CN1175515C - 使用无辐射介质波导的无线电转发器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用无辐射介质波导的无线电转发器。在本发明的无线电转发器中，在所述介质波导的一侧设置使用耿氏二极管的负阻的反射负阻放大器；通过所述输入端介质波导输入的输入信号在环行器中循环，进入所述耿氏二极管。在所述耿氏二极管中放大的反射波在环行器中被循环之后从输出端介质波导输出。以复杂的结构替换普通的无线电转发器，本发明在无辐射介质波导上提供了一种无线电转发器以及一种使用多空间无辐射介质波导的无线电转发器，其接收一频率，将其放大并将放大的信号传输到任何预定的方向。由于本发明的无线电转发器的内部电路是一种放大器结构，其使用简单的耿氏二极管，因此所述电路简单，并减少消耗的功率。此外，以介质带插入到无线电转发器中，接收和传输方向能自由改变。利用本发明的无线电转发器，能制造一种低功率消耗的小型无线电转发器。本发明的无线电转发器可以用到用于室内毫波局域网的方向性转发器上。

Description

使用无辐射介质波导的无线电转发器

技术领域

本发明涉及一种无线电转发器，更具体而言，本发明涉及通过在无辐射波导器(或多空间无辐射介质波导)上应用使用耿氏二极管的反射放大器来获得的无线电转发器。

背景技术

普通的无线电转发器具有复合结构，因为其接收无线电信号、解调所接收的信号以获取原始信号，然后再将原始信号调制成不同的频率。这种无线电转发器的复合电路引起频率干扰。由于这种问题，应当使用不同于原始频率的频率。这导致了作为公共资源的频率的浪费。此外，普通的无线电转发器包括用于信号调制和解调的电路，和用于传输和接收的装置，其消耗大量的电力。因此所述复合电源装置，例如发电机和备用电源必须安装在安装有普通无线电转发器的建筑物顶部或山顶上。

发明内容

为了解决前述普通无线电转发器中的内容，本发明提供了一种无线电转发器，其电路简单并且容易构造，这是由于所接收的波因为不经过解调、调制、接收和传输过程而能被所述电路放大。本发明的一个目的就是提供这种无线电转发器。

本发明的另一个目的是提供一种无线电转发器，其以简单的电路消耗少量的电能。

根据上述目的，本发明提供了一种使用无辐射介质波导的无线电转发器，在所述介质波导的一侧设置使用耿氏二极管的负阻的反射负阻放大器；输入信号通过所述输入端介质波导输入，在环行器中改变方向并进入所述耿氏二极管；和在所述耿氏二极管中被放大的反射波在所述环行器中被循环之后从输出端介质波导中输出；其中，一带状谐振器连接所述耿氏二极管和介质波导，并且所述带状谐振器的金属部分的长度决定将使用的频率；其中，输入端介质波导、输出端介质波导及连接于环行器与耿氏二极管之间的介质波导之间的夹角均为120度。

下面将参照附图详细说明本发明的使用无辐射介质波导的无线电转发器。

本发明的无线电转发器使用一种放大器，所述放大器使用耿氏二极管。所述使用耿氏二极管的放大器是负阻放大器，其利用耿氏二极管的负阻特性。

在一耿氏二极管中有两个导电带区域。一个是下区域(“L区域”)，其靠近价电子带，另一个是上区域(“U区域”)，其比L区域高0.36eV。所述L区域的电子移动性比U区域的电子移动性大60倍。如果所述电场较低，所述载流电子都位于L区域，但如果电场变高，则电能增加，一些电子进入U区域。由于电子移动性的变化，引起电子聚束，并且减小了平均电子速度。在电子移动性上的差别是一负值，所述耿氏二极管是在负阻状态。

