CN102751962A - 基于负阻抗变换的电小接收天线宽带有源匹配方法及匹配电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于负阻抗变换的电小接收天线宽带有源匹配方法。将与容性电小天线直接相连接的放大器中引入负阻抗变换，使之成为负阻抗变换放大器，所述负阻抗变换在放大器的输入端得到负电容，当负电容的绝对值大于放大器的输入电容时，在放大器的输入端得到等效的负电容，电小天线输入电抗的等效正电容所述负电容抵消，使有源网络输入端为等效负电容。本发明实现的有源接收天线不但具有宽频带特性，而且和增强型Non-Foster（负阻抗）匹配方法具有类似的增益、信噪比性能，但电路更简单，综合性能好，放大和负阻抗变换在一个电路中实现，同经典有源接收天线相比，仅增加一个正反馈电容。

Description

基于负阻抗变换的电小接收天线宽带有源匹配方法及匹配电路

技术领域

本发明涉及的是一种电小天线的宽带匹配方法，本发明也涉及的是一种电小天线的宽带匹配电路。

背景技术

随着无线电技术设备的小型化，狭小空间对天线尺寸的要求，以及通信设备的宽频带，对于宽带小型化天线的需求越来越多，这使得宽频带、小型化天线成为国内外研究的热点课题之一。为了实现天线的小型化，电小天线被广泛使用，但电小天线具有输入电抗大、辐射电阻小的缺点，使得无源匹配的电小天线受增益带宽理论的限制，无法实现宽频带与高效率。经典的有源接收天线，是采用高输入阻抗的放大器电路真接与容性无源电小天线相连构成一个整体，实现了电小天线的宽频带，但此类有源接收天线由于受放大器电路不可避免输入电容的影响，无法实现高增益，只能通过增大放大器的放大倍数来提高有源天线的增益，这会使有源天线的非线性性能恶化，而且此类有源天线的输岀信噪比较低。

负阻抗匹配的电小天线，能够克服抵消放大器电路不可避免输入电容的影响，是国内外近年来研究宽带电小天线匹配的热点之一，但是提高增益与改善信噪比一直是研究的难点。文献“李文兴.设计有源天线的一种新方法[J].电子学报,1993,21(7)：110-113.”提出了一种利用负阻抗变换器得到的负电容来抵消有有源天线放大器的输入电容；文献“Sussman-Fort,S.E，Rudish R.M.，Non-Foster Impedance Matching of Electrically-Small[J].IEEE Transacationson Antennas and Propagation，2009,57(8)：2230-2241.”介绍了一种利用浮地负阻抗变换器得到的负阻抗来抵消电小天线的输入电抗，都只能有限的提高增益和改善信噪比。文献“Sussman-Fort,S.E.“Non-Foster vs.active matching of an electrically-small receive antenna”Antennas and Propagation Society International Symposium(APSURSI)，pp1–4,2010”，提出了一种增强型Non-Foster（负阻抗）匹配方法，可以很好的提高增益和改善信噪比，同经典有源接收天线相比，输出信噪比大约有5dB的改善，此方法是在经典有源接收天线的电小接收天线和放大器电路之间***浮地负阻抗变换器实现的，而***的浮地负阻抗变换器，使电路结构复杂，非线性性能变差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不但可以实现天线的小型化、宽频带，还可以提高电小天线的增益，改善电小天线的信噪比的基于负阻抗变换的电小接收天线宽带有源匹配方法。本发明的目的还在于提供一种基于负阻抗变换的电小接收天线宽带有源匹配电路。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于负阻抗变换的电小接收天线宽带有源匹配方法为：将与容性电小天线直接相连接的放大器中引入负阻抗变换，使之成为负阻抗变换放大器，所述负阻抗变换在放大器的输入端得到负电容，当负电容的绝对值大于放大器的输入电容时，在放大器的输入端得到等效的负电容，电小天线输入电抗的等效正电容所述负电容抵消，使有源网络输入端为等效负电容。

