Teoria di progettazione del divisore di potenza compatto con divisione di potenza riconfigurabile e caratteristiche di ritardo di gruppo negativo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7222 (2023) Citare questo articolo

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Questo articolo presenta l'analisi combinata della divisione di potenza riconfigurabile e del ritardo di gruppo negativo (NGD) in un divisore di potenza. In questo lavoro viene presentato un nuovo divisore di potenza riconfigurabile basato su linea di trasmissione composita con rapporto di divisione di potenza elevato, ritardo di gruppo negativo variabile e impedenza caratteristica inferiore. La trasformazione dell'impedenza nelle linee di trasmissione composite controlla sia il ritardo del gruppo negativo che la divisione di potenza. Questo divisore di potenza possiede un'ampia gamma di rapporti di divisione di potenza da 1 a 39, isolamento adeguato, adattamento di impedenza e NGD da \(-3,4\) ns a \(-4,7\) ns nel percorso di trasmissione riconfigurabile. Il ritardo di gruppo negativo si ottiene senza utilizzare circuiti di ritardo di gruppo aggiuntivi. Si derivano le equazioni teoriche corrispondenti alla bassa impedenza caratteristica delle sezioni della linea di trasmissione e quella degli elementi di isolamento. I risultati della misurazione giustificano il raggiungimento di un'elevata regolazione del rapporto di divisione di potenza e del ritardo di gruppo negativo. L'isolamento e la perdita di riflessione sono superiori a −15 dB alla frequenza centrale di 1,5 GHz. I contributi significativi di questo progetto possono essere elencati nell'ampia divisione di potenza riconfigurabile insieme al ritardo di gruppo negativo e alle dimensioni ridotte.

I sistemi di comunicazione wireless richiedono divisori di potenza uguali, disuguali e riconfigurabili come reti di alimentazione per gli array di antenne. Nei divisori di potenza riconfigurabili la banda operativa o il rapporto di divisione della potenza è controllato da tensioni CC ed elementi concentrati come diodi varactor. La capacità dei diodi varactor può essere controllata dalla tensione CC, con conseguente modifica della larghezza di banda o del rapporto di divisione della potenza1,2,3. Oltre alla riconfigurabilità, è necessario anche il ritardo del gruppo negativo (NGD) per superare i problemi di squint del fascio negli elementi della schiera di antenne. Alcuni divisori di potenza riconfigurabili sono presentati in 4,5,6,7. Gli inverter commutabili vengono utilizzati per ottenere divisioni di potenza completamente riconfigurabili in4. Tuttavia, la presenza di venti diodi PIN rende il sistema complesso. In5 vengono utilizzati solo due diodi varactor, ma la regolazione è solo da 1:1 a 1:2,4. I PD riconfigurabili con rapporto di divisione continua sono progettati in6, ma l'intervallo di divisione di potenza è compreso solo tra \(-12,4\) e 14,8 dB e tra \(-8,6\) e \(-22,5\) dB. La PD con una divisione più completa da \(-1,25\) dB a 20 dB viene realizzata in7, ma il circuito utilizza un gran numero di impedenze caratteristiche diverse. Il divisore di potenza variabile controllato in tensione basato su Magic-T planare con un intervallo di divisione di potenza massimo di 14 dB è presentato in8. Tuttavia, il circuito presenta una differenza di fase di circa 15 gradi. L'architettura di suddivisione della potenza del sistema SWIPT è studiata in9,10 e la riconfigurabilità basata su diodi varactor in cascata e un metodo riflettente di sfasamento è presentata in11,12,13. La sezione di funzionamento e isolamento dual band con linee di trasmissione aggiuntive è mostrata rispettivamente in 14,15 per eliminare l'accoppiamento indesiderato che si verifica durante l'accordatura.

Le antenne a schiera di fase soffrono di problemi di squint del fascio, che portano a perturbazioni indesiderate nella forma e nella direzione del diagramma di radiazione. Un divisore di potenza con PDR e NGD regolabili sarà utile per superare questa sfida progettuale16. I divisori di potenza basati sul controllo della perdita di inserzione e con un rapporto di divisione di ampio intervallo e una larghezza di banda ridotta sono presentati in17. Tuttavia, l'analisi GD non viene eseguita in questo lavoro. Il progetto di un filtro di ritardo del gruppo negativo con ritardo del gruppo negativo di 4,05 ns è implementato in18. Un'analisi sistematica del divisore di potenza NGD viene effettuata in19. In questo lavoro viene utilizzato il concetto di stadi in banda base identici di secondo ordine collegati in cascata. Nel capitolo 20 viene presentato un divisore di potenza con ritardo di gruppo negativo bilanciato-sbilanciato basato su linee accoppiate in cortocircuito con resistori.

I divisori di potenza convenzionali progettati per schiere di antenne che utilizzano circuiti di ritardo di gruppo negativo soffrono di piccole larghezze di banda frazionarie (FBW) e di scarsa riconfigurabilità nel rapporto di divisione di potenza (PDR). La combinazione della riconfigurabilità della divisione di potenza e del ritardo del gruppo negativo compenserà il ritardo del gruppo di circuiti. Nei circuiti RF, il fenomeno del ritardo di gruppo negativo viene osservato all'interno di una banda di frequenza ristretta, aumenterà la linearità con conseguente miglioramento delle prestazioni di un sistema di comunicazione wireless21 come nel caso degli array di antenne alimentati in serie senza strabismo. Un circuito di ritardo di gruppo negativo passa-banda passivo distribuito collegato in cascata con un amplificatore a microonde è presentato in 22. Le equazioni matematiche per il calcolo dei ritardi di gruppo associati alle grandezze dei coefficienti di trasmissione con un rapporto di divisione di potenza \(k^2\) per la frequenza operativa progettata sono fornite in23.