und konzentrierte Elemente, um die Portanpassung und Rekonfigurierbarkeit zu verbessern. Das Blockschaltbild des vorgeschlagenen Leistungsteilers ist in Abb. 1 dargestellt. Die Übertragungsmatrix eines herkömmlichen Viertelwellenlängenabschnitts (QWL) entspricht der der modifizierten Zweige (CT-Leitungen) des Leistungsteilers. Die durch die Teilungsarme fließende Leistung hängt von der Impedanz der Arme ab. Der Arm mit kleinerer Impedanz nimmt mehr Strom und damit mehr Leistung auf.

Das Blockdiagramm des Leistungsteilers mit rekonfigurierbarem PDR.

Die Beziehung zwischen zusammengesetzten Übertragungsleitungen und Viertelwellenlängenleitungen kann in Matrixform wie folgt ausgedrückt werden:

\(M_1\) ist die Übertragungsmatrix einer Mikrostreifen-Übertragungsleitung und \(M_{C1}\) und \(M_{QWL}\) sind die eines Kondensators bzw. einer Viertelwellenlängenleitung. Durch Lösen der Matrizen kann der Wert des Abstimmungselements ( \(C_1\)) ermittelt werden.

Das Ersatzschaltbild des PD für die Analyse gerader Moden ist in Abb. 2a dargestellt und auf dieser Grundlage erhalten wir (1), (2), (3). Hier \(\theta _1\), \(\theta _2\) und \(\theta _3\) stellen die elektrische Länge dar und \(Z_1\), \(Z_2\) und \(Z_3\) entspricht der charakteristischen Impedanz.

Ersatzschaltungen (a) Gerader Modus (b) Ungerader Modus.

wobei \(Z_{Even3}\) = \(Z_{3/jtan} \theta _3\)

Für die Impedanzanpassung LHS von (3) kann die Portimpedanz \(Z_0\) gleichgesetzt werden, was ergibt:

Das Modifizieren von (2) unter Verwendung von (1) und die spätere Anwendung in (3a) führt zu den Werten von \(Z_2\) und \(Z_3\).

Hier ist P = \(tan^{2}\theta _1\). Basierend auf der in Abb. 2.b dargestellten Schaltung wird eine Odd-Mode-Analyse durchgeführt, um die Werte konzentrierter Elemente in der Isolationsschaltung zu ermitteln. \(Z_{IN}\) im Stromkreis entspricht der Impedanz des Isolationsnetzwerks. Also erhalten wir:

\(Z_{Odd1}\) = j \(Z_{1} tan\theta _1\)

Und

Ersetzen Sie \(Z_{Odd3}\) und \(Z_{Odd1}\) in (7). Der modifizierte Wert von \(Z_{Odd2}\) wird dann in (8) angewendet, was zu (8a) führt. Durch die Trennung des Real- und Imaginärteils von (9) erhält man nach dieser Modifikation (10).

\(Z_{Odd3}\) im Isolationsnetzwerk besteht aus einem hinzugefügten Übertragungsleitungsabschnitt \(Z_3\) und einer Reihe RLC. Der \(Z_{ODD3}\)-Term in (8a) wird also unter Verwendung von \(Z_3\) und der Reihe RLC modifiziert, was zu (9) führt.

Um eine perfekte Übereinstimmung zu erreichen, kann der Realteil mit \(Z_0\) und der Imaginärteil mit Null gleichgesetzt werden. Dies ergibt (10), (11)

Und

Das Kriterium für die Anpassung besteht darin, dass die Summe der Impedanzen der zusammengesetzten Übertragungsleitungen gleich der Impedanz der Brücke sein sollte, die die Arme trennt, \((Z_{Odd3}=Z_{IN2}+Z_{IN3})\). Das Ersetzen von \(Z_{IN2}\) und \(Z_{IN3}\) basierend auf CT-Linien zeigt, dass \(C_2=2C_3\). Basierend auf dieser Bedingung kann die Impedanz der unteren CT-Leitung in Bezug auf ein rekonfigurierbares Isolationsnetzwerk transformiert werden, was zu unterschiedlichen Verhältnissen in der Leistungsaufteilung führt.