基于负阻抗变换的电小接收天线宽带有源匹配电路包括运算放大器U1，隔直电容C₁连接于无源天线与运算放大器U1的同相输入端3，C₂为有源网络输出端隔直电容，第一电阻R_O连接运算放大器U1输出端6与低通滤波器U2输入端，第二电阻R_F连接运算放大器U1输出端6与反相端2，第三电阻R_G连接运算放大器U1反相端2与地之间，低通滤波器U2连接第一电阻R_O与源网络输出端隔直电容C₂。

本发明给出了一种基于负阻抗变换技术的电小接收天线宽带有源匹配方法及电路，实现的有源接收天线不但具有宽频带特性，而且和增强型Non-Foster（负阻抗）匹配方法具有类似的增益、信噪比性能，但电路更简单，综合性能好，放大和负阻抗变换在一个电路中实现，同经典有源接收天线相比，仅增加一个正反馈电容。

本发明将与容性电小天线直接相连接的放大器中引入负阻抗变换，使之成为负阻抗变换放大器，负阻抗变换的作用是在放大器的输入端得到负电容，当负电容的绝对值大于放大器的输入电容时，可以在放大器的输入端得到等效的负电容。由于电小天线输入电抗为容抗，可以等效为正电容，同有源网络输入端的等效负电容抵消，使有源网络输入端为等效负电容，实现宽带匹配，并使有源网络输入端的信号比天线接收的源信号要大，有源网络具有等效输入增益，可以有效的提高天线增益和改益信噪比。

本发明中的负阻抗变换器特征在于可在宽频带内实现正电容特性转换，负阻抗变换器是在放大器电路中引入正反馈元件实现，通过调节放大器放大倍数与正反馈关系得到所需负阻抗。本发明涉及的放大器电路，可以采用诸如输入级为场效应晶体管的运算放大器电路、分立晶体管构成的放大电路等实现，以及通过负阻抗变换能在有源网络的输入端得到等效负电容的有源网络电路实现。

本发明和现有技术相比，具有显著的优点：

1、由于引入了负阻抗变换，在有源网络的输入端得到等效负电容，与容性电小天线匹配，构成的有源天线的带宽与电小天线无关，只取决于有源网络的带宽，能够实现电小天线的宽频带。

2、有源网络的输入端等效为负电容，能够提供能量，与容性电小天线匹配，使得有源网络输入端的信号要比天线接收的源信号要大，即存在有源网络的输入增益，加之有源网络的中放大器增益，能够得到更高的有源天线增益。

3、有源网络的输入端等效为负电容，与容性电小天线匹配，存在有源网络的输入增益，可以使本发明的有源接收天线输出信噪比明显改善，获得更高的灵敏度。

4、负阻抗变换同放大电路在同一有源网络中实现，具有电路简单，综合性能好的特点。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是本发明采用运算放大器实施实例的电路图；

图3是本发明运算放大器实施实例的等效输入增益测量结果。

具体实施方式

下面结合附图，以负阻抗匹配单鞭电小天线为实例，对本发明做更详细地描述：

负阻抗匹配的电小天线，在设计负阻抗有源电路时，与电小天线的输入阻抗有关，单鞭电小天线的输入阻抗如下：

单鞭天线的输入电阻为：

$R_r=40{\mathrm{\π}}^2\frac{h^2}{{\mathrm{\λ}}^2}---\left(1\right)$

单鞭天线的输入电抗为：

$X_a=60(1-\ln \frac{h}{a})\cot \left(\frac{2\mathrm{\πh}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(2\right)$

式中h为天线的高度，λ为自由空间波长，a为单鞭天线的半径。电小天线的输入电阻远小于输入电抗，为了分析方便可以把单鞭电小天线的电阻忽略，在宽频带内电容等效为常数。

负阻抗匹配容性电小天线的等效电路如图1所示，图中E为天线所在点的场强，h_eff为有效高度，A_V是放大器的增益，有源网络的输入电容为C_i，在放大器引入正反馈电容C_N，进行负阻抗变换，V_s天线接收到的电压，V_i为有源网络输入端的电压，可得有源网络等效输入电压增益为：

