CN1255944C - 天线放大器 - Google Patents

Abstract

移动UKW无线电接收用的天线放大器，具有一个信号放大器、一个具有用于阻抗匹配的PIN二极管(4)的可调节执行元件(10)、以及一个用于调节所述执行元件的调节放大器。所述的天线放大器具有一种因环境温度中的很大差异(夏季/冬季)而产生的温度特性补偿，从而优化了所述的PIN二极管连接点，且调节范围被最大化。

Description

天线放大器

技术领域

本发明涉及一种移动UKW无线电接收用的天线放大器，该天线放大器具有一个信号放大器、一个调节放大器、以及一个用于阻抗匹配和用于天线信号衰减的可调节的执行元件。此外本发明涉及这种可调节的执行元件。

背景技术

如果天线是不良匹配的和/或拥有微小的天线效率，那么，象为了改善无线电接收而用于移动接收那样的UKW天线放大器则属于现有技术。在发射机附近接收时，在天线放大器中和甚至在连接在后面的汽车无线电中出现很高的电平。当一种互调制分量以其频率进入所调节的接收信道中时，这些高电平引起一种干扰接收的互调制。在放大器输入端上采用具有电平调节元件的天线放大器，用于防止这些干扰。在达到所调节的调节阈值时这促使，即使当输入电平进一步提高，即进一步上升时，执行元件输出端上的电平和互调制分量则不进一步上升。但是这仅适用于在电路之内所实现的调节范围。在所述的调节范围之上输出电平以象输入电平那样的相等的程度上升。

具有上述这些特征的放大器是公知的，并譬如是出口到美国的。这种放大器尤其用在为出口美国而指定的汽车中。所述公知的放大器具有以下的主要缺点：

所调节输出电平的大小强烈依赖于环境温度。此外所述的调节范围-即在上升的输入电平情况下输出电平保持不变的范围-不是足够大的。

对环境温度的依赖关系造成，在天线放大器上可能出现譬如-40℃温度的寒冷冬季中，所调节的输出电平具有一个不同于天线放大器上的温度可能上升到譬如约90℃的炎热夏季中的值。因此所述接收系统的特性在横穿大信号区域时依赖于季节。

有欠缺的调节范围意味着，在执行元件中输入电平仅哀减少数几个分贝。因此几乎不改善接收，因为仅少量抑制了互调制。

附图5展示了按照对输出电平进行调节的现有技术的一种天线放大器的电路图。此时，天线放大器包括一个信号放大器V、以及一个控制PIN二极管PIN的调节电路RS、和一种具有天线信号的输入端HF-E的以及所放大信号的输出端HF-A的天线匹配器A。从信号放大器V的输出信号中分流通向整流器Dg，Rg，Cg的一个微小份额的功率。在所述调节电路RS中，在第一运算放大器级OP1中整流电压Ug被放大，并在第二级OP2中被积分。所述的输出信号控制一个其阳极连接在正电压上的，并在高频方面经电容器与地连接的PIN二极管PIN上。当所述的二极管PIN完全接通时，它将HF电压向接地方向短接。在HF整流器的二极管Dg中产生所述的温度依赖关系。为了使这里出现的导通电压的大的波动范围不会导至功能失灵，必须如此来选择调节阈值的高度，使得所产生的整流电压与导通电压的由温度所决定的波动范围相比较是大的。在这种公知的放大器装置上解决方案在于，在串联谐振电路Ls/Cs的高点上采集输出电压，在那里电压由于高阻抗而是高于直接在放大器输出端上的电压。但是现在在整流器二极管Dg上施加着一个在那里造成一种互调制问题的高电压。

在这里调节范围的大小和因此通过PIN二极管PIN最大可以达到的衰减依赖于，与PIN二极管PIN形成一种分压器的天线阻抗。这种分压器的比例必须是大的，以便实现天线信号的高的衰减。这可以用天线的高的源阻抗来实现，但是这种阻抗很强烈地依赖于频率而变化。随着阻抗的波动，衰减的在最大PIN二极管电流时产生的频率特性也是不均匀的。

发明内容

因此本发明所基于的任务是创造一种开始所述方式的天线放大器和一种用于匹配天线信号的电路，由此在调节范围中达到互调制间距的放大，以及显著改善所调节的输出电平与环境温度的依赖关系。