Die Gruppenverzögerungen, die mit den Größen der Übertragungskoeffizienten bei einem Leistungsteilungsverhältnis \(k^2\) und einer Betriebsfrequenz f verbunden sind, können basierend auf den Gleichungen ausgewertet werden. (12) und (13),

Der vorgeschlagene Entwurf basiert auf dem Konzept der Verbundübertragungsleitungen. Die Viertelwellenlängenleitungen in einem herkömmlichen Leistungsteiler auf Wilkinson-Basis werden durch zusammengesetzte Übertragungsleitungen ersetzt. Die Rekonfigurierbarkeit wird durch Variation der Impedanz der zusammengesetzten Übertragungsleitungen erreicht. Der Anfangswert der Kapazität in den Verbundübertragungsleitungen wird durch eine Analyse ermittelt, die auf der Übertragungsmatrixbeziehung zwischen der Viertelwellenlängenleitung und der Verbundübertragungsleitung basiert. Die Analyse gerader Moden wird verwendet, um die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitungsabschnitte zu ermitteln. Diese Impedanzwerte werden gemäß der Geradenmodusanalyse ausgewertet. Die Odd-Mode-Analyse wird verwendet, um die Werte konzentrierter Elemente in der Isolationsschaltung zu ermitteln.

Das Schema des Designs ist in Abb. 3 dargestellt. Es verfügt über drei verschiedene Übertragungsleitungsabschnitte: \(Z_1\), \(Z_2\), \(Z_3\) und ein Isolationsnetzwerk. Die Impedanz \(Z_1\) entspricht der charakteristischen Impedanz der in den Teilungsarmen platzierten Verbundübertragungsleitungen. Das Abstimmen der Varaktordioden, die mit Verbundübertragungsleitungen verbunden sind, führt zu einer Transformation der entsprechenden Impedanz und damit der durch die Teilerarme fließenden Leistung. Basierend auf der Analyse gerader Moden werden die charakteristischen Impedanzen \(Z_2\) und \(Z_3\) ermittelt. Dabei ist \(Z_2\) die Impedanz der Übertragungsleitungsabschnitte, die zu den Ausgangszweigen führen, und \(Z_3\) die der verlängerten Übertragungsleitungsabschnitte, die im Isolationsarm platziert sind. Diese Werte werden durch die Gleichungen gegeben. (4) und (5). Eine Analyse des ungeraden Modus wird durchgeführt, um die Werte der konzentrierten Elemente im Isolationsarm zu ermitteln. Die konzentrierten Elementwerte werden mithilfe der Gleichungen ermittelt. (10) und (11). Die Designparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die mit den Ausgangsports verbundene Gruppenverzögerung kann aus (12) und (13) berechnet werden.

Schematische Darstellung des Designs.

Das Entwurfsverfahren lässt sich wie folgt zusammenfassen:

Geben Sie die Mittenfrequenz f und PDR an.

Ersetzen Sie die herkömmlichen Viertelwellenlängenleitungen durch zusammengesetzte Übertragungsleitungen, basierend auf dem Wert von \(Z_1\) und konzentrierten Elementen, die durch Lösen der Übertragungsmatrix erhalten werden.

Finden Sie die Impedanzwerte \(Z_2, Z_3\) gemäß (4) und (5).

Bestimmen Sie den Wert der im rekonfigurierbaren Isolationsnetzwerk vorhandenen Komponenten gemäß (10) und (11).

Realisieren Sie die Kondensatoren \(C_2\) und \(C_3\) durch die Varaktordiode SMV 2019LF von Skyworks Solutions.

Berechnen Sie GD an den Ausgangsanschlüssen gemäß (12) und (13).

Variieren Sie die Vorspannung der Varaktordioden (VD), um die Kapazität im Verhältnis \(C_2=2C_3\) zu variieren und somit die Armimpedanzen zu variieren, was wiederum zu Variationen bei PDR und NGD führt.

Vergleichen Sie die erzielten und berechneten Ergebnisse.

