CN108666770A - 一种用运算放大器对电小天线的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用运算放大器对电小天线的补偿方法。利用运算放大器组成的负阻抗变换电路对电小天线进行色散补偿；负阻抗变换电路并联到电小天线上；负阻抗变换电路中，运算放大器U1正向输入端经电阻R1连接到自身输出端，运算放大器U1反向输入端经电阻R2连接到自身的输出端，运算放大器U1反向输入端与电感L一端连接，电感L另一端和运算放大器U1正向输入端作为负阻抗变换电路的输出两端。本发明实现了电小尺寸天线在高频处的宽带匹配，达到拓展带宽的目的；对电小尺寸天线等高电抗器件进行色散补偿，弥补了传统负阻抗变换电路在进行宽带匹配时不能得到较高工作频率的缺陷。

Description

一种用运算放大器对电小天线的补偿方法

技术领域

本发明涉及了一种天线补偿方法，尤其是涉及了一种用运算放大器对电小天线的补偿方法。

背景技术

随着调频、扩频等先进通信技术的广泛应用，大规模集成电路与空间技术的发展和电子器件的体积日趋小型化，对通信设备的小型化和系统带宽也提出了更高的要求。天线作为通信设备中的关键部件，是电磁能量由设备到空间的转换器，其性能好坏直接影响到设备的工作质量，因此对天线的小型化和带宽研究一直以来都是该领域内的研究热点。

近年来，对运算放大器的研究结果表明：在微波领域内，该器件组成的负阻抗变换电路可以应用于小天线或超材料中，抵消其高电抗，达到阻抗匹配，增加带宽的效果。目前许多应用受到传统负阻抗变换电路的带宽限制，只能实现500MHz以内的等效负阻抗器件。大部分的研究人员都致力于该频段频率特性的使用，难以突破频率瓶颈。随着频率要求的提高，对这种电路的频响特性的要求也会进一步提高，因此，进一步研究负阻抗器件频率特性对于天线的小型化，对提高天线的工作性能具有重要意义。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，为了进一步研究负阻抗变换电路频率特性对于天线的小型化，本发明所提供了一种用运算放大器对电小天线的补偿方法，利用运算放大器组成的负阻抗变换电路的高频特性进行电小天线补偿方法，对提高天线的工作性能具有重要意义。

本发明采用的技术方案是：

本发明利用运算放大器组成的负阻抗变换电路的高频特性对电小天线进行色散补偿。

所述负阻抗变换电路并联到电小天线上，负阻抗变换电路包括电阻R1和电阻R2、运算放大器U1和电感L，运算放大器U1的正向输入端经电阻R1连接到自身的输出端，运算放大器U1的反向输入端经电阻R2连接到自身的输出端，运算放大器U1的反向输入端与电感L的一端连接，电感L的另一端和运算放大器U1的正向输入端作为负阻抗变换电路的输出两端。

所述的运算放大器U1的正向输入端连接到电小天线的发射端。

所述的电感L的另一端连接到电小天线的接地端。

所述的运算放大器U1采用AD8009。

所述的运算放大器U1通过外部电源供电。

在实际应用中，普通电感和电容在低频段可以被认为是理想的电感和电容，但是随着频率的增加，由于寄生参数影响的增大，电阻和电抗部分的斜率开始变化，同时伴随有谐振点的出现。

由因果系统的理论可知：任何物理可实现的线性时不变的因果稳定收敛网络，其频率响应的实部和虚部均满足克拉莫-克若尼关系式。一个有耗网络的阻抗在全频段内是随频率而变化的，那么也可以称该网络为色散的。任何一个实际的RLC网络，当其电抗或电纳变为零的时候，都可以观察到由电路元器件或电路中的寄生参数引起的洛伦兹谐振，而一个经过负阻抗变换电路的阻抗频响则与普通RLC网络相反，全频段可观察到逆洛伦兹谐振，即阻抗的电阻和电抗与普通的阻抗的色散曲线是相反的。

