CN108768313B - 一种基于负群时延电路的双向放大器 - Google Patents

一种基于负群时延电路的双向放大器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于负群时延电路的双向放大器，包括端口，输入匹配电路，输出匹配电路和场效应管；端口包括正向输入反向输出端口和正向输出反向输入端口；输入匹配电路包括正向输入匹配电路和反向输入匹配电路；输出匹配电路包括正向输出匹配电路和反向输出匹配电路；场效应管包括正向场效应管和反向场效应管；正向输入匹配网络、正向场效应管和正向输出匹配网络从左向右依次连接构成正向通路；反向输入匹配网络、反向场效应管和反向输出匹配网络从右向左依次连接构成反向通路。本双向放大器能够在较宽的带宽内实现输入输出端口的良好匹配，便于双向放大器的匹配调整，同时具有负群时延特性，可以均衡放大器带来的正时延。

Description

一种基于负群时延电路的双向放大器
技术领域
本发明涉及一种双向放大器，具体为一种基于负群时延电路的双向放大器。
背景技术
近年来，随着无线通信系统的发展对于元器件的要求逐渐提高，尤其是体积的小型化。作为无线通信系统的重要组成部分，放大器被用来放大信号以达到通信标准。通常，接收和发送两条通路采用相互独立的放大电路，这样不仅增大了系统的体积，同时带来了很高的复杂度。因此，双向放大器吸引了许多研究者的目光。
早期，国外学者利用射频开关在双向放大器中进行放大通路的选择，但是由于开关体积大且时延明显，无法满足通信系统对于小型化和敏感性的要求。之后提出利用控制放大器的偏置电压来选择通路，由于去掉了开关电路，使得体积得到明显缩小。但是，由于收发两条路径直接相接，使匹配电路的设计变得十分困难。传统的匹配方式有：
1、不考虑放大器本身的匹配，直接将两条路径相连，利用呈现出的总阻抗进行匹配，但由于未工作的支路输入输出阻抗对工作支路影响较大，使得总体匹配带宽较窄。
2、首先将放大器两端均匹配至50欧姆，再将两条路径相连。利用T型结等结构进行总体阻抗的微调，进而实现匹配。但由于各通路输入输出阻抗波动明显，使得总体匹配带宽仍较窄。
因此，提高双向放大器的匹配带宽十分关键。随着电路理论的不断发展，非福斯特电路广泛用于实现天线和电路的宽带匹配。但这些非福斯特电路通常使用有源电路搭建，结构复杂，不便于实现。与此同时，对负群时延电路的深入研究表明，具有负群时延特性的电路同时具有非福斯特特性。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种能够增加匹配带宽的，基于负群时延电路的双向放大器。以实现既满足输入输出端口匹配，同时又能降低时延等为设计目的。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
一种基于负群时延电路的双向放大器，包括端口，输入匹配电路，输出匹配电路和场效应管；
其中，所述端口包括正向输入反向输出端口和正向输出反向输入端口；输入匹配电路包括正向输入匹配网络 和反向输入匹配网络 ；输出匹配电路包括正向输出匹配网络和反向输出匹配网络 ；场效应管包括正向场效应管和反向场效应管；
所述正向输入匹配网络、正向场效应管和正向输出匹配网络从左向右依次连接构成正向通路；所述反向输入匹配网络、反向场效应管和反向输出匹配网络从右向左依次连接构成反向通路；
所述正向输入反向输出端口与正向输入匹配网络和反向输出匹配网络的连接点相连接；所述正向输出反向输入端口与正向输出匹配网络和反向输入匹配网络的连接点相连接；
所述正向输入匹配网络包括输入阻抗变换线、第一负群时延单元和输入串联电感；所述输入阻抗变换线、第一负群时延单元和输入串联电感从左向右依次连接；所述第一负群时延单元包括第一谐振电感、第一谐振电容和第一吸收电阻；所述第一谐振电感、第一谐振电容和第一吸收电阻并联连接；
所述正向输出匹配网络包括输出阻抗变换线、第二负群时延单元和输出串联电感；所述输出阻抗变换线、第二负群时延单元和输出串联电感从右向左依次连接；所述第二负群时延单元包括第二谐振电感、第二谐振电容和第二吸收电阻；所述第二谐振电感、第二谐振电容和第二吸收电阻并联连接；