Der Prototyp wird mit einem Roger RT/5880-Substrat mit \(\epsilon _r\) = 2,2 und einer Höhe von 0,8 mm hergestellt. Die vorgeschlagene Arbeit basiert auf der Impedanztransformation der zusammengesetzten Übertragungsleitungsabschnitte. Die zusammengesetzten Übertragungsleitungsabschnitte haben eine niedrigere Impedanz als Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen und überwinden daher die Herstellungsbeschränkungen. Indem wir die Impedanz der Verbundübertragungsleitung umwandeln, können wir den Leistungsfluss durch die Leitung variieren. Dies steuert die Einfügungsdämpfung (IL) im Durchlassband. Das Verhältnis der an den Ausgangsanschlüssen verfügbaren Leistung kann anhand der Größe der Einfügungsdämpfung mathematisch berechnet werden. Beim Abstimmen beeinflusst der Arm des Leistungsteilers, der Port drei entspricht, dessen Impedanz erheblich. Die Steuerung der Impedanz mithilfe von Varaktordioden führt also zu einer Variation des Leistungsteilungsverhältnisses. Wenn an den Ausgangsanschlüssen gleiche Leistung benötigt wird, werden die Varaktordioden in den destruktiven Modus versetzt, dh in den nicht vorgespannten Modus. Die R- und L-Werte des Isolationsnetzwerks werden mit R = 120 Ohm und L = 3,3 nH berechnet, um eine perfekte Isolation bei der Mittenfrequenz zu erreichen. Ein Leistungsteiler mit einem Leistungsteilungsverhältnis von 1:39, einer Größenreduzierung um 30 Prozent und einem Übertragungspfad mit rekonfigurierbarer negativer Gruppenverzögerung ist auf eine Mittenfrequenz von 1,5 GHz ausgelegt.

Die Simulation wird mit der Software ANSYS-HFSS durchgeführt. Die Hyper-Abrupt-Junction-Varaktordiode SMV 2019LF wird zum Abstimmen der Kapazitäten \(C_2\) und \(C_3\) verwendet. Die Abstimmung der Varaktordioden auf unterschiedliche Vorspannungen sorgt für eine Impedanztransformation, die wiederum zu einer Rekonfigurierbarkeit bei Leistungsteilung und NGD führt. Übertragungsleitungsabschnitte mit kurzer elektrischer Länge im Isolationsnetzwerk kompensieren den begrenzten Kapazitätsbereich kommerzieller Varaktordioden. Dadurch wird der gesamte Stimmbereich verbessert. Die Vorspannung an der Varaktordiode wird über HF-Drosselinduktivitäten angelegt. Das Schema des entworfenen PD ist in Abb. 3 dargestellt. Die Leistung der Schaltung wird durch Messung der Streuparameter und der Gruppenverzögerung mit einem Keysight E5C Vektornetzwerkanalysator validiert. Wenn sich die Steuerspannung von (0–20 V) ändert, variiert die Kapazität der Varaktordiode von (2,2–0,3) pF. Dies transformiert die Armimpedanz und führt zu einer Änderung des Leistungsflusses von – 1,47 dB auf – 16,4 dB, was zu einem Leistungsteilungsverhältnis von bis zu 39 führt. Die simulierte und gemessene Eingangsrückflussdämpfung liegt bei etwa – 19 dB bei der Mittenfrequenz und beträgt nahezu unabhängig von der Abstimmung der Kapazitätswerte konstant. Dies ist durch die Abstimmung der Kapazitätsdioden ohne Änderung der Impedanzanpassung möglich. Auch bei der Mittenfrequenz (1,5 GHz) beträgt die Isolation mehr als −15 dB. Abbildung 4a zeigt die Größe von S11 und Abb. 4b zeigt die Größe der Isolation (S32) für verschiedene Vorspannungen, die unterschiedlichen Leistungsteilungsverhältnissen entsprechen. Das Leistungsteilungsverhältnis am Ausgang wird mathematisch aus den Ergebnissen der Einfügungsdämpfung berechnet. Die Mess- und Simulationsergebnisse für die Leistungsteilung entsprechend drei verschiedenen Leistungsteilungsverhältnissen sind in Abb. 5 dargestellt. Die Leistungsteilung wird durch die Impedanztransformation der Verbundübertragungsleitung gesteuert; Es gibt einen größeren Bereich, um die Leistung ungleichmäßig auf einen schmalen Gleichspannungsbereich aufzuteilen. Daher ist eine Gleichspannungsquelle (0–20 V) ausreichend.