本发明的负阻抗变换电路采用晶体管或者运算放大器来实现。该种电路可以将输入的电压反相输出，而与输入电流保持同相，使得到的阻抗为负。

本发明的有益效果是：

本发明构建负阻抗变换电路，利用负阻抗变换电路的高频电抗特性用于高频段的天线补偿，相较于传统的负阻抗变换电路的应用，在工作频率范围上有了较大的突破，实现电小尺寸天线在高频处的宽带匹配，达到拓展带宽的目的。

本发明能对电小尺寸天线等高电抗器件进行色散补偿，从而弥补了传统负阻抗变换电路在进行宽带匹配时不能得到较高工作频率的缺陷。

附图说明

图1为负阻抗变换电路的频率特性曲线图。

图2为负阻抗变换电路结构图；

图3为负阻抗变换电路并联到电小尺寸天线的电路结构图；

图4为传统负阻抗变换电路色散补偿的基本原理图；

图5为本发明中负阻抗变换电路在高频进行色散补偿的基本原理图；

图6为CPW馈电的单极子天线示意图；

图7为负阻抗变换电路工作的回波损耗参数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明利用运算放大器AD8009来实现负阻抗变换电路，负阻抗变换电路包括电阻R1和电阻R2、运算放大器U1和电感L，运算放大器U1的正向输入端经电阻R1连接到自身的输出端，运算放大器U1的反向输入端经电阻R2连接到自身的输出端，运算放大器U1的反向输入端与电感L的一端连接，电感L的另一端和运算放大器U1的正向输入端作为负阻抗变换电路的输出两端，运算放大器U1的正向输入端连接到电小天线的发射端，电感L的另一端连接到电小天线的接地端。

负阻抗变换电路中，将电感L在传统变换电路的频率色散研究范围3内转变为负电感，在本发明的负阻抗变换电路的频率色散研究范围4内转变为负电容。将图2的负阻抗变换电路的原理图在PCB板上实现，得到负阻抗变换电路6。图3为负阻抗变换模块与电小尺寸天线的连接框图。如图3中，将负阻抗变换模块6和电小尺寸天线7相连接，该电小尺寸天线具有跟高的容抗，可以等效成电容。

测量得到的图1为本发明中所具体实施的负阻抗变换电路的频率特性曲线，其全频段满足逆洛伦兹特性。频率特性曲线分为阻抗特性曲线1和电抗特性曲线2，阻抗特性曲线1和电抗特性曲线2的频响谐振点相近，以阻抗特性曲线1的频响谐振点5为界，将频率特性曲线分为传统变换电路的频率色散研究范围3和本发明的负阻抗变换电路的频率色散研究范围4两个部分。

传统变换电路的频率色散研究范围3，该范围的电抗部分表现为负电感性质。本发明的负阻抗变换电路的频率色散研究范围4，该范围的电抗部分表现为负电容性质。在传统变换电路应用中，图1中频响谐振点5左侧的传统变换电路的频率色散研究范围3的负电感应用于阻抗抵消中。

图4为传统负阻抗变换电路色散补偿的基本原理图。电小尺寸天线具有很高的电抗，其阻抗可以等效成电容，以下将用一个理想的电容的阻抗代替电小尺寸天线的阻抗进行分析。根据理想电容的电抗X＝-1/(ωC)，ω为角频率，C为电容值，理想正电容的电抗色散曲线9。

相应的理想负电容的电抗X＝-1/(ω(-C))，ω为角频率，C为负电容值的绝对值，理想负电容的电抗色散曲线8。图4所示，将理想正电容的电抗色散曲线9与理想负电容的电抗色散曲线8相叠加，总电抗为零，达到宽带匹配的目的。然而理想的负电容是无法实现的，已经实现的负电容一般都工作在500MHz以内。在500MHz-1GHz范围，可以利用发明的负阻抗变换电路的频率色散研究范围4进行高频的电抗色散补偿。

而本发明中频响谐振点5右侧区域的其电抗部分是本发明中用于改进电小天线的部分。本发明应用频响谐振点5右侧的负阻抗变换电路的频率色散研究范围4的负电容对电小尺寸天线等高电抗器件进行色散补偿，从而弥补了传统变换电路在进行宽带匹配时不能得到较高工作频率的缺陷。

