CN110199437B - 转发器稳定性 - Google Patents

Abstract

本发明是一种天线系统和一种无线设备，包括负阻放大器，所述天线系统还包括第一天线元件，所述第一天线元件适于接收入射波，以用于生成与入射波成比例的第一信号，其中所述天线系统包括信号生成设备，用于生成第二信号，所述第二信号与第一信号基本上相移90度，第一信号和第二信号适于应用于混合耦合器，使得第一信号和第二信号适于在第一混合耦合器端口处基本上相消地组合，并且第一信号和第二信号适于在第二混合耦合器端口处基本上相长地组合，第二混合耦合器端口适于可操作地连接到负阻放大器，并且第一混合耦合器端口适于连接到终端单元。本发明也是一种用于反射入射波的方法。

Description

转发器稳定性

技术领域

本教导大体上涉及负阻抗放大器。更具体地，本教导涉及具有负阻抗的放大器，所述放大器可操作地耦接到窄带宽天线，以及涉及一种用于其操作的方法。

背景技术

这样的负阻放大器是已知的，例如，US3633109教导了一种负阻天线放大器布置。US2009/0284082A1教导了一种在无线电力传输中具有负阻的方法和装置。

在无线系统中，诸如阻抗匹配、增益平坦度和稳定性之类的要求通常很重要。

US3371284教导了一种平衡的四端放大器，其利用一对匹配放大设备与输入和输出耦合器来改善阻抗匹配，并消除调谐和调整的需要。在使用负阻放大器的无线系统中，当天线和负阻放大器的反射系数变得大于1时，实现增益。

在从控制系统理论中已知的闭环系统中，必须有足够的增益和/或相位裕量以确保稳定性。在不影响增益的情况下，针对系统稳定性，对相位和增益裕量的要求可能难以满足。

当具有相对窄带宽的天线连接到负阻放大器时，这些裕量可能变得难以实现。在实际情况下，由于天线所处环境和其他外部因素，天线的阻抗通常会发生变化，因此这一点尤其重要。各种部件的老化可能是又一个随时间而改变系统参数的因素。

发明内容

通过所附独立权利要求的特征将示出解决现有技术固有的上述问题和其他问题中的一些。

本教导涉及一种用于在至少大多数上述条件下保持稳定性的设备和方法。更具体地，本教导涉及一种用于保持基于负阻放大器的无线系统的稳定性的设备和方法。

根据本教导的一个方面，可以提供一种天线系统，以能够使用具有特别是窄带宽的天线的负阻放大器，所述天线例如是谐振天线，优选地用于转发器应用。

根据本教导的一个方面，通过将两个类似的天线耦接到混合器，所述混合器进一步连接到负阻元件，来提供天线系统或布置。根据又一方面，可以提供一种用于反射入射波的方法。

根据另一方面，还可以提供一种包括天线系统的无线设备。

现在将通过非限制性示例使用说明本教导的实施方式的以下附图来更详细地讨论本教导。

附图说明

图1示出了根据本教导的天线布置。

具体实施方式

图1示出了根据本教导的天线布置的实施方式。两个相同的天线元件104a和104b连接到混合耦合器102。两个天线或天线对104具有第一天线104a和第二天线104b。第一天线104a和第二天线104b优选地是相同的。混合耦合器102具有四个端口，其分别为第一端口10、第二端口20、第三端口30和第四端口40。第一天线104a连接到第三端口30，而第二天线104b连接到混合耦合器102的第四端口40。混合耦合器的第一端口连接到终端单元103或更简单地称为终端阻抗。本领域技术人员将理解，更简单地称为终端103的终端阻抗或终端电阻器通常为50欧姆，但是根据要求其也可以是任何其他值。可替代地，终端单元103可以是有源终端网络。混合耦合器102是90度耦合器，其布置成使得当在端口40处施加的第二输入信号相对于在端口30处施加的第一输入信号相移90度时，第一端口10处的第一输出信号或输出将基本上是第一输入信号和第二输入信号的相消组合，而第二端口20处的第二输出信号或输出将是第一输入信号和第二输入信号的相长组合。相长组合意味着在第二端口20处得到的信号将与第一输入信号和第二输入信号的总和相关。相消组合意味着在第一端口10处得到的信号将与第一输入信号和第二输入信号的减法或差值相关。虽然理论上相消组合将在第一端口10处得到零信号，但本领域技术人员将理解，相消组合在实践中将至少是数量很大的。由于不完全的相消组合而在第一端口处产生的任何残余信号将至少基本上被终端单元103吸收。该图还示出了连接到混合耦合器102的第二端口20的负阻放大器101。另外，作为替代，示出了具有正交馈电的贴片天线105，其可以代替天线对104连接在端口30和40处。两个天线104被配置为接收具有大约或恰好90度的相移的入射波110。这是例如用于接收圆偏振波的正交天线的常见配置，但是本教导还可以应用于其他配置。还应当理解，根据一个方面，当天线元件104a和104b被布置为接收同一入射波110时，所得到的第一输入信号和第二输入信号将具有基本相同的幅度，但是将相对于彼此具有大约或恰好90度的相移。

