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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

“群时延(group delay)”这一概念最早是由美国人h.n.yquist和s.brand在上个世纪三十年代提出[1][2]，其主要用来描述信号经过传输系统所发生的时间延迟以及失真度。在信号传输过程中，衡量一个传输系统的优劣，要同时对系统的频率特性和时域特性来进行分析，其中幅频特性和相频特性都属于频率特性所要分析的对象，一个良好的信号传输系统，不仅要有较好的幅频特性一致性，并且同时应该具有较好的相频特性一致性，而群延时这一概念就是用来描述系统，特别是线性时不变系统中的相频特性平坦度而定义的。群时延具体指的是群信号通过传输系统或者传输网络时，信号整体所产生的时延大小，它强调的是信号整体包络的传输时间，所以有时也称为包络延迟。在使用群时延时必须要注意两点，第一其传输信号必须是群信号，如振幅调制信号、频率调制信号以及数字调制信号等，单色波的传输是不具有群时延这一概念的，第二群时延表示的是波群整体的延时大小，并不是描述某一个频率分量的相位延时，更不是所有频率分量的延时平均值，从物理本质意义上来分析，某一特定频率下的群时延表达的是，以该频率为中心的一个很窄频段内的信号通过线性时不变系统的时间，其大小应该等于这一频率对应相位特性的负微分，即τ=-dφ(ω)/dω，其中τ表示群延时大小[2]。

长期以来，对于线性信号传输系统的大多数研究是集中在幅频响应的研究，而较少关注到相频响应的方面。近些年来随着通信雷达、空间探测、卫星导航、毫米波通信测量等理论的完善和软硬件水平的不断提升，对通信系统的传输容量、信道传输特性也要求越来越高。通过理论分析和实践认识到，相位相对于幅度在信号传输过程中所能承载的有用信息量更大，稳定性更高。而群时延正是用来表示信号在传输系统中相位线性度的一个非常重要的参数，所以近年来就受到了更多的关注和研究，尤其是在射频微波领域，因为其在信号传输上相对于低频率传输有着更大的优势，在群时延的研究上更是显得特别重要[3]。比如在微波雷达相控阵技术中，在多路收发组件的设计中，一个关键的设计难点就是在组件中要求每个部件都要具有精确、一致的群时延特性[4];同时在一些微波空间测试系统和导航系统中，尤其是对军事定位导航系统这类精度性能要求极高的设备中，群时延特性对空间物体的定位准确度更是有着直接影响，如果群时延特性较差，将会直接导致系统不能正常工作[5]。从上个世纪九十年代开始，国内大量商用寻呼机系统和彩色电视机的使用，加上众多关键部件的进口依赖性较大，促进了对群时延特性的研究，特别是在对群时延补偿和群时延均衡器的研究中，各种模拟化和数字化的群时延补偿方案被提出[6-10]，然而因为各种原因，这些方案中大多数并没有被大规模应用到实际当中。同时这些研究仅限于对于正群时延的研究，直到二十一世纪初期，国内依然没有研究机构和学者开始系统化研究“负群时延”这一领域。

根据爱因斯坦的相对论理论，任何物体的运动是不能超过光速的[11]。这同时也说明在一个系统中信号只有先进入传输系统或者网络中，才能在输出端得到结果，即系统的群时延在数值上是正的，意味着输出的信号总是滞后与输入信号的。然而在二十世纪六十年代末期，美国科学家veselgo首次在理论上证明了介质中可以同时存在负电介电常数和负电磁导率[12]。在这些介质当中，负反射系数被定义为√ε√μ[3]。根据这一假设，然后又提出了一系列的超级材料，这些材料具有不寻常的聚焦特性和反向折射特性。然而在很长一段时间内，这些理论都还没有被实验所证明，因为所谓的负反射系数的材料还没有完全成功的研制出来。在这同一时期美国科学家l.brillouin和a.sommerfeld提出在某一些特定的条件下，群时延在数值上是可以为负数的，这意味着在某一些系统中可以出现输入信号滞后于输出信号这一奇怪的现象[1]。当然在当时他们也只是给出了这一现象的理论假设，并且很多条件是极为苛刻的，并没有给出实际的证明和现象验证。然而进入二十一世纪以后，特别是最近几年的一些研究当中，一些人工周期性结构在部分频率上同时实现了负群延时和负反射系数的功能[13]。这一研究最开始是在美国圣迭戈的一所大学中进行的，后来加拿大多伦多的某一个研究组织也开始了这一方面的研究。这一现象引起了世界各国研究者的注意，并开始了投入大量精力进行研究。众所周知，在通信系统中，放大器的线性度作为最为影响系统性能的重要指标，使其一直被重点研究，而前馈放大器的出现[13]，使得线性度的问题变的相对容易，但是其缺点在于所使用的延时线体积过大，直接影响了整体系统集成度的发展，而用负群时延电路替代延时线则可以有效解决这一问题。同时负群时延电路可以使用在相控阵天线阵列的馈电系统中，能够消除波数偏斜的问题[14]，特别是负群时延电路或者网络在射频微波频段上实现，将极大的推动微波集中电路的发展。本文就是基于以上重大意义而开展研究，并将提出一种基于三条并联微带线的负群时延电路的具体方案，具有深远的意义和实用价值。

2. 研究的基本内容

（一）研究目标

本设计在基于微波工程和射频电路的基础上，通过对负群时延相关概念、产生机理及电路特征的研究，为了实现负群时延电路的小型化，降低负群时延电路的损耗和反射，提高群时延的带宽和时延，提出一条基于三条并联微带线的负群时延电路，深入地分析负群时延电路的s参数、群时延、群时延带宽，从理论上验证电路是否具有可行性。然后利用仿真软件优化提出的负群时延电路，根据优化的结果加工该电路，最后实际测量该电路的s参数、群时延、把实测结果与仿真结果进行对比分析，来验证电路的可行性，分析总结当前负群时延电路主要问题，从而为该电路在中继、卫星通信、雷达通信系统中的应用提供可能性。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

2018年11月-2018年12月 初步认识并熟悉负群时延电路相关知识，进行文献调研。

2018年1月-2019年2月设计负群时延电路原理图，用仿真软件hfss对电路进行建模，仿真，优化，提交毕业设计任务书与开题报告。

2019年2月-2019年3月将优化好的电路进行加工、实测、与仿真结果对比，若实测与仿真结果相差太大，则需重新设计、加工、实测，直到测试结果与仿真结果相吻合为止。

4. 参考文献

[1] l.brillouin,and a.sommerfeld,wave propagation and group velocity[m], academic pressnetwork,1960.

[2] nyquist h,brand s.measurement of phase distortion[j]. be11. syst.tech.j.1930, 9(3):522-549.

[3] 罗碧先，罗健.外侧转发器ns级精度群时延参数的测试[j].导弹与航天运载级数.1995(2):60-70.