$\frac{V_i}{V_s}=\frac{C_a}{C_a+C_i+(1-A_V)C_N}---\left(3\right)$

定义C_N′＝(1-A_V)C_N为C_N经负阻抗变换后等效在有源网络输入端的负电容，C＝C_i+(1-A_V)C_N为有源网络等效输入电容，显见，调整A_V和C_N，可以使有源网络等效输入电容C＜0。当C＜0时，由式(3)可得V_i＞V_s，说明有源网络输入端的信号比天线接收的源信号要大，存在有源网络的输入增益，可以有效的提高天线的增益，并由Sussman-Fort增强型Non-Foster（负阻抗）匹配方法可知,有源网络输入增益的存在，可以提高天线的信噪比。

负阻抗变换器的实质是一种正反馈电路，对于负阻抗匹配的电小天线，存在潜在的不稳定因素，在实际应用中必须满足稳定工作条件。

由式(3)知，该负阻抗变换器稳定工作的条件是C_a+C_i+(1-A_V)C_N≠0，并结合负阻抗变换的条件A_V＞1，A_V的选择必须满足A_V＞1和C_a+C_i+(1-A_V)C_N＞0，即

1＜A_V＜1+(C_a+C_i)/C_N    (4)

但为使该天线工作在V_i＞V_s状态，要求-C_a＜C＜0，可得

1+C_i/C_N＜A_V＜1+(C_a+C_i)/C_N    (5)

也就是说有源天线在所要求的工作频率范围内，A_V的选择必须满足式(4)或(5)，带外满足

A_V＜1+(C_a+C_i)/C_N    (6)

以防止自激。

式(5)和(6)就是设计此种负阻抗匹配的有源接收天线时，A_V所必须满足的条件。

图2是根据本发明的原理，用运算放大器U1实现负阻抗匹配的单鞭电小天线示范性实施实例，C₁作为隔直电容连接于无源天线与运算放大器U1的同相输入端3，C₂为有源网络输出端隔直电容，R_O连接U1输出端6与U2输入端，R_F连接U1输出端6与反相端2，R_G连接U1反相端2与地之间。U2连接匹配电阻R_O与C₂，有源网络的电压放大倍数A_V＝1+R_F/R_G，有源接收天线带载电压增益为：

$V_a=\frac{1}{2}\·\frac{C_a}{C_a+C}\·(1+\frac{R_F}{R_G})---\left(7\right)$

天线电压增益V_a取决于反馈电容C_N，调节C_N即可改变有源网络的等效输入电容C，同时改变天线的增益和信噪比。值得注意的是C_N的调节必须满足稳定工作条件。有源网络的等效输入电压增益V_i/V_s测试结果如图3所示，图2中当选用单鞭电小天线的等效电容为C_a＝15pF时，从图3可看出随着有源网络等效输入电容|C|的增大，越趋近于C_a＝15pF，有源网络的等效输入电压增益V_i/V_S也明显增加，天线的信噪比改善越好，如C＝-13.3pF，等效输入增益近9倍，但同C＝-10.4pF时相比，电压增益曲线变化要剧烈的多，说明天线稳定性变差，即|C|也不可无限制的接近C_a。

Claims (2)

1.一种基于负阻抗变换的电小接收天线宽带有源匹配方法，其特征是：将与容性电小天线直接相连接的放大器中引入负阻抗变换，使之成为负阻抗变换放大器，所述负阻抗变换在放大器的输入端得到负电容，当负电容的绝对值大于放大器的输入电容时，在放大器的输入端得到等效的负电容，电小天线输入电抗的等效正电容所述负电容抵消，使有源网络输入端为等效负电容。

2.一种基于负阻抗变换的电小接收天线宽带有源匹配电路，其特征是：包括运算放大器（U1），隔直电容（C₁）连接于无源天线与运算放大器（U1）的同相输入端（3），第一电阻（R_O）连接运算放大器（U1）输出端（6）与低通滤波器（U2）输入端，第二电阻（R_F）连接运算放大器（U1）输出端（6）与反相端（2），第三电阻（R_G）连接运算放大器（U1）反相端（2）与地之间，低通滤波器（U2）连接第一电阻（R_O）与源网络输出端隔直电容（C₂）。

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