所述反向输入匹配网络的组成元件与正向输入匹配网络相同、元件的连接方式左右排列相反；所述反向输出匹配网络的组成元件与正向输出匹配网络相同、元件的连接方式左右排列相反。
所述第一负群时延单元与输入串联电感串联组成的结构实现非福斯特特性；所述第二负群时延单元与输出串联电感串联组成的结构实现非福斯特特性；
所述非福斯特特性的实现条件为：
Figure BDA0001672555940000021
式中，L1和L2分别为第一谐振电感和第二谐振电感的电感值，C1和C2分别是第一谐振电容和第二谐振电容的电容值，R1和R2分别是第一吸收电阻和第二吸收电阻的电阻值，Ls1和Ls2分别是输入串联电感和输出串联电感的电感值。
该双向放大器通过对偏置电压的设置来进行放大通路的选择；
当正向场效应管的偏置电压V1等于5V且反向场效应管的偏置电压V2等于 0V时，正向通路为工作支路，反向通路为不工作支路，信号从正向输入反向输出端口输入，且放大后从正向输出反向输入端口输出；
当反向场效应管的偏置电压V2等于5V且正向场效应管的偏置电压V1等于 0V时，反向通路为工作支路，正向通路为不工作支路，信号从正向输出反向输入端口输入，且放大后从正向输入反向输出端口输出。
通过调整输入阻抗变换线和输出阻抗变换线的长度，将不工作支路的输入输出阻抗变换至开路阻抗。
进一步的，所述输入阻抗变换线和输出阻抗变换线的特性阻抗为50欧姆，可以通过调整输入阻抗变换线和输出阻抗变换线的长度，将不工作支路的输入输出阻抗变换至开路阻抗，以减小不工作支路对工作支路的影响。
与现有技术相比，本发明公开的一种基于负群时延电路的双向放大器，能够在较宽的带宽内实现输入输出端口的良好匹配，便于双向放大器的匹配调整，同时具有负群时延特性，可以均衡放大器带来的正时延。
附图说明
图1是本发明一种基于负群时延电路的双向放大器的结构示意图；
图2是本发明一种基于负群时延电路的双向放大器的S参数曲线图；
图3是本发明一种基于负群时延电路的双向放大器的群时延和稳定系数曲线图；
图4是本发明一种基于负群时延电路的双向放大器的噪声系数曲线图；
图中：1、端口，11、正向输入反向输出端口，12、正向输出反向输入端口； 2、输入匹配网络，21、正向输入匹配网络，22、反向输入匹配网络，211、输入阻抗变换线，212、第一负群时延单元，213、输入串联电感，2121、第一谐振电感，2122、第一谐振电容，2123、第一吸收电阻；3、输出匹配网络，31、正向输出匹配网络，32、反向输出匹配网络，311、输出阻抗变换线，312、第二负群时延单元，313、输出串联电感，3121、第二谐振电感，3122、第二谐振电容，3123、第二吸收电阻；4、场效应管，41、正向场效应管，42、反向场效应管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一种基于负群时延电路的双向放大器，包括端口1，输入匹配电路2，输出匹配电路3和场效应管4。
其中，所述端口1包括正向输入反向输出端口11和正向输出反向输入端口 12。输入匹配电路2包括正向输入匹配网络 21和反向输入匹配网络 22。输出匹配电路3包括正向输出匹配网络 31和反向输出匹配网络 32；场效应管4包括正向场效应管41和反向场效应管42。
所述正向输入匹配网络21、正向场效应管41和正向输出匹配网络31从左向右依次连接，构成正向通路；所述反向输入匹配网络22、反向场效应管42和反向输出匹配网络32从右向左依次连接，构成反向通路。
所述正向输入反向输出端口11连接于正向输入匹配网络21与反向输出匹配网络32的连接处。所述正向输出反向输入端口12连接于正向输出匹配网络 31与反向输入匹配网络22的连接处。
所述正向输入匹配网络21包括输入阻抗变换线211、第一负群时延单元212 和输入串联电感213；所述输入阻抗变换线211、第一负群时延单元212和输入串联电感213从左向右依次连接。所述第一负群时延单元212包括第一谐振电感2121、第一谐振电容2122和第一吸收电阻2123。所述第一谐振电感2121、第一谐振电容2122和第一吸收电阻2123的连接关系为并联。
