CN115864000A

CN115864000A - 一种千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线

Info

Publication number: CN115864000A
Application number: CN202310192706.1A
Authority: CN
Inventors: 高火涛; 杨运坤; 赵华侨; 吕胜杰; 杨剑峰; 梁立正; 向艳杰
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2023-03-02
Filing date: 2023-03-02
Publication date: 2023-03-28

Abstract

本发明公开了一种千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，该有源天线包括电小单极鞭天线和有源放大器，其中，电小单极鞭天线用于接收外界电磁波信号，并将接收外部电磁波信号后感应到的电压信号作为有源放大器的射频输入信号；有源放大器包括依次连接的高阻输入放大器、前级电压跟随器、宽带放大器、后级电压跟随器和阻抗匹配器，该有源放大器具有高增益之外，还具有能够实现千倍频程和从高阻变换至50欧姆的阻抗变换作用。本发明具有天线尺寸小、工作频率低、频带达千倍频程、噪声系数低、灵敏度高和功耗低等优点。

Description

一种千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线。

背景技术

根据天线设计基本理论，对于低频天线，通常采用线天线形式，其长度一般为半波振子，根据天线定义，当天线最大尺寸小于0.159

（/>

为电磁波波长）时，即为电小天线。当天线长度远小于电磁波波长时，天线的效率或增益将随着天线长度缩短而变小，其感应的接收信号将变得非常微弱，如果不采取适当的措施，该天线甚至无法正常接收信号。对此，一般采用增加放大器方案解决此问题。但当天线工作频率低至10kHz（千赫兹）、频率范围达千个倍频程、天线细长比为170，以及天线长度只有/>

（/>

表示低频波长）时，由于该天线在低频段，其输入阻抗实部很小，而虚部呈容性且容抗很大，为了接收微弱信号，现有放大技术因为放大器输入端口的输入阻抗有限，对于电小天线高阻输入无法满足阻抗匹配、超宽频带、低噪声系数和高灵敏度的要求。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，包括：

电小单极鞭天线，所述电小单极鞭天线的等效阻抗为高阻阻抗，所述电小单极鞭天线用于接收外部电磁波信号，并将接收外部电磁波信号后感应到的电压信号作为有源放大器的射频输入信号；

所述有源放大器，所述有源放大器包括：

高阻输入放大器，所述高阻输入放大器与所述电小单极鞭天线连接，所述高阻输入放大器用于对所述射频输入信号进行放大处理，所述高阻输入放大器的高增益便于降低所述有源放大器的噪声系数，其中，所述高阻输入放大器的输入阻抗大于所述电小单极鞭天线的等效阻抗，以便有效获取射频输入信号功率以提高灵敏度；

前级电压跟随器，与所述高阻输入放大器连接，所述前级电压跟随器用于降低所述高阻输入放大器的输出阻抗，以便降低后的所述输出阻抗与后级的宽带放大器的输入阻抗相匹配；

所述宽带放大器，与所述前级电压跟随器连接，所述宽带放大器用于增加信号带宽实现千倍频程，并对所述前级电压跟随器输出的信号进行放大处理；

后级电压跟随器和阻抗匹配器，所述后级电压跟随器与所述宽带放大器连接，所述阻抗匹配器与所述后级电压跟随器连接，所述后级电压跟随器用于降低所述宽带放大器的输出阻抗，并通过所述阻抗匹配器对所述宽带放大器的输出阻抗进行阻抗匹配，以将所述有源放大器的输出阻抗变换为50欧姆阻抗输出。

可选的，所述电小单极鞭天线与一低频等效电压源、一等效电阻和一等效电容串联而成的电路等效，所述有源放大器的所述射频输入信号为所述低频等效电压源的电压信号，所述电压信号由所述电小单极鞭天线通过接收所述外部电磁波信号感应得到。

可选的，所述有源放大器在应用时等效为所述电小单极鞭天线的负载。

可选的，所述高阻输入放大器包括第一三极管和场效应管，所述第一三极管和所述场效应管采用渥尔曼电路结构的串式共源共基方式连接，以增大所述高阻输入放大器的输入阻抗。

可选的，所述串式共源共基方式具体为所述第一三极管的发射极与所述场效应管的漏极连接，所述场效应管的源极与所述第一三极管的基极连接。

可选的，所述第一三极管为低噪宽带NPN型蓝档硅外延平面三极管，所述场效应管为低噪大跨导的N沟道结型场效应管，其中，所述场效应管采用大跨导N沟道结型场效应管，便于降低所述高阻输入放大器的输出阻抗。