图5为本发明中负阻抗变换电路在高频进行色散补偿的基本原理图。9为理想正电容的电抗色散曲线，2为本发明中负阻抗变换电路阻抗的电抗特性曲线，频响谐振点5右侧的本发明中电抗色散补偿区域10。

本发明的负阻抗变换电路的频率色散研究范围4实现了负电容，那么本发明中电抗色散补偿区域10内的电抗部分与理想正电容的电抗色散曲线9在高频段叠加，在高频段，使得总电抗为零，实现高频处的宽带匹配。

由此，本发明的负阻抗变换电路的频率色散研究范围4的电抗部分可以实现在高频处的负电容，能够成功抵消电小尺寸天线在高频的电抗，实现电小尺寸天线在高频处的宽带匹配，达到拓展带宽的目的。

实施例

为了验证这种这种方法对电小天线的补偿，实施例了一种由共面波导馈电的单极子天线，作为电小天线，如图6所示。该单极子天线由共面波导的中心导体馈电，共面波导两侧的导体作为地，该结构为单面结构，结构紧凑而且简单。将其设计为小尺寸的天线，工作频率为300MHz，电尺寸为十分之一波长约5cm。该电小天线是在介质板厚度为1mm的FR4板上实现的，金属厚度为0.018mm，相对介电常数为4.2。最终CPW馈电的单极子天线如图6所示。

利用图2的电路结构的实现了一个负阻抗变换电路。然后实现了如图6所示电小天线，在600MHz天线的阻抗等效为一个10pF的电容。通过调整单极子金属条带的长宽以及共面波导的长宽来实现一个满足需求的单极子天线。共面波导的特性阻抗设计为50欧姆，根据计算，中心馈电导体的宽度设计为2mm。单极子天线的部分长度为10cm，恰好为十分之一波长，满足小天线的定义标准。根据前面所述的基于运算放大器的负阻抗变换电路的实现方法并联在小天线上。

测试板为双面板，正面为共面波导馈电的小天线结构，反面则为运放结构的负阻抗变换电路，正负电源供电，通过过孔与天线并联。天线通过同轴电缆VNA连接。通过SMA接口与矢量网络分析仪(VNA)连接，将其输出功率调至-30dBm，保证负阻抗变换电路在稳定的条件下工作，进行天线参数回波损耗的测量。

打开电源，调制+5V与-5V电压，负阻抗变换电路开始工作，观察回波损耗参数，得到曲线如图7的实线所示。图7的虚线是传统补偿时的回波损耗曲线，实线为本发明提出的全频段补偿方法的回波损耗曲线。传统补偿在600MHz效果的比较良好，达到了-15dB。本发明的补偿方法在300～1000MHz的频率范围内回波损耗的值基本在-10dB以下。

从全频段来看，低频和高频都有了一定程度的补偿，并且在600MHz处的回波损耗达到了-25dB的值，所以，本发明所提出的补偿方法在该单极子天线的补偿过程中起到了改善反射系数和拓宽带宽的作用。

Claims (6)

1.一种用运算放大器对电小天线的补偿方法，其特征在于：

利用运算放大器组成的负阻抗变换电路对电小天线进行色散补偿。

2.根据权利要求1所述的一种用运算放大器对电小天线的补偿方法，其特征在于：所述负阻抗变换电路并联到电小天线上，负阻抗变换电路包括电阻R1和电阻R2、运算放大器U1和电感L，运算放大器U1的正向输入端经电阻R1连接到自身的输出端，运算放大器U1的反向输入端经电阻R2连接到自身的输出端，运算放大器U1的反向输入端与电感L的一端连接，电感L的另一端和运算放大器U1的正向输入端作为负阻抗变换电路的输出两端。

3.根据权利要求2所述的一种用运算放大器对电小天线的补偿方法，其特征在于：所述的运算放大器U1的正向输入端连接到电小天线的发射端。

4.根据权利要求2所述的一种用运算放大器对电小天线的补偿方法，其特征在于：所述的电感L的另一端连接到电小天线的接地端。

5.根据权利要求2所述的一种用运算放大器对电小天线的补偿方法，其特征在于：所述的运算放大器U1采用AD8009。

6.根据权利要求2所述的一种用运算放大器对电小天线的补偿方法，其特征在于：所述的运算放大器U1通过外部电源供电。