所述正向输出匹配网络31包括输出阻抗变换线311、第二负群时延单元312 和输出串联电感313；所述输出阻抗变换线311、第二负群时延单元312和输出串联电感313从右向左依次连接。所述第二负群时延单元312包括第二谐振电感3121、第二谐振电容3122和第二吸收电阻3123。所述第二谐振电感3121、第二谐振电容3122和第二吸收电阻3123的连接关系为并联。
所述反向输入匹配网络22的组成元件与正向输入匹配网络21是相同的，但元件的连接方式左右排列相反；所述反向输出匹配网络32的组成元件与正向输出匹配网络31是相同的，但元件的连接方式左右排列相反。
进一步的，所述第一负群时延单元212与输入串联电感213串联组成的结构可以实现非福斯特特性；所述第二负群时延单元312与输出串联电感313串联组成的结构也可以实现非福斯特特性。
所述非福斯特特性的实现条件为：
Figure BDA0001672555940000051
式中，L1和L2分别为第一谐振电感2121和第二谐振电感3121的电感值， C1和C2分别是第一谐振电容2122和第二谐振电容3122的电容值，R1和R2分别是第一吸收电阻2123和第二吸收电阻3123的电阻值，Ls1和Ls2分别是输入串联电感213和输出串联电感313的电感值。
进一步的，可以使用田口优化算法来优化计算原器件的具体数值。
进一步的，通过对偏置电压的设置，可以实现放大通路的选择；
当正向场效应管41的偏置电压V1等于5V且反向场效应管42的偏置电压 V2等于0V时，正向通路为工作支路，反向通路为不工作支路，信号从正向输入反向输出端口11输入，且放大后从正向输出反向输入端口12输出；
当反向场效应管42的偏置电压V2等于5V且正向场效应管41的偏置电压 V1等于0V时，反向通路为工作支路，正向通路为不工作支路，信号从正向输出反向输入端口12输入，且放大后从正向输入反向输出端口11输出。
进一步的，所述输入阻抗变换线211和输出阻抗变换线311的特性阻抗为 50欧姆，可以通过调整输入阻抗变换线211和输出阻抗变换线311的长度，将不工作支路的输入输出阻抗变换至开路阻抗，以减小不工作支路对工作支路的影响。
实验证明：本发明所提供的基于负群时延电路的双向放大器可实现的下述技术指标：
匹配带宽：820MHz～1150MHz
增益：>12dB
回波损耗：≥10dB
隔离度：>25dB
群时延：1.7ns±0.1ns
噪声系数：4.3dB±0.5dB
为了对本发明所提供的基于负群时延电路的双向放大器做进一步说明，下面以本发明技术方案为前提下进行实施的具体实例进行详细说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
实施例：
本实施例列举基于负群时延电路的双向放大器，其中心工作频率为915MHz 进行说明，如图2所示，实验证明在915MHz频率处，本发明所述基于负群时延电路的双向放大器的增益大于12dB，输入输出端口的回波损耗分别达到了 28dB和15dB，并且在频率范围820MHz～1150MHz(相对带宽达到了36％)内输入输出端口的回波损耗大于10dB，说明输入输出端口在较宽的频率范围内获得了良好的匹配性能，反向隔离度在820MHz～1150MHz频率范围内均大于 25dB。如图3所示，本发明所述的基于负群时延电路的双向放大器在中心工作频率处的群时延值为1.7ns，并且群时延在800MHz～1300MHz内，波动在±0.1ns 范围之内，平坦度较好。稳定系数在整个频段内均大于1，具有无条件稳定特性。如图4所示，噪声系数在760MHz～1150MHz内均小于5dB，在工作频带 820MHz～1150MHz范围内，噪声系数为4.3dB±0.5dB。