由天线捕获的接收到的信号或者第一输入信号和第二输入信号在混合耦合器120中组合，所述耦合器在这里以90度耦合器的形式示出。组合的信号111出现在连接到负阻放大器或元件101的端口20处。可替代地，当单独或外部地执行90度相移时，接收到的信号还可以使用0度耦合器而不是90度耦合器102进行组合。

在接收到信号111之后，负阻元件101将放大并输出经放大的信号，该经放大的信号行进通过同一端口20和信号路径，但是以相反方向通过混合耦合器120并到达天线104，以将由天线104发射回或反射的放大的波重新发射向发送入射波的源。发射的波与入射波相关，其结合系统的传递函数，即包括放大器101和耦合器102的增益等。

在实际情况中，由于系统中的非理想状态，诸如天线阻抗的不当匹配，从负阻元件101发送的一部分能量从具有类似反射系数的两个天线104反射回来，回到混合耦合器102。由于该反射信号将行进通过混合器的90度相移路径两次，它将在负阻放大器101的端口20处基本上被消除，相反将出现在混合器120的第一端口10处的终端103处，在该处信号将被吸收。如由于入射波110引起的信号在上下文中所解释的，消除信号的过程类似于信号的相长组合和相消组合。对于通过混合器两次的这些非理想信号，在第一端口10处发生相长组合，而在第二端口20处发生相消组合。结果，非理想信号至少基本上被终端单元103吸收。为了使相长组合和相消组合正常工作，优选地，第一天线元件104a的电气特性与第二天线元件104b的电气特性类似。这是为了使两个天线元件具有类似的性能，使得相消组合在放大器侧或第二端口20处产生最小量的非期望信号。

本领域技术人员将理解，尽管本文讨论的示例示出了两个天线元件104a和104b，但是通过以下布置，仍然可以应用本教导而不会有过度的负担：仅具有一个用于接收入射波并且发射反射波的天线元件(例如，仅将第一天线元件104a连接到第三端口30)，而将另一端口(例如，第四端口40)连接到信号生成设备而不是另一个天线元件，只要该信号生成设备在其连接的混合器的端口处生成信号，使得所生成的信号与连接到混合器的现在的单个天线元件生成的信号相比基本上相移90度。还希望的是，信号生成设备具有与单个天线元件类似的电气特性，以至少实质性地消除第二端口20处的非理想信号。

根据本教导，负阻元件101因此暴露于端接混合电路的更宽带和恒定的阻抗，而不是变化的天线阻抗，这与常规系统相比，具有诸如允许利用更高增益值之类的优点，同时保持稳定性需求。

窄带天线，诸如谐振天线，具有窄带宽，使得相位在操作范围内变化很大。这对于实现放大器中的稳定性会产生问题。根据本教导，通过在天线和放大器101之间引入混合耦合器102，从负阻放大器101侧看到的阻抗在混合耦合器102的带宽上变得基本恒定。混合耦合器102的带宽与贴片天线的带宽的百分之几相比可以例如是50％，这使得实现负阻放大器的稳定操作基本上更加容易。根据所提出的布置，放大器101在端口20处看到的阻抗将基本上是终端阻抗103的值，而不是天线104的阻抗的值。

根据另一实施方式，两个天线104可以例如是间隔四分之一波长的平行偶极子。然后来自放大器的信号将在偶极子的平面中辐射到以滞后相位馈送的偶极子一侧。

从同一方向接收的任何信号将被馈送到负阻放大器。在这种情况下，90度相移用于实现更好的方向性。可替代地，天线104可以是两个交叉偶极子，其中，90度相移使得系统能够接收和发射垂直于偶极子的圆偏振场。

可替代地，两个偶极子104a、104b可以用具有正交馈电的贴片105代替。

两个类似的天线定位成使得以90度的相位差接收入射波。这例如对于接收圆偏振波的正交天线是常见的。根据另一方面，两个类似的天线可以是正交馈电的圆形天线的形式。技术人员将理解，能够生成基本上相隔90度的两个输出信号的所有天线布置都在本教导的范围内。根据频率，具有基本相等阻抗的天线将类似地反射信号。由于天线具有相似的阻抗，所以反射的信号由于耦合器而变为90度偏移并且在放大器侧或端口20处基本上被消除。