可选的，所述宽带放大器包括两级增益放大器级联的共射极电路。

可选的，所述共射极电路具体包括：

第二二极管和第三二极管，所述第二二极管的集电极与所述第三二极管的基极连接，所述第二二极管的发射极和所述第三二极管的发射极连接，所述宽带放大器通过所述共射极电路实现高增益设计，其中，所述第二二极管和所述第三二极管均为便于提高增益的低噪宽带NPN型绿档硅外延平面三极管。

可选的，所述第二二极管的发射极和所述第三二极管的集电极之间连接有反馈单元，所述宽带放大器通过所述反馈单元增加带宽，实现千倍频程。

可选的，所述反馈单元基于一电阻和一电容串联的方式设计。

本发明至少具有以下技术效果：

1、本发明的高阻输入放大器采用具有高阻低噪跨导较大的N沟道结型场效应管和输入电抗与电小单极鞭天线输出电抗相近的低噪宽带NPN型蓝档硅外延平面三极管，并基于渥尔曼电路结构的串式共源共基方式连接，可有效降低高阻输入放大器阻抗的虚部等效电容，消除密勒效应引入的附加等效电容，并能够增加输入阻抗值，以使高阻输入放大器的输入阻抗与电小单极鞭天线的等效阻抗相匹配，从而使得本发明的有源放大器适用于阻抗较高的电小单极鞭天线，并且由于高阻输入放大器输入阻抗较大，且远大于电小单极鞭天线的等效阻抗，进而可更有效地获取电小单极鞭天线接收的信号功率，有利于提高本发明有源天线的灵敏度，另外本发明的高阻输入放大器采用上述结构设计还能具有高增益，由此可以减小后级链路噪声对整个链路的等效输入噪声的影响，从而便于进一步提高本发明有源天线的灵敏度。

2、本发明采用两级级联的共射极宽带放大器，并在级间加入反馈单元，可在提高整个链路的电压增益同时，便于宽带放大器具有较高的输入阻抗，以与前级电压跟随器输出阻抗相匹配，并且便于获得千倍频程。

3、本发明的有源天线具有天线尺寸小、频率低、频带宽、灵敏度高和噪声系数低、补偿增益适中、功耗低和抗干扰能力强的优点。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例的千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线的工作原理图。

图2为本发明实施例的高阻输入放大器的局部电路结构示意图。

图3为本发明实施例的共射极电路结构示意图。

图4为本发明实施例的有源放大器的灵敏度测试原理图。

具体实施方式

下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本实施例的一种千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线。

图1为本发明实施例的千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线的工作原理图。如图1所示，该有源天线包括电小单极鞭天线和有源放大器，该有源放大器包括：高阻输入放大器、前级电压跟随器、宽带放大器、后级电压跟随器和阻抗匹配器，其中，高阻输入放大器在前级与电小单极鞭天线连接，高阻输入放大器后级依次连接所述前级电压跟随器、宽带放大器、后级电压跟随器和阻抗匹配器。当然，该有源天线还包括直流稳压电源，其用于给该有源放大器供电。

本实施例中的电小单极鞭天线用于接收外部电磁波信号，并将接收外部电磁波信号后感应到的电压信号作为该有源放大器的射频输入信号。该有源放大器能够对有源天线感应的电压信号即射频输入信号进行放大提高信号增益，提高有源天线灵敏度，并能够降低整个信号链路的噪声系数，以及能够实现千倍频程，并具有从输入高阻变换至50欧姆阻抗的阻抗变换作用与阻抗匹配作用。

具体的，如图1所示，该电小单极鞭天线与一低频等效电压源、一等效电阻和一等效电容串联而成的电路等效，其中，有源放大器的射频输入信号为低频等效电压源的电压信号，该电压信号由电小单极鞭天线通过接收外部电磁波信号感应得到。

例如，对于天线实际长度为

的电小单极鞭天线，当入射电磁波沿天线方向的电场分量为/>

时，天线的感应电压/>

，其中，/>

为天线的有效高度，/>

。

需要说明的是，本实施例中的电小单极鞭天线的等效阻抗为高阻阻抗。根据天线原理，对于有效高度为0.6米、高度远小于电小尺寸定义值且细长比为170的电小单极鞭天线，所述电小单极鞭天线的等效电阻非常小，等效电容的容抗非常大，特别在低频段，电小单极鞭天线的等效阻抗为高阻阻抗，所以现有的放大技术无法满足阻抗匹配、超宽频带、低噪声系数和高灵敏度的要求。而本发明提出的有源天线，其中的有源放大器通过上述的高阻输入放大器、前级电压跟随器、宽带放大器、后级电压跟随器和阻抗匹配器链路设计可满足该要求。