根据本发明的可调节的执行元件，其具有至少一个用于使天线的阻抗与信号放大器的阻抗相匹配的PIN二极管，其中所述的执行元件具有一种用于使天线阻抗与PIN二极管的阻抗相匹配的第一匹配器，和一种用于使PIN二极管的阻抗与信号放大器的阻抗相匹配的第二匹配器，所述的第一匹配器位于天线和PIN二极管之间，所述的第二匹配器位于PIN二极管和信号放大器之间。

在本发明中以两个步骤实施在具有至少一个PIN二极管的执行元件中的天线匹配。在第一步骤中在实施为模块的第一匹配器中进行天线与PIN二极管的匹配，其目的在于达到一种具有微小频率特性的尽可能大的衰减。在第二步骤中在第二匹配电路中进行与串联的第二模块中的放大器阻抗的匹配。

此时，所述的PIN二极管可以是并联或串联的。在并联的二极管上通过所述的第一匹配将所述的天线阻抗转换到高欧姆的范围中。在串联的二极管上通过所述的第一匹配将所述的天线阻抗转换到低欧姆的范围中。

在本发明的UKW无线电接收用的天线放大器中将一个调节信号施加到调节放大器的执行元件的PIN二极管上，所述的天线放大器具有一个信号放大器、一个既用于将所述的天线阻抗与信号放大器阻抗进行匹配也用于衰减天线信号的执行元件、和一个调节放大器。

在所述的从施加在信号放大器输出端上的HF信号中推导出调节信号的调节放大器中，布置了具有两个二极管的整流器。为了补偿温度波动，所述的两个二极管在热方面是彼此耦合的，譬如通过它们是布置在一个共同的载体元件上的方式。

附图说明

以下借助附图详述本发明的优选的实施形式。

附图1展示了一种本发明的具有并联PIN二极管的执行元件的方框电路图；

附图2展示了一种本发明的具有串联PIN二极管的执行元件的方框电路图；

附图3展示了PIN二极管的和PIN二极管并联电路和串联电路的天线的复反射率；

附图4展示了一种具有比例或积分整流器调节放大器的本发明的天线放大器；和

附图5展示了一种按现有技术的天线放大器。

具体实施方式

执行元件实施形式的以下的说明局限于仅采用一个PIN二极管。一个单个的-相对于在装置中作为T或pi网络或半节网络(Halbglieder)的多个PIN二极管的-优点在于它们的控制用的微小工作量。但是不排除在一个执行元件中采用多于一个PIN二极管，其中，在此情况下必须彼此协调PIN二极管的电流，并必须以对串联二极管的180°的相移控制并联的二极管，由此显著提高了相对于用一个PIN二极管的解决方案的工作量。

附图1展示了一种连接在具有天线阻抗Z_A的天线1和具有输入阻抗Z_V的天线放大器3之间的可调节执行元件2。所述的执行元件2包括一个并联的PIN二极管4，其中，在二极管4之前或之后分别布置了一种匹配器5或6。此外，所述的执行元件2具有一个控制输入端7。天线阻抗Z_A与放大器3的阻抗Z_v的匹配以两个步骤来进行，即通过第一匹配器5，以此第一匹配器5将天线阻抗转换成第一中间阻抗Z_AP*以用于与PIN二极管4的阻抗Zpp相匹配，和通过第二匹配器6，以此第二匹配器6将第一中间阻抗Z_AP*转换成第二中间阻抗Z_v*以用于PIN二极管4与放大器3阻抗Z_V相匹配。

对于具有微小频率特性的最大衰减，必须将附图1中并联PIN二极管4上的天线阻抗Z_A与实数轴对称地转换到高欧姆的范围中(Z_AP*)。

附图3将一种示范性的天线阻抗曲线ZAP*，与那种在PIN二极管阻抗Zpp和所连接放大器的被转换的输入阻抗Z_V*相并联时所产生的阻抗-在附图3中为Zpp//Z_V*-进行了对比。在示出的阻抗比例下，当接通所述的二极管4时，在具有阻抗ZAP*的源和具有阻抗Zpp//Z_V*的负载之间的错误匹配变成最大，而输出功率变成最小。衰减最大值位于传输频段的中心。用这种措施不仅在未衰减的情况下-两个匹配模块共同对此负责-，而且也在上述衰减的情况下使整个放大器的频率特性在很大程度上是平缓的。用f_m表示通过箭头指明的中心频率。

附图2再现了串联布置PIN二极管4的情况。执行元件2甚至在这里是布置在天线1和放大器3之间的，其中，执行元件2具有用于使天线阻抗ZA与PIN二极管4匹配的第一匹配器5，和用于使PIN二极管4与放大器阻抗Z_V匹配的第二匹配器6。执行元件2此外具有一个经电感8与二极管4的阳极相连的控制输入端7。在阴极方面一个其它的电感9与地相连接。