总而言之，本教导涉及天线系统或布置，其包括负阻放大器。该天线系统还包括第一天线元件。第一天线元件被配置为接收入射波，以用于生成与入射波相关或成比例的第一信号。该天线系统还包括用于生成第二信号的信号生成设备。与第一信号相比，第二信号基本上相移90度。第一信号和第二信号被配置为应用于混合耦合器，使得第一信号和第二信号在第一混合耦合器端口处基本上相消地组合成第一输出信号，并且第一信号和第二信号在第二混合耦合器端口处基本上相长地组合成第二输出信号。表述第一信号和第二信号在第一混合耦合器端口处基本上相消地组合，意味着第一混合耦合器端口处的第一输出信号与第一信号和第二信号的相消组合成比例。第一混合耦合器端口和第二混合耦合器端口是混合耦合器的端口。表述第一信号和第二信号在第二混合耦合器端口处基本上进行相长地组合，意味着第二混合耦合器端口处的第二输出信号与第一信号和第二信号的相长组合成比例。第二混合耦合器端口适于可操作地连接到负阻放大器以放大第二输出信号。第一混合耦合器端口适于连接到终端单元，以至少基本上吸收第一输出信号。技术人员将理解，第一信号和第二信号是电信号，它们中的至少一个是由天线布置捕获的入射电磁波生成的。

本领域技术人员将理解，当第一信号在幅度上等于第二信号时，如前所述假设它们相对于彼此相移90度，在第一混合器端口或第一端口10处的相消组合，即第一输出信号，理论上将是零结果信号。实际上，例如，由于非理想的部件，第一端口10处的这种相消组合将是残余信号，但是它将至少基本上在终端单元103中被吸收或耗散。此外，所接收的第一信号和第二信号的幅度可能不总是相等的，这也将导致第一端口10处的残余信号为非零，所述残余信号也将至少基本上被终端单元103吸收。然而，技术人员将注意到，放大器101在端口20处生成的经放大的信号将在混合器102中基本上相等地分开，以分别在第三端口30和第四端口40之间输出。如前所述，由类似的天线元件104a和104b反射的任何信号都将因此基本相等。当由天线元件104a和104b反射的这些不需要的信号以及任何其他类似的共模信号在被天线元件104a和104b反射之后，通过混合器102行进返回放大器101时，它们将在第二端口20处通过相消组合经历显著的减少。如前所述，104a和104b不必都是天线元件。技术人员还将理解，在第三端口30和第四端口40处出现的任何其他共模信号也将在放大器输入或第二端口20处经历类似的消除。这种其他共模信号的示例是由相对于彼此具有基本类似的相位的第一天线元件104a和第二天线元件104b接收的任何其他信号。这是本教导的另一优势，因为可以减少放大器输入处的共模信号，从而例如还导致更好地利用放大器101的动态范围。

在又一方面，信号生成设备是第二天线元件，其布置成相对于第一天线元件以大致90度的差值接收入射波。

根据另一方面，负阻放大器还被配置为在第二混合耦合器端口处输出经放大的信号。该经放大的信号至少部分地包括放大的第二输出信号。因此，该天线布置可用于反射放大的入射波。如将理解的，入射波首先由该天线布置的至少一个天线元件接收，然后在第二混合器端口处相长地重新组合。因此，耦接在第二混合器端口处的放大器，通常是负阻放大器，可以接收相长重新组合或第二输出信号，并将其以预定的放大器增益放大，以生成放大的第二输出信号。然后，第二输出信号朝向第三混合器端口和第四混合器端口传播，并由天线元件中的至少一个反射。

在另一实施方式中，第一信号和第二信号之间的幅度的差值可以被视为独立的“误差”信号，所述独立的“误差”信号以相反的方式相移并因此出现在第一混合器端口处。这例如可以用于校准天线的位置。因此，该天线系统还可以包括计算单元，所述计算单元被配置为比较第一输入信号和第二输入信号之间的幅度的差值以生成误差信号。计算单元可以使用误差信号来计算或校准天线布置的位置。计算单元可以包括耦接到第一混合器端口的终端单元或有源终端单元。

在又一实施方式中，第一天线元件和第二天线元件布置成正交型天线的形式，或者根据另一方面，布置成正交馈电的圆形天线的形式。换句话说，代替了天线元件和信号生成设备，或两个类似的天线元件，正交型天线连接在混合器的第三端口和第四端口之间。本教导还涉及用于反射入射波的方法，包括以下步骤：

-通过使用第一天线接收入射波，在混合耦合器的第三端口处生成第一输入信号，

-在混合耦合器的第四端口处生成第二输入信号，第二信号相对于第一输入信号基本上相移90度，

-将第一输入信号和第二输入信号输入到混合耦合器，从而在混合耦合器的第一端口处生成第一输出信号，所述第一输出信号是第一输入信号和第二输入信号的相消组合；以及在混合耦合器的第二端口处生成第二输出信号，所述第二输出信号是第一输入信号和第二输入信号的相长组合，