(a) S11 bei unterschiedlichen Vorspannungen (b) S32 bei unterschiedlichen Vorspannungen.

Variation der PDR-Vorspannungen: (a) PDR = 39 (Vdc = 0 V) ​​(b) PDR = 15 (Vdc = 7) (c) PDR = 7 (Vdc = 20 V).

Das Fractional Power Division Ratio (FPDR) ist ein wesentlicher Leistungsparameter für Leistungsteiler mit rekonfigurierbarem Leistungsteilungsverhältnis. Das fraktionelle Leistungsteilungsverhältnis kann aus (14) basierend auf den Werten des maximalen Leistungsteilungsverhältnisses (MPDR) und den maximalen und minimalen Werten der Einfügungsdämpfung ermittelt werden. Aus dem fraktionellen Leistungsteilerverhältnis lässt sich eine Rekonfigurierbarkeit des vorgeschlagenen Leistungsteilers von 87 Prozent ermitteln. Dieser Parameter wird bei den meisten der gemeldeten rekonfigurierbaren Leistungsteiler nicht analysiert. Der fraktionelle Wert des Leistungsteilungsverhältnisses für drei verschiedene Leistungsteilungsverhältnisse ist in Tabelle 2 dargestellt. Man kann sehen, dass der FPDR-Wert mit dem Leistungsteilungsverhältnis zunimmt.

Die analytische Untersuchung zeigt, dass die Gruppenverzögerung der Übertragungswege zwischen 3 und 1 negativ und die zwischen den Übertragungswegen 2 und 1 positiv ist.

Der Verzerrungspegel kann unter dem gewünschten Wert gehalten werden, indem die effektive Bandbreite unter die 3-dB-Grenze reduziert wird. Wenn sich außerdem die negative Gruppenverzögerungsbandbreite über den gesamten Bereich des Frequenzgangs erstreckt, ist die Verzerrungsmatrix in diesem Bereich groß. In dieser Arbeit beträgt die negative Gruppenverzögerungsbandbreite (dh die Bandbreite mit \(\tau <0\) ) 100 MHz. Das NGD-BW-Produkt (Negative Gruppenverzögerung-Bandbreite) für die drei verschiedenen Fälle der Leistungsteilung beträgt 0,46, 0,45 bzw. 0,36 für Leistungsteilungsverhältnisse von 39, 15 und 7. Die negative Gruppenverzögerung entspricht der unterschiedlichen Leistungsteilung Verhältnisse von 7, 15 und 39 sind in Abb. 6a, b, c dargestellt. Diese 100-MHz-Bandbreite kann durch Transformation der Impedanz von Port 1 auf Port 3 reduziert werden (auf 60 MHz). Die NGD*BW-Produktzahlen von 0,46, 0,45 und 0,36 reduzieren sich somit auf 0,28, 0,27 und 0,22.

Variation der Gruppenverzögerung in Bezug auf Vorspannungen: (a) PDR = 39 (Vdc = 0 V) ​​(b) PDR = 15 (Vdc = 7) (c) PDR = 7 (Vdc = 20 V).