附图说明

图1是有应用到介质波导上的耿氏二极管的反射负阻放大器的视图；

图2是用到多空间无辐射介质波导上的反射放大器的结构图；

图3是用到所述多空间无辐射介质波导丧的3倍频率倍增放大器的结构图；

图4是当增加一个外部谐振点的频率特性图；

图5是当增加两个外部谐振点的频率特性图；

图6是使用介质波导的切块的谐振器的结构视图；

图7是图6中示出的谐振器电路的等效电路图；

图8是一阻抗转换器电路；

图9是图7的电路的等效电路图，其使用一转换器；

图10是宽带放大器电路的结构视图，其使用所述耿氏二极管放大器和一个外部介质谐振电路，具有示出的频率特性；

图11是在无辐射介质波导(或多空间无辐射介质波导)中使用一耿氏二极管放大器的无线电转发器的视图；

图12是本发明的无线电转发器的结构视图，其具有插入到输入和输出介质波导中的无损失带，以便于改变方向；

图13是本发明的无线电转发器的结构视图，其具有增强的方向性和改进的增益；

图14是本发明的无线电中继站的结构视图，其使用无损失带，从输入方向到输出方向产生了大约270度的角度；

图15是使用无损失带和多个放大器的本发明的无线电中继站的结构视图。

具体实施方式

图1是反射负阻放大器的视图，其具有用到介质波导上的耿氏二极管。输入信号通过在环行器中的循环进入所述耿氏二极管中。在所述耿氏二极管中，反射波从所述被输入的波通过负阻特性被放大。所述被放大的反射波在环行器中被改变之后，从输出端出来。

在图1中Z_D是所述耿氏二极管的阻抗，并且所述阻抗符合波导线的特性阻抗的标准。此处所述耿氏二极管的阻抗是负阻r和电抗x的穿行电路。所述反射系数在下面的等式1中表示出。

〔等式1〕

$r_N=\left|\frac{1+r-\mathrm{jx}}{1-r+\mathrm{jx}}\right|$

如果为简单起见我们用0来替换x，在中央频率处的反射系数将由等式2限定出。

〔等式2〕

$r_N=\left|\frac{1+r}{1-r}\right|>1$

在上面的等式2中，如果所述反射系数大于1，那么所反射的波将大于所述入射波，由此影响放大。所述反射系数等于增益，因为反射率是反射功率和输入功率的比率。由此所述功率增益可以根据下面的等式3界定。

〔等式3〕

  G_p＝|r_N|²

等式2给出当耿氏二极管的负阻接近所述波导线的特性电阻时，在所述放大器上的增益增加。如果所述负阻是1，所述反射系数将有无穷大的数值。因此，即使没有入射波，也有输出波。结果出现振荡。在等式1中，所述放大器增益的频率特性用一简单的峰形来表示，在耿氏二极管的电抗值为0的频率处，所述频率特性达到最大值。

图2是用在多空间无辐射介质波导上的反射放大器的结构图。图2中的输入波在通过介质波导并在环行器中转变后进入耿氏二极管。在所述耿氏二极管中，由于负阻特性，比输入波更有力的输出波被反射回来。这种输出波与输入波的比率是放大率。

从耿氏二极管中出来的反射波在所述环行器中被转变之后通过在负载侧的介质波导，然后被输出。此处所述耿氏二极管安装架的尺寸必须与两块金属板之间的空间的尺寸一样大，在所述两块金属板之间放置所述介质波导。实际使用的频率根据其用途而不同，并且不同的频率要求两块金属板之间的空间的不同尺寸。因此不可能有一二极管，所述二极管的尺寸对应于所有要使用的频率。因此本发明利用多空间无辐射介质波导来构造电路。这使得我们能用相同尺寸的二极管构造放大电路，以产生用于不同目的的不同频率。

介质波导可以根据要使用的频率来获取，并且所述空间根据介质波导的尺寸来决定。二极管安装架的尺寸由于制造商的不同而不同。本发明通过使用多空间结构，可以构造电路，所述电路穿过对应于各种不同尺寸的部件的空间。

一带状谐振器连接到耿氏二极管和本发明的介质波导上。在所述带状谐振器中的金属部分的长度确定了要使用的频率。如果所述金属部分比要使用的频率的波长的一半还长，那么所述谐振频率开始下降，如果所述金属部分比所述波长的一半短，那么所述谐振频率开始升高。

在放大电路中使用一偏压，其结构如图2所示，可以使此电路作为一个放大器。

另一方面，用于高频率的放大器可以使用用于低频率的耿氏二极管来构造成。这被称作倍增放大器。当传输数据增加并且所述频率变高，但却没有用于高频率的耿氏二极管时，这种倍增放大器可以是非常有用的。