-使用连接在第一输出端口处的终端单元至少基本上吸收第一输出信号，

-使用负阻放大器放大第二输出信号以生成经放大的信号，然后将经放大的信号馈送到混合器的第二端口，以在混合器的第三端口处生成第一发射信号，

-使用第一天线元件对与第一发射信号成比例的第一反射波进行反射，

-在第一端口处接收由于诸如不当匹配之类的非理想状态而生成的任何非期望信号，并且使用终端单元至少基本上吸收所述非期望信号。

在另一实施方式中，第二信号由第二天线元件生成，并且该方法还包括以下步骤：

-在混合器的第四端口处生成与经放大的信号相关的第二发射信号，

-使用第二天线元件对与第二发射信号成比例的第二反射波进行反射，所述第二反射波相对于第一反射波基本上相移90度。

如前所述，第一天线元件和第二天线元件可以是相同的天线单元，例如，正交型天线。

本教导还涉及一种无线设备，其包括天线系统和/或实现根据本文所讨论的本教导的任何方面的方法步骤。所述无线设备优选地是转发器。

技术人员将理解，可以自由组合本文公开的本教导的各个方面和实施方式。因此，各个方面和实施方式是相关联的，并且教导的任何组合都是在本公开的范围内的实施方式。

Claims (9)

1.一种包括负阻放大器的天线系统，所述天线系统还包括第一天线元件，所述第一天线元件被配置为接收入射波，以用于生成与所述入射波成比例的第一信号，其中，

所述天线系统包括用于生成第二信号的信号生成设备，所述第二信号相对于所述第一信号相移90度，所述第一信号和所述第二信号被配置为应用于混合耦合器，所述第一信号是在所述混合耦合器的第三端口处施加的，所述第二信号是在所述混合耦合器的第四端口处施加的，使得所述第一信号和所述第二信号被配置为在所述混合耦合器的第一端口处相消地组合成第一输出信号，以及

所述第一信号和所述第二信号被配置为在所述混合耦合器的第二端口处相长地组合成第二输出信号，

所述混合耦合器的第二端口被配置为操作连接到所述负阻放大器以放大所述第二输出信号，并且所述混合耦合器的第一端口被配置为连接到终端单元以至少吸收所述第一输出信号。

2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述信号生成设备是第二天线元件，所述第二天线元件被布置成相对于所述第一天线元件以90度的相位差接收所述入射波。

3.根据权利要求2所述的天线系统，其中，所述第一天线元件和所述第二天线元件被布置成正交型天线或正交馈电圆形天线的形式。

4.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述负阻放大器还被配置为在所述混合耦合器的第二端口处输出经放大的信号，所述经放大的信号是经放大的第二输出信号。

5.根据权利要求2或3所述的天线系统，其中，所述天线系统还包括计算单元，所述计算单元被配置为比较所述第一信号与所述第二信号之间的幅度的差值以生成误差信号，所述误差信号由所述计算单元使用，以用于计算或校准天线布置的位置。

6.一种用于反射入射波的方法，包括以下步骤：

-通过使用第一天线接收入射波而在混合耦合器的第三端口处生成第一信号，

-在所述混合耦合器的第四端口处生成第二信号，所述第二信号相对于所述第一信号相移90度，

-将所述第一信号和所述第二信号输入到所述混合耦合器，从而在所述混合耦合器的第一端口处生成第一输出信号，所述第一输出信号是所述第一信号和所述第二信号的相消组合；以及在所述混合耦合器的第二端口处生成第二输出信号，所述第二输出信号是所述第一信号和所述第二信号的相长组合，

-使用连接在所述混合耦合器的第一端口处的终端单元至少吸收所述第一输出信号，

-使用连接在所述混合耦合器的第二端口处的负阻放大器放大所述第二输出信号以生成经放大的信号，然后将所述经放大的信号馈送到所述混合耦合器的第二端口，以在所述混合耦合器的第三端口处生成第一发射信号，

-使用所述第一天线元件对与所述第一发射信号成比例的第一反射波进行反射，

-在所述混合耦合器的第一端口处接收由于非理想状态而生成的任何非期望信号，并且使用所述终端单元至少吸收所述非期望信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述非理想状态为不当匹配。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述第二信号是由第二天线元件生成的，并且所述方法还包括以下步骤：

-在所述混合耦合器的第四端口处生成与所述经放大的信号相关的第二发射信号，

-使用所述第二天线元件对与所述第二发射信号成比例的第二反射波进行反射，所述第二反射波相对于所述第一反射波相移90度。

9.一种无线设备，包括根据权利要求1-5中的任一项所述的天线系统。

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