因此可以说，本发明所述的基于负群时延电路的双向放大器由于利用了负群时延电路的非福斯特特性，使得双向放大器能够实现较宽的匹配带宽，能够降低群时延值，并且具有较好的反向隔离和较低的噪声系数，同时具有设计方法简单等特点，非常适合在各类射频微波系统中设计匹配网络。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于负群时延电路的双向放大器，其特征在于，包括端口(1)，输入匹配电路(2)，输出匹配电路(3)和场效应管(4)；
其中，所述端口(1)包括正向输入反向输出端口(11)和正向输出反向输入端口(12)；输入匹配电路(2)包括正向输入匹配网络 (21)和反向输入匹配网络 (22)；输出匹配电路(3)包括正向输出匹配网络 (31)和反向输出匹配网络 (32)；场效应管(4)包括正向场效应管(41)和反向场效应管(42)；
所述正向输入匹配网络(21)、正向场效应管(41)和正向输出匹配网络(31)从左向右依次连接构成正向通路；所述反向输入匹配网络(22)、反向场效应管(42)和反向输出匹配网络(32)从右向左依次连接构成反向通路；
所述正向输入反向输出端口(11)与正向输入匹配网络(21)和反向输出匹配网络(32)的连接点相连接；所述正向输出反向输入端口(12)与正向输出匹配网络(31)和反向输入匹配网络(22)的连接点相连接；
所述正向输入匹配网络(21)包括输入阻抗变换线(211)、第一负群时延单元(212)和输入串联电感(213)；所述输入阻抗变换线(211)、第一负群时延单元(212)和输入串联电感(213)从左向右依次连接；所述第一负群时延单元(212)包括第一谐振电感(2121)、第一谐振电容(2122)和第一吸收电阻(2123)；所述第一谐振电感(2121)、第一谐振电容(2122)和第一吸收电阻(2123)并联连接；
所述正向输出匹配网络(31)包括输出阻抗变换线(311)、第二负群时延单元(312)和输出串联电感(313)；所述输出阻抗变换线(311)、第二负群时延单元(312)和输出串联电感(313)从右向左依次连接；所述第二负群时延单元(312)包括第二谐振电感(3121)、第二谐振电容(3122)和第二吸收电阻(3123)；所述第二谐振电感(3121)、第二谐振电容(3122)和第二吸收电阻(3123)并联连接；
所述反向输入匹配网络(22)的组成元件与正向输入匹配网络(21)相同、元件的连接方式左右排列相反；所述反向输出匹配网络(32)的组成元件与正向输出匹配网络(31)相同、元件的连接方式左右排列相反。
2.根据权利要求1所述的一种基于负群时延电路的双向放大器，其特征在于：
所述第一负群时延单元(212)与输入串联电感(213)串联组成的结构实现非福斯特特性；所述第二负群时延单元(312)与输出串联电感(313)串联组成的结构实现非福斯特特性；
所述非福斯特特性的实现条件为：
Figure FDA0001672555930000021
式中，L1和L2分别为第一谐振电感(2121)和第二谐振电感(3121)的电感值，C1和C2分别是第一谐振电容(2122)和第二谐振电容(3122)的电容值，R1和R2分别是第一吸收电阻(2123)和第二吸收电阻(3123)的电阻值，Ls1和Ls2分别是输入串联电感(213)和输出串联电感(313)的电感值。
3.根据权利要求1所述的一种基于负群时延电路的双向放大器，其特征在于：该双向放大器通过对偏置电压的设置来进行放大通路的选择；
当正向场效应管(41)的偏置电压V1等于5V且反向场效应管(42)的偏置电压V2等于0V时，正向通路为工作支路，反向通路为不工作支路，信号从正向输入反向输出端口(11)输入，且放大后从正向输出反向输入端口(12)输出；
当反向场效应管(42)的偏置电压V2等于5V且正向场效应管(41)的偏置电压V1等于0V时，反向通路为工作支路，正向通路为不工作支路，信号从正向输出反向输入端口(12)输入，且放大后从正向输入反向输出端口(11)输出。
4.根据权利要求3所述的一种基于负群时延电路的双向放大器，其特征在于：通过调整输入阻抗变换线(211)和输出阻抗变换线(311)的长度将不工作支路的输入输出阻抗变换至开路阻抗。
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