在串联电路中，二极管4甚至在接通的状态下由于它的有限导电值而按阻抗比例不同引起信号的至少为0.5至2db的衰减，并因此恶化信/噪比达同等的值。另一方面当断开PIN二极管4时，一般可以达到比在并联电路中要更高的衰减值。

在串联情况下在阻断二极管4时达到最大的衰减。因此对于断开的串联PIN二极管4时的最大的衰减，必须将天线阻抗Z_A对称于实数轴地转换到低欧姆的范围中。在附图3中为此将一种示范性转换的天线阻抗Z_AS*，与这种在附图2的串联情况下由PIN二极管阻抗Z_PS和所转换的放大器输入阻抗Z_V*组成的串联电路所得出的阻抗-即Z_PS+Z_V*-进行了对比。在示出的阻抗比例下，当断开所述的二极管4时，在具有阻抗Z_AS*的源和具有阻抗Z_PS+Z_V*的负载之间的错误匹配变成最大，而输出功率因而变成最小。

连接在后面的放大器3上的输入阻抗既在并联的，也在串联的PIN二极管4情况下对最大可达到的衰减没有明显的影响，因为它在并联电路情况下与PIN二极管阻抗相比是大的，而在串联电路情况下与PIN二极管阻抗相比是小的。

最后要提及的是，在采用具有多个PIN二极管的执行元件时产生了必须相互协调各个二极管电流的问题。此外，用对串联二极管的180°的相移控制并联的二极管。这提高了工作量，因此在车辆天线放大器上优选地采用一种仅具有一个并联二极管的解决方案。对于具有多个PIN二极管的电路装置，一种Pi或T网络、或Pi或T半节网络属考虑之列。

附图4展示了具有信号放大器3、调节放大器10以及执行元件2的本发明天线放大器的电路图，其中，由调节放大器10的输出信号调节执行元件2的PIN二极管4。此外，所述的天线放大器具有天线信号的输入端HF-E(未示出)，以及所放大信号的输出端HF-A。首先来考虑在附图4的调节放大器10的上方连接了电阻R2，而不是电容器C2的情况。调节放大器10在此情况下起着比例整流器调节放大器的作用。运算放大器OP与四个电阻R1，R2，R1^*，R2^*共同形成具有输入端E2上的输入电压U1和输入端E1上的总和电压U1+Uref的减法器。在所述的优选的实施形式中电阻R1和R1^*以及电阻R2和R2^*是等同的。当用相对于地电位为正的和负的运行电压供应运算放大器OP时，调节阈值之下的运算放大器OP的输出电压Ua是Ua＝-Uref·(R2/R1)。在仅仅正的运行电压时Ua＝0伏。所述两个二极管D1和D2形成与运算放大器OP的输入端串联的电压源。它们两个流过一个基本上通过电压U1和U1+Uref(其中Uref与U1相比是小的)和电阻Rg决定的同等大的静态电流。为了达到热耦合，两个二极管D1和D2位于相同的壳体中，或位于相同的芯片上，并因此有一个几乎相等的温度系数。在环境温度变化时，二极管D1，D2的导通电压因此以相同的程度变化。输出电压保持不变。

在放大器3的输出端上输出的HF电压UHF在二极管D1上引起用系数R2/R1放大的整流电压UR。用电阻Rref调定调节阈值，-只有当UR＞Uref时，才得出运算放大器OP的一种正的输出电压，并因此得出一种通过PIN二极管4的电流-，并通过电阻比例R2/R1调定调节特性曲线的斜率。在调节范围之内，在与HF输入电压的比较中调节特性曲线的斜率是HF输出电压上升的一个尺度。在这种调节原理情况下调节偏差保持不变，但是调节是很迅速的，因为仅须将HF整流器中的电容器Cg再充电。

如果在附图4的天线放大器中在调节放大器10中不连接电阻R2，而是连接电容器C2，则产生一种具有积分整流器调节放大器10的天线放大器。在积分器中按公式

$\mathrm{Ua}=-\frac{1}{R1*C2}*\underset{0}{\overset{1}{\∫}}(\mathrm{Uref}-\mathrm{UR}\left(t\right))\mathrm{dt}$