Der Übertragungsweg mit einer in Reihe geschalteten Verbundübertragungsleitung ergibt eine positive Gruppenverzögerung, und der Übertragungspfad mit einer parallel geschalteten Verbundübertragungsleitung sorgt für eine negative Gruppenverzögerung. Der Pfad mit negativer Gruppenverzögerung kann zum Ausgleich der zeitlichen Nichtlinearität zwischen Signalhüllkurve und dynamischer Stromversorgung genutzt werden, wohingegen der Pfad mit positiver Gruppenverzögerung direkt mit dem HF-Pfad verknüpft werden kann. Daher ist der vorgeschlagene Leistungsteiler ein vielversprechendes Design, das in dynamischen Leistungsverstärkern oder Leistungsverstärkern mit Hüllkurvenverfolgung verwendet werden kann. Die nahezu konstante Phasendifferenz, die in einer Bandbreite von 250 MHz um die Mittenfrequenz herum beobachtet wird, ist ein zusätzlicher Grund für diese Anwendung. Die Grafik zeigt, dass die negative Gruppenverzögerung in Bezug auf verschiedene PDRs in den Pfaden 1 bis 3 zwischen -3,6 ns und -4,6 ns variiert. Daher kann Pfad drei verwendet werden, um die zeitliche Nichtlinearität zwischen der dynamischen Stromversorgung und der Signalhüllkurve auszugleichen. Wenn der Wert der mit Arm drei verbundenen Impedanz zu niedrigeren Werten variiert wird, nimmt auch der Wert von S31 und die negative Gruppenverzögerung ab. Aber die Gruppenverzögerung an Port zwei und S21 bleibt nahezu konstant. Somit kann Port zwei direkt mit dem HF-Pfad verbunden werden. Die experimentellen Gruppenverzögerungswerte werden mit den entsprechenden theoretischen Werten gemäß Gleichungen verifiziert. (12) und (13). Die Begrenzung der Arbeitsbandbreite ist auf den Kompromiss zwischen der Betriebsbandbreite und der maximal erreichbaren negativen Gruppenverzögerung zurückzuführen.

Die negative Gruppenverzögerung und Phase bei der Mittenfrequenz sind in Abb. 7 dargestellt. Die Amplituden- und Phasendifferenz entsprechend einem Leistungsteilungsverhältnis von 39 ist in Abb. 8 dargestellt. Die Phasendifferenz beträgt nur etwa 1,25 Grad. Die ungleiche Leistungsteilung der Schaltung ist für das hohe Amplitudenungleichgewicht verantwortlich. Der Prototyp und der Messaufbau des entworfenen Leistungsteilers sind in Abb. 9 dargestellt.

Phasengang und negative Gruppenverzögerung an Port 3.

Amplituden- und Phasenungleichgewicht zwischen den Ausgangsanschlüssen.

Der Prototyp und der Messaufbau des Entwurfs sind in Abb. 9 dargestellt.

Prototyp und Messaufbau des Leistungsteilers.

Die Neuartigkeit der Entwurfstechnik und die Neuartigkeit der anwendungsorientierten Ergebnisse sind die Hauptmerkmale dieses Entwurfs. Tabelle 3 zeigt die Vorteile dieses Designs anhand eines Vergleichs mit anderen aktuellen Veröffentlichungen. Die Tabelle zeigt die breiten und hohen PDRs, die durch dieses Design erreicht werden, zusammen mit der kompakten Größe und dem negativen Gruppenverzögerungspfad ohne Verwendung zusätzlicher negativer Gruppenverzögerungsschaltungen.

Ein Leistungsteiler, der gleichzeitig eine Neukonfiguration des Leistungsteilungsverhältnisses und eine negative Gruppenverzögerung durchführt, wird in der Literatur noch nicht beschrieben. Ein solcher Leistungsteiler ist ein vielversprechender Kandidat für dynamische Leistungsverstärker oder Leistungsverstärker mit Hüllkurvenverfolgung. Dieses Design kann auch in schielfreien Antennenarrays verwendet werden. Die Bandbreite des vorgeschlagenen Entwurfs ist aufgrund des Kompromisses zwischen dem maximal erreichbaren Wert der negativen Gruppenverzögerung und der Bandbreite begrenzt. Durch die Kaskadierung weiterer Abschnitte mit geringfügig unterschiedlichen Mittenfrequenzen kann die Bandbreite verbessert werden.