进一步的，本实施例中的有源放大器以及其后级的接收机在应用时均可等效为电小单极鞭天线的负载。本实施例中的高阻输入放大器可用于对电小单极鞭天线输入的射频输入信号进行放大处理，其中，高阻输入放大器的高增益可便于降低有源放大器的噪声系数，高阻输入放大器的输入阻抗通过设计大于电小单极鞭天线的等效阻抗，可便于有效获取射频输入信号功率以提高灵敏度。

图2为本发明实施例的高阻输入放大器的局部电路结构示意图。如图2所示，本实施例中的高阻输入放大器可包括第一三极管和场效应管，第一三极管和场效应管采用渥尔曼电路结构的串式共源共基方式连接，以增大高阻输入放大器的输入阻抗。

其中，串式共源共基方式具体为第一三极管的发射极与场效应管的漏极连接，场效应管的源极与第一三极管的基极连接。

需要说明的是，第一三极管为低噪宽带NPN型蓝档硅外延平面三极管，其中，NPN型三极管为两块N型半导体中间夹杂着一块P型半导体所组成的三极管，NPN具体为三极管的类型。本实施例的场效应管为低噪大跨导的N沟道结型场效应管，其中，场效应管采用大跨导N沟道结型场效应管，便于降低高阻输入放大器的输出阻抗。

本实施例中，由于渥尔曼结构的放大器和共源级放大器的性能相同，所以该渥尔曼结构综合了共漏极电路与共源极电路的优点，本实施例中将其作为有源放大器设计基础，可有效降低高阻输入放大器阻抗的虚部等效电容，消除密勒效应引入的附加等效电容，使得高阻输入放大器的等效输入电容相当于共漏极结构的等效输入电容，从而增加输入阻抗值，当输入阻抗大于10兆欧时，可与前级电小单极鞭天线的阻抗进行匹配，从而尽可能地获取电小单极鞭天线接收的信号功率，提高有源天线的灵敏度。

另外，本实施例中采用渥尔曼结构，并基于低噪宽带NPN型蓝档硅外延平面三极管和低噪大跨导的N沟道结型场效应管设计串式共源共基高阻输入放大器，可保证放大倍数达到预设要求，即该高阻输入放大器不仅具有高输入阻抗，还具有一定的高增益，由此可以减小后级链路噪声对整个链路的等效输入噪声的影响，从而便于进一步提高有源天线的灵敏度。另外，本实施例中的高阻输入放大器在保证放大倍数达到预设要求的同时，选取较大跨导的N沟道结型场效应管，可获得与单级N沟道结型场效应管共漏极放大电路近似的输入阻抗，进而能够使电小单极鞭天线与高阻输入放大器匹配时降低输出阻抗，起到阻抗变换作用。

本实施例中的前级电压跟随器与高阻输入放大器连接，其用于降低高阻输入放大器的输出阻抗，以便降低后的输出阻抗与后级的宽带放大器的输入阻抗相匹配，从而便于后级放大电路正常工作。

需要说明的是，本实施例中前级电压跟随器的电路设计核心器件为低噪宽带NPN型绿档硅外延平面三极管。

本实施例中的宽带放大器与前级电压跟随器连接，该宽带放大器用于增加信号带宽实现千倍频程，并对前级电压跟随器输出的信号进行放大处理。其中，宽带放大器包括两级增益放大器级联的共射极电路。

图3为本发明实施例的共射极电路结构示意图。如图3所示，该共射极电路具体包括第二二极管和第三二极管，两者均为便于提高增益的低噪宽带NPN型绿档硅外延平面三极管。其中，第二二极管的集电极通过第一电容与第三二极管的基极连接，第二二极管的发射极和第三二极管的发射极连接，该宽带放大器通过该共射极电路可实现高增益设计。

进一步的，第二二极管的发射极和第三二极管的集电极之间还连接有反馈单元，所述反馈单元包括一串联的电阻和第二电容，该宽带放大器通过该反馈单元可增加带宽，实现千倍频程。

本实施例中的宽带放大器由两级增益放大器级联的共射极电路组成，其中在级间加入反馈单元可进一步增加带宽，以提供预设设计要求的增益。需要说明的是，本实施例中的宽带放大器设计核心器件为放大倍数100以上的低噪宽带NPN型绿档硅外延平面三极管，其在整个频率范围内可增益20dB（分贝）。

可以理解的是，本实施例采用两级级联的共射极宽带放大器，并在级间加入反馈单元，可在提高整个链路的电压增益同时，便于宽带放大器具有较高的输入阻抗，以与前级电压跟随器输出阻抗相匹配，并便于获得千倍频程。