积分和放大整流电压。所述的积分器促使不出现调节偏差。这意味着调节范围之内的天线放大器的所调节的输出电平保持常数。在调节阈值之下的HF电平情况下，积分整流器调节放大器10的输出电压位于Ua＝0V上。用Uref调定所调节的输出电压的值-只有当差值Uref-UR得出一个正值时，运算放大器OP的输出电压才也是正的，并得出一个通过PIN二极管4的电流。

电阻Rv降低向整流器分流的功率，并因此改善互调制间距。

Claims (11)

1.可调节的执行元件，具有至少一个用于使天线(1)的阻抗(Z_A)与信号放大器(3)的阻抗(Z_V)相匹配的PIN二极管(4)，其特征在于，

所述的执行元件(2)具有一种用于使天线阻抗(Z_A)与PIN二极管(4)的阻抗(ZpS，Zpp)相匹配的第一匹配器(5)，和一种用于使PIN二极管(4)的阻抗与信号放大器(3)的阻抗(Z_V)相匹配的第二匹配器(6)，其中所述的第一匹配器(5)位于天线(1)和PIN二极管(4)之间，所述的第二匹配器(6)位于PIN二极管(4)和信号放大器(3)之间。

2.按权利要求1的执行元件，其特征在于，所述的PIN二极管(4)与信号通路是并联或串联的。

3.按权利要求2的执行元件，其特征在于，在并联的二极管(4)情况下通过所述的第一匹配器(5)将所述的天线阻抗(Z_A)转换到高欧姆的范围(Z_AP ^*)中。

4.按权利要求2的执行元件，其特征在于，在串联的二极管(4)情况下通过所述的第一匹配器(5)将所述的天线阻抗(Z_A)转换到低欧姆的范围(Z_AP ^*)中。

5.按以上权利要求之一的执行元件，其特征在于，所述的执行元件(2)具有多个PIN二极管(4)作为Pi、或T网络或T半节网络。

6.移动UKW无线电接收用的天线放大器，具有一个信号放大器(3)、一个按以上权利要求之一的用于将所述的天线阻抗(Z_A)与信号放大器阻抗(Z_V)相匹配的执行元件(2)、和一个用于调节所述执行元件(2)的调节放大器(10)。

7.按权利要求6的天线放大器，其特征在于，所述的调节放大器(10)具有一个用于整流电压的整流器和一个放大所述的整流电压的运算放大器(OP)。

8.按权利要求7的天线放大器，其特征在于，

-调节放大器(10)的所述的运算放大器(OP)与信号通路中的两个电阻(R1，R1^*)及位于信号通路与地电位之间的两个电阻(R2，R2^*)一起共同形成一个减法器，该减法器具有在调节放大器的第二输入端(E2)上的一个第一输入电压(U1)，和在第一输入端(E1)上的一个第二输入电压(U1+Uref)，

-两个二极管(D1，D2)是通向所述运算放大器的输入端的串联电压源，这两个二极管(D1，D2)分别由一个通过一电压(U-，U+)和一电阻(Rg)决定的近似相等大的静态电流流过，

-通过机械的途径在热方面如此地耦合两个二极管(D1，D2)，使得它们具有一种几乎相等的温度系数，和

-在所述信号放大器(3)的输出端上输出的HF电压(UHF)在所述两个二极管(D1)中的一个上引起一个以系数(R2/R1)被放大的整流电压(UR)。

9.按权利要求7的天线放大器，其特征在于，

-所述的运算放大器(OP)与三个电阻(R1，R1^*，R2^*)和电容器(C2)共同形成一个积分减法器，该积分减法器具有在调节放大器(10)的第一输入端(E1)上的一个输入电压(U1)，和在第二输入端(2)上的一个第二输入电压(U1+Uref)，

-两个二极管(D1，D2)是通向所述运算放大器的输入端的串联电压源，这两个二极管(D1，D2)分别由一个通过一电压(U-，U+)和一电阻(Rg)决定的近似相等大的静态电流流过，

-通过机械的途径在热方面如此地耦合两个二极管(D1，D2)，使得它们具有一种几乎相等的温度系数，和

-在所述信号放大器(3)的输出端上输出的HF电压(UHF)在所述两个二极管(D1)中的一个上引起一个以系数(R2/R1)被放大的整流电压(UR)。

10.按权利要求8或9之一的天线放大器，其特征在于，所述的天线放大器具有一个用于调节二极管静态电流的电阻(Rr)和一个用于调节所述调节阈值的电阻(Rref)。

11.按权利要求8-9之一的天线放大器，具有一个用于降低向调节放大器(10)分流的功率的电阻(Rv)。

Images