In diesem Artikel wird eine neuartige Methode zum Entwurf eines rekonfigurierbaren Leistungsteilers mit hohen Leistungsteilungsverhältnissen und negativer Gruppenverzögerung vorgestellt. Der große Bereich der Leistungsteilung, das Vorhandensein eines negativen Gruppenverzögerungspfads, eine geringere Anzahl von Abstimmelementen, eine niedrige charakteristische Impedanz (< Viertelwellenlängenlinien), eine kompakte Größe und ein hohes fraktionelles Leistungsteilungsverhältnis sind die wesentlichen Vorteile des vorgeschlagenen Designs. Dieses Design ist eine neuartige Lösung, um gleichzeitig eine hohe rekonfigurierbare PDR und eine negative Gruppenverzögerung zu erreichen, die für dynamische Leistungsverstärker oder Leistungsverstärker mit Hüllkurvenverfolgung und in schielfreien Antennenarrays geeignet ist. Die Entwurfsgleichungen sowie experimentelle Ergebnisse wurden vorgestellt. Die zusammengesetzten Übertragungsleitungen reduzieren die Impedanzwerte und tragen dazu bei, eine negative Gruppenverzögerung ohne zusätzliche Gruppenverzögerungsschaltungen zu erreichen. Übertragungsleitungen mit geringer elektrischer Länge im Isolationsarm verbessern den Abstimmbereich von Varaktordioden.

Alle Autoren erklären sich damit einverstanden, die ergänzenden Dateien auf begründete Anfrage des entsprechenden Autors weiterzugeben. Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage auch beim entsprechenden Autor erhältlich.

Ilyas, S., Shoaib, N., Nikolaou, S. & Cheema, HM Ein breitbandiger abstimmbarer Leistungsteiler für SWIPT-Systeme. IEEE Access 8, 30675–30681 (2020).

Artikel Google Scholar

Quddious, A. et al. Über die Verwendung abstimmbarer Leistungsteiler für gleichzeitige drahtlose Informations- und Leistungsübertragungsempfänger. Int. J. Antennas Propag.https://doi.org/10.1155/2018/6183412 (2018).

Artikel Google Scholar

Chaudhary, G., Kim, P., Jeong, J. & Jeong, Y. Ein Leistungsteiler mit positiven und negativen Gruppenverzögerungseigenschaften. In der URSI Asia-Pacific Radio Science Conference 1195–1197 (2016).

Zhan, W.-L., Xu, J.-X. & Zhang, XY Verlustarmer rekonfigurierbarer Leistungsteiler mit beliebigen Betriebskanälen unter Verwendung schaltbarer k-Wechselrichter für Antennenspeisenetzwerkanwendungen. IEEE Trans. Mikrowelle. Theorie Tech. 70, 1789–1796 (2022).

Artikel ADS Google Scholar

Guo, L., Zhu, H. & Abbosh, AM Breitbandiger abstimmbarer In-Phase-Leistungsteiler mit gekoppelter Struktur mit drei Leitungen. IEEE Microw. Wirel. Compon. Lette. 26, 404–406 (2016).

Artikel Google Scholar

Peng, H., Yang, H. & Ding, X. Zwei neuartige rekonfigurierbare PDs basierend auf kaskadierten Übertragungsleitungen. IEEE-Mikrowellenkabel. Compon. Lette. 29, 645–647 (2019).

Artikel Google Scholar

Xie, T. et al. Zweiwege-Leistungsteiler mit großem einstellbarem Leistungsverhältnisbereich für Mimo-Antennen mit gewichteter Polarisation in Ban-Radios bei 2,45 GHz. IEEE-Antennen Wirel. Propag. Lette. 21, 1333–1337 (2022).

Artikel ADS Google Scholar

Morita, N., Tanaka, T. & Toyoda, I. Ein variabler Leistungsteiler mit Magic-T und variablem Phasenschieber. IEEE Microw. Wirel. Compon. Lette. 31, 565–568 (2021).

Artikel Google Scholar

Nair, AR & Kirthiga, S. Analyse der Energiegewinnung in SWIPT mithilfe bioinspirierter Algorithmen. Int. J. Electron. 110, 291–311 (2023).

Artikel Google Scholar

Nair, AR & Kirthiga, S. Auswirkungen der gesamten harmonischen Verzerrung in SWIPT-fähigen drahtlosen Kommunikationsnetzwerken. Im Jahr 2021 Smart Technologies, Communication and Robotics (STCR) 1–5 (2021).

Skyworks. Smv2019-Serie Hyperabrupt-Junction-Tuning-Varaktoren (2019).