本实施例中的后级电压跟随器与宽带放大器连接，阻抗匹配器与后级电压跟随器连接，后级电压跟随器用于降低宽带放大器的输出阻抗，并通过阻抗匹配器对宽带放大器的输出阻抗进行阻抗匹配，以将后级电压跟随器的近似50欧姆的输出阻抗准确变换为50欧姆阻抗输出，从而与信号线特性阻抗适配，降低信号传输损失，以便于获取最大信号功率。

具体的，后级电压跟随器与前级电压跟随器的电路结构相同，所不同的是后级电压跟随器的输出阻抗低至近似为50欧姆，所述后级电压跟随器用于进一步降低输出阻抗，其电路设计核心器件为低噪宽带NPN型绿档硅外延平面三极管。本实施例中的阻抗匹配器是在后级电压跟随器的后端，其通过串联一定阻值的电阻器，使其输出端口的输出阻抗准确变换为50欧姆。

需要说明的是，本实施例的有源放大器输入阻抗基于电小单极鞭天线的实测数据而设计的，根据输入阻抗的频域特点，有源放大器可与整个电路进行一体化优化设计。

其中，可对有源放大器进行灵敏度测试。图4为本发明实施例的有源放大器的灵敏度测试原理图。如图4所示，具体可采用射频信号发生器即信号源、等效电容和用于对信号源内阻进行匹配的匹配电阻来模拟电小单极鞭天线的等效模型，然后接入本实施例的有源放大器，再通过测量仪器进行灵敏度测试。

本实施例的有源天线通过上述设计可使其具有天线尺寸小、频率低、频带宽、灵敏度高和噪声系数低、补偿增益适中、功耗低和抗干扰能力强的优点。

具体而言，本实施例的有源天线的天线有效高度只有

，远小于一般电小尺寸定义的长度/>

（/>

表示低频波长，/>

为圆周率），然后频率可低至10kHz，频率范围能够达到千个倍频程，输出阻抗可从天线高阻变换成50欧姆输出，另外灵敏度较高，如在100 kHz以上灵敏度为10，100kHz以下灵敏度为40，并且本实施例的有源天线还具有噪声系数低的特点，如在整个工作频率范围内噪声系数不大于6~8dB，且补偿增益适中，其可增益20dB，而且平稳；以及本实施例的有源天线还具有功耗低的特点，其功耗小于0.7瓦，而且电路设计元器件国产化程度高，其电路设计元器件均采用国产元器件，安全性高，并且本实施例的有源天线的整个放大器电路没有逻辑电路和存储器等元器件，因此抗电磁脉冲干扰能力强。

综上所述，本发明通过设计千倍频程、低频、低噪声和高灵敏度有源放大器，并将其与无源电小单极鞭天线结合，不仅能够实现对天线接收的微弱信号的放大，还可实现阻抗变换与匹配，使信号输出在能够获得一定的增益补偿基础上还具有千倍频程、超宽频带、低噪声系数和高灵敏度技术特性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，其特征在于，包括：

所述有源放大器，所述有源放大器包括：

2.如权利要求1所述的千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，其特征在于，所述电小单极鞭天线与一低频等效电压源、一等效电阻和一等效电容串联而成的电路等效，所述有源放大器的所述射频输入信号为所述低频等效电压源的电压信号，所述电压信号由所述电小单极鞭天线通过接收所述外部电磁波信号感应得到。

3.如权利要求1所述的千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，其特征在于，所述有源放大器在应用时等效为所述电小单极鞭天线的负载。

4.如权利要求1所述的千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，其特征在于，所述高阻输入放大器包括第一三极管和场效应管，所述第一三极管和所述场效应管采用渥尔曼电路结构的串式共源共基方式连接，以增大所述高阻输入放大器的输入阻抗。

5.如权利要求4所述的千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，其特征在于，所述串式共源共基方式具体为所述第一三极管的发射极与所述场效应管的漏极连接，所述场效应管的源极与所述第一三极管的基极连接。

6.如权利要求5所述的千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，其特征在于，所述第一三极管为低噪宽带NPN型蓝档硅外延平面三极管，所述场效应管为低噪大跨导的N沟道结型场效应管，其中，所述场效应管采用大跨导N沟道结型场效应管，便于降低所述高阻输入放大器的输出阻抗。

7.如权利要求1所述的千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，其特征在于，所述宽带放大器包括两级增益放大器级联的共射极电路。

8.如权利要求7所述的千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，其特征在于，所述共射极电路具体包括：

9.如权利要求8所述的千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，其特征在于，所述第二二极管的发射极和所述第三二极管的集电极之间连接有反馈单元，所述宽带放大器通过所述反馈单元增加带宽，实现千倍频程。

10.如权利要求9所述的千倍频程单极低频电小低噪高灵敏度有源天线，其特征在于，所述反馈单元基于一电阻和一电容串联的方式设计。