图3是用于多空间非辐射介质波导上的3倍放大器的结构图。

在所述用于低频率的多空间非辐射介质波导的较大的空间中，提供给偏压，这样通过低频耿氏二极管将产生负阻。在两块金属板的较小的空间中，放置一介质传输波导器，所述波导器用于频率为耿氏二极管谐振器的频率的2两倍或三倍的频率。在所述耿氏二极管和所述波导器之间放置一舌簧式带状谐振器，其在较高的(倍增的)频率处谐振。以此方式，可以使用较高的频率，并且通过使用能放大反射波的负阻特性能放大所述波。

为了发出大量的信息，我们需要使用较高的频率和带宽。根据这种趋势，放大器需要能处理较高的频率并使用一带宽。因此不仅需要改进在介质波导中的放大功能，还需要扩宽带宽。

为了实现这种目的，本发明在原始的谐振点之外使用了另外的谐振点。通过这种多个的谐振点可以扩宽所述放大的频率的带宽。图4是加入一外部的谐振点的情况下的频率特性图，图5是加入两个外部谐振点的情况下的频率特性图。如图4和图5所示，如果外部谐振点的位置较宽，那么可以构造出宽带电路。这种外部谐振电路可以由介质波导的切块(cut-block)来制造。

图6是利用介质波导的切块的谐振器的结构图。如图6所示，使用介质块，可以构造出一种多级谐振器。在图6的基本结构中，可以以设计系数l_j和d_j设计和制造一种多谐振器电路。通过将图6中的谐振电路转化和解释成一种等效电路，由此引出一种设计公式。使用这种设计公式，可以以介质块设计和构造多谐振电路。

为了在图6的基本结构中获得l1，d1和l2的数值，图6的谐振电路必须被转换和解释成图7所示的等效电路。

图7是图6的谐振电路的等效电路。在图7中对称的T形电路表示衰减区域。所述波导器的特征阻抗x_pj，x_sj(j+1～n+1)，作为衰减区域的平行臂和串行臂的阻抗被表示为衰减区域的长度l_j的函数。

当以如图8所示的阻抗转换器电路构造所述T形电路，所述图7中的电路可以变化成图9所示的电路。此处，dj(j+1～n)是插入阻抗的x_pj，x_sj，x_pj+1，x_sj+1并且由电路的相位常数β表示。因此根据图7中的等式4和5可以设计一谐振电路。

〔等式4〕

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\λ}}={\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_{g0}}{{\mathrm{\λ}}_0}\right)}^2\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}$

〔等式5〕

$d_j=\frac{1}{\mathrm{\β}}\{\mathrm{m\π}-\frac{1}{2}({\tan }^{-1}\frac{{2x}_{\mathrm{pj}}+x_{\mathrm{sj}}}{H_D}+{\tan }^{-1}\frac{x_{\mathrm{sj}}}{H_D}+{\tan }^{-1}\frac{{2x}_{\mathrm{pj}+1}+x_{\mathrm{sj}+1}}{H_D}+{\tan }^{-1}\frac{x_{\mathrm{sj}+1}}{H_D})\}$

图10是以具有频率特性的耿氏二极管放大器和一个外部介质谐振电路一起设计的宽带放大电路的结构图。图10示出了仅仅用耿氏二极管制成的放大器的带宽大致为300MHz，但用一个外部谐振电路，所述带宽增加到大约750MHz。

下面是在无辐射介质波导(或多空间非辐射介质波导)中使用耿氏二极管放大器的无线电转发器的详细描述。

图11是在无辐射介质波导(或多空间非辐射介质波导)中使用耿氏二极管放大器的无线电转发器的视图。如图11所示，在无辐射波导器使用耿氏二极管放大器的无线电转发器(或多空间非辐射介质波导)，所述输入波在耿氏二极管中立即被放大，在所述环行器中被分离，然后输出。因此可以构造具有高效率和高频率的放大无线电转发器。

本发明的无线电转发器不同与普通的无线电转发器，其使用耿式放大器的负阻特性直接放大所接收的波。因此本发明的无线电转发器不需要解调、调制、接收和传输过程。这样可能以简单的电路容易地制造小型的和高效率的无线电转发器。