Nair, RG, Natarajamani, S. & Jayakumar, M. Ein Leistungsteiler auf Varaktordiodenbasis mit Frequenz-Bandbreiten-Abstimmung. In IEEE Indian Conference on Antennas and Propagation (InCAP) 946–949 (2021).

Lei, P., Yang, H. & Zhao, S. Ein neuartiger rekonfigurierbarer PD basierend auf einer komplementären Hybridschaltung. Elektromagnetik 41, 110–118 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

S, N. & Nair, RG Entwurfstheorie eines gleichmäßig aufgeteilten Dualband-Leistungsteilers ohne reaktive Elemente. Advanced Electromagnetics, 11(3), 78–83 (2022) .

Artikel ADS Google Scholar

Zhu, X., Yang, T., Chi, P.-L. & Xu, R. Neuartiges abstimmbares Isolationsnetzwerk, das in ringförmigen Single-to-Balanced-, Leistungsteilungs- und Single-Ended-Filtern mit beliebigen Leistungsteilungsverhältnissen verwendet wird. IEEE Trans. Mikrowelle. Theorie Tech. 68, 666–680 (2020).

Artikel ADS Google Scholar

Chaudhary, G. & Jeong, Y. Gd-Analyse beliebig terminierter pd mit einem ungleichen Leistungsteilungsverhältnis. IET Microw. Antennenpropag. 13, 1041–1047 (2019).

Artikel Google Scholar

Zarghami, S. & Hayati, M. Schmalband-Leistungsteiler mit über einen weiten Bereich abstimmbares Leistungsteilungsverhältnis. Wissenschaft. Rep. 12, 1–16 (2022).

Artikel Google Scholar

Kandic, M. & Bridges, G. Prototypfilter für negative Gruppenverzögerung basierend auf kaskadierten Stufen zweiter Ordnung, implementiert mit Dallen-Key-Topologie. Prog. Elektromagn. Res. B 94, 1–18 (2021).

Artikel Google Scholar

Chaudhary, G. & Jeong, Y. Ein Entwurf eines Leistungsteilers mit negativen Gruppenverzögerungseigenschaften. IEEE Microw. Wirel. Compon. Lette. 25, 394–396 (2015).

Artikel Google Scholar

Zhu, Z., Wang, Z., Zhao, S., Liu, H. & Fang, S. Ein neuartiger symmetrisch-unsymmetrischer negativer Gruppenverzögerungs-Leistungsteiler mit guter Gleichtaktunterdrückung. Int. J. RF Microw. Berechnen. Unterstützter Ing. 32, 1–9 (2022).

Artikel Google Scholar

Wang, Z., Fu, Z., Fang, S. & Liu, H. Ein kompakter Wilkinson-Leistungsteiler mit negativer Gruppenverzögerung und geringer Signaldämpfung. In der IEEE Asia-Pacific Microwave Conference 201–203 (2019).

Wan, F. et al. Entwurf und Test einer innovativen, auf drei Kopplern basierenden Bandpass-Aktivschaltung mit negativer Gruppenverzögerung. IEEE Des. Test 39, 57–66 (2022).

Artikel Google Scholar

Chaudhary, G. & Jeong, Y. Analyse des Phänomens der negativen Gruppenverzögerung im Leistungsteiler: Kopplungsmatrix-Ansatz. IEEE Trans. Compon. Paket. Hersteller Technol. 7, 1543–1551 (2017).

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Abteilung für Elektronik und Kommunikationstechnik, Amrita School of Engineering, Coimbatore, Amrita Vishwa Vidyapeetham, Coimbatore, Indien

Rekha G. Nair & Natarajamani S

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Design und Konzeptualisierung: RGN und NS Verfassen des Originalentwurfs: RGN und NS Analyse der Ergebnisse: RGN und NS Alle Autoren überprüften das endgültige Manuskript.

Korrespondenz mit Rekha G. Nair.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Nair, RG, S, N. Designtheorie eines kompakten Leistungsteilers mit rekonfigurierbarer Leistungsteilung und negativen Gruppenverzögerungseigenschaften. Sci Rep 13, 7222 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34272-y

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Eingegangen: 28. Februar 2023

Angenommen: 26. April 2023

Veröffentlicht: 04. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34272-y

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