电感性负载的非福斯特电路研究与设计

2017-12-26任仪,唐娟,孙佳

电子器件 2017年6期

关键词：输入阻抗乘法器福斯特

任仪,唐娟,孙佳

(重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065)

电感性负载的非福斯特电路研究与设计

任仪*,唐娟,孙佳

(重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065)

基于非福斯特电路的有源电小天线宽带匹配在工程应用领域受到广泛关注。以电小环天线的等效电路为负载,提出一种接地型运放管的非福斯特电路,并对其负阻抗转换性能进行了分析。经过仿真分析,在2 MHz～30 MHz频段内,单级运放非福斯特电路可实现99%的电感转换率;两级运放乘法电路能够将电路的输入阻抗匹配到50 Ω,S11在整个频段内小于-26 dB。实物测试了两级运放乘法器电路,验证了接地型运放管非福斯特匹配电路可较好地提高电感性电小天线的性能。

非福斯特电路;有源宽带匹配;负阻抗;电小环天线;等效电路

随着通信系统以及探测技术地不断发展,研究人员越来越关注天线的近场分析与应用[1]。而天线近场研究的频段一般为低频段[2],因此,天线应为电小天线。电小天线可以等效地看作电容或者电感,具有较高的品质因数,带宽很窄,能量很难辐射出去[3]。因此,实现电小天线的阻抗带宽匹配同时提高效率一直是个难题。直到20世纪70年代,在负阻抗变换器[4]实现后不久,人们开始在天线上加载非福斯特电路[5]。在天线上运用这项技术比较于传统的无源匹配技术优势明显。引入的负电抗元件可以抵消电小天线对应的大电抗部分[6]。同时,将天线作为电路的负载,运用两级的负阻抗变换电路,不仅能够抵消电小天线的电抗部分,还可实现整个频段内输入阻抗匹配到50 Ω的纯电阻,实现了非常良好的匹配。

虽然理论上非福斯特电路能够非常完美地匹配电小天线,但在仿真和硬件实现中却还存在很大的困难。具体而言,天线的等效电路[7]表现为容性或感性时,需要搭建的电路就会不同;而且,天线的等效电路一般只能在单频点获得,但需要进行匹配的却是整个频段;因此,这就造成了硬件实现方面困难重重;同时,仿真中,涉及两款不同的仿真软件,实现两者的一体化整合仿真的准确度有待验证;并且,非福斯特电路中有源器件如晶体管或者运放管的选择,也影响着工作频点和带宽。

运放管相对于三极管和场效应管来说,高度集成的特性使其能够更为简单地设计非福斯特电路,具有很多优点。运放型非福斯特电路[8-11]外围电路元件较少,便于仿真与实物加工测试,具有很大的研究价值。

1 运放型非福斯特电路理论

根据非福斯特电路理论,它由负阻抗变换器和负载共同构成,如图1所示。该匹配电路的特点就是输入端的阻抗等效为负载的-K倍(K>0),即为负阻抗的形式。负阻抗变换电路一般分为接地型和浮地型两种,因而所接的负载位置也会不同;加之构成电路的有源元件有运放管、晶体管以及场效应管,因此构成的非福斯特电路形式也将是各种各样的。为了方便讨论,本文选择接地型运放管构成的电路。

图1 非福斯特电路结构框图

1.1 单级运放非福斯特电路

图2为运放管实现的接地型非福斯特电路。输入信号可从运放管的同相输入端输入也可从反向输入端输入,根据文献[10]的结论,本文选择同相输入信号。

图2 运放型负阻抗变换电路

由运算放大器的理想工作条件[12]可得,

i+=i-=0,V0=0

因此,由回路电压和节点电流方程可得,

Vin=V0+VL=VL

iin=iR1=Vin/R1

iL=iR2=VL/R2

从而有

iin=(R2/R1)iL

输入阻抗可得,

式中,K=R1/R2,该电路能够实现负阻抗。

1.2 乘法器电路理论

若电路中R1=R2、负载阻抗为ZL=RL+jωL,则Zin=-RL-jωL,可见输入阻抗等效为负电阻与负电感串联的形式。理论上,在电路输入端串联一个等值的电感L[13],则可与等效的负电感相互抵消,电路将等效为一个负电阻,必将不稳定。由乘法器电路理论[8],在上述电路前端再串联一级负阻抗电路,输入阻抗将由负变正,如图3所示。同理可得,