如图11所示，进入所述无线电转发器的低级入射波通过环行器进入所述耿氏二极管。从耿氏二极管放大的波在环行器中以120度被旋转。所述无线电转发器然而应该能从放置转发器的建筑物或山的顶部将放大的信号输出到任何方向。如果所述输入和输出方向之间的角度可以保持在如图11所示的120度。信号可以不被送到所需的方向，并且这种无线电转发器对具有方向性、例如毫波的高频率可能没用。

为了解决这种问题，本发明提供了一种具有在输入和输出介质波导中具有无损失带的无线电转发器，其在信号中几乎没有损失，并且可以自由改变信号的方向。

图12是本发明的无线电转发器的结构图，所述无线电转发器具有插入输入和输出介质波导中的无损失带，以便于改变方向。如图12所示，通过在介质波导和天线之间插入无损失带，输入和输入天线形成直角。

图13是本发明的无线电转发器的结构示意图，其具有增强的方向性和提高的增益。在图13所示的无线电转发器中，为了改进增益，使用包括介质天线和喇叭天线的天线，而不是介质天线。

为了从各种方向发射和接收信号，可以制造并组合具有各种角度的带，以改变接收和传输信号的方向。图14是从输入方向到输出方向以270度使用无损失带的本发明的无线电转发器的结构图。

如果通过一个放大器所实施的放大不是足够的，可以使用多个放大器来提升放大级别。例如，如果所接收的信号是80dbm级别，并且具有最大放大增益为30db的三个放大器被连接在一起，可以获取具有90db的放大器。随后在-80dbm级别的输入信号可以被放大成为+10dbm信号。通过天线，这些信号从高输出无线电转发器输出。图15是使用无损失带和多个放大器的本发明的无线电转发器的结构图。

由于功率放大器应当在最后的输出被放大的部分制造，所述耿氏二极管可以不产生高级别的输出。在此情况下，多个耿氏二极管可以并列连接以用于高输出的电路。

以复杂的结构替换普通的无线电转发器，本发明在非辐射波导器上提供了一个无线电转发器并提供了一种无线电转发器，所述无线电转发器使用所述多空间非辐射介质波导，所述无线电转发器接收一频率，放大所接收的频率，并将所述放大的信号转播到任何所需要的方向上。因为本发明的无线电转发器的内部电路具有使用耿氏二极管的放大器结构，所述电路简单并且因此可以减小功率消耗。此外通过插入介质带，用于接收和传输的方向能自由改变。利用本发明的无线电转发器，可以形成一种低功率消耗的小型无线电转发器。本发明的无线电转发器还可以用在室内毫波局域网的方向性转发器上。

Claims (6)

1.一种使用无辐射介质波导的无线电转发器，其中：

在所述介质波导的一侧设置使用耿氏二极管的负阻的反射负阻放大器；

输入信号通过所述输入端介质波导输入，在环行器中改变方向并进入所述耿氏二极管，和

在所述耿氏二极管中被放大的反射波在所述环行器中被循环之后从输出端介质波导中输出；

其中，一带状谐振器连接所述耿氏二极管和介质波导，并且所述带状谐振器的金属部分的长度决定将使用的频率；

其中，输入端介质波导、输出端介质波导及连接于环行器与耿氏二极管之间的介质波导之间的夹角均为120度。

2.根据权利要求1所述的使用无辐射介质波导的无线电转发器，其中：

除了无线电转发器原始谐振点的多个谐振点使用介质波导切块来设计。

3.根据权利要求1所述的使用无辐射介质波导的无线电转发器，其中：

无损失带被插入到所述介质波导中，所述输入信号的方向和输出信号的方向可以被控制。

4.根据权利要求1所述的使用无辐射介质波导的无线电转发器，其中：

多个使用耿氏二极管的负阻特性的反射负阻放大器被串联，这样可以增强所述放大率。

5.根据权利要求1所述的使用无辐射介质波导的无线电转发器，其中：

如果耿氏二极管的尺寸不配合所述介质波导，则介质波导和不同尺寸的元件被安装在所述多空间结构中，并且一带状谐振器与这种波导器和用于放大的元件相连接。

6.根据权利要求1所述的使用无辐射介质波导和所述多空间介质波导的无线电转发器，其中：

如果所述耿氏二极管具有较低的频率并且放大率较高，利用耿氏二极管的高频振荡特性能获得高频放大特性。

Images