理论上，合理地选取R3、R4的值就可得到任意的输入阻抗值，且为纯电阻。

图3 两级运放乘法器电路

图4 单级非福斯特电路原理图

2 仿真分析

采用超高速电流反馈运算放大器AD8009[14],在软件Multisim中进行仿真。文中以单电小环天线的软件仿真参数为依据,其等效电路模型为负载进行单级非福斯特电路设计,由于其等效电路的电阻部分为10-3数量级,在软件仿真时无法得到负阻抗效应,因此,采用与电抗值可比拟的电阻值。原理图如图4所示,经仿真分析,运放管同相输入和反向输入两端的反馈参数组成形式与负载完全相同时,能够得到最好的仿真结果。电路的输入阻抗等效为负值,如图5和图6所示,电感转换率为99.4%,电阻转换率为94%。由此可见,该电路实现了较为理想的变换效果。

为了实现输入端的阻抗匹配到50 Ω,在单级非福斯特电路前端串联了与负载等值的电感值,并且再加入一级负阻抗变换电路,如图7所示。根据前文的理论介绍,只要R4和R5取值合适就能得到想要的输入阻抗。这里取R4=4 Ω和R5=100 Ω。

图5 输入等效负电感值

图6 输入等效负电阻值

图7 两级运放乘法器电路原理图

图8和图9为仿真得到的电路输入阻抗和散射参数,可以看出输入电阻等效为50 Ω,电抗几乎趋近于0 Ω,S11参数值在整个频段都小于-26 dB。可见,该乘法器电路实现了50 Ω的纯电阻。

图8 等效输入阻抗仿真结果

图9 优化仿真的反射系数

图10 两级运放乘法器电路实物图

3 测试分析

为了验证实际应用与仿真的差距,将匹配到50 Ω的电路进行了加工制版和焊接。图10为两级运放乘法器的实物图,供电为±2.5 V的电源电压,测试仪器采用罗德与施瓦茨的FSH4(100 kHz～3.6 GHz)便携式频谱仪。

图11 两级运放乘法器电路测试图

图11为等效电阻和等效电感串联电路匹配的实测、仿真与未加匹配电路的对比图,分别对比了S参数、等效输入电阻和等效输入电抗的结果。测试结果与仿真有一定的差距,S参数在整个频段内都小于-11 dB;输入电阻比输入电抗大很多,负载如果是天线,说明能量能够辐射出去;输入电抗在低频段几乎与未匹配一致,在较高频段内有所降低。造成这种差距的原因可能是频率较低,忽略了器件连接线宽度对电路的影响。但是就整体而言,电路对天线的等效电路改善很大。

4 结束语

文章以电阻串联电感的形式作为负载,分别加载了单级匹配电路和两级匹配电路进行仿真分析,并对两级运放匹配电路制作了实物进行测试,验证了加载非福斯电路对感性天线的等效电路匹配有很大的改善作用,能够拓宽天线的带宽,对电小天线具有非常大的贡献作用。但仿真与实测之间还存在很大的差距,后续的工作可在电路中加入去耦合电容、考虑加工制版的材料和厚度等方面去改善并做进一步地研究。

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[14] Analog Devices Inc. Low Distortion Amplifier,AD8009 datasheet,2000.

DesignandImplementationofNon-FosterCircuitswithInductiveLoad

RENYi*,TANGJuan,SUNJia

(Chongqing University of Posts and Telecommunications,College of Electronic Engineering,Chongqing 400065,China)

The broadband matching of active electrically small antenna based on non-Foster circuit is widely concerned in the field of engineering application. Based on the equivalent circuit of electrically small loop antenna for load,putting forward a kind of non-Foster circuit grounded type amplifier tube and the negative impedance conversion performance is analyzed. Through simulation analysis,in the frequency range of 2 MHz～30 MHz,single stage amplifier non-Foster circuit can realize the 99% inductance conversion rate;the input impedance of the two stage operational amplifier multiplication circuit can be matched to 50 Ω,the reflection coefficient in the whole frequency range is less than -26 dB. The test results verify the grounded type amplifier tube non-Foster matching circuit can improve the performance of inductive electrically small antenna.

non-foster circuits;active broadband matching;negative impedance;small loop antenna;equivalent circuit

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.021

2016-09-08修改日期2016-10-19

TN822

1005-9490(2017)06-1437-04

任仪(1990-),男，汉族，安徽合肥人，2004年获得安徽大学学士学位，2009年获得电子科技大学博士学位。2009年于重庆金美通信有限责任公司任电磁兼容工程师，2011年加入重庆邮电大学，2014-2015年于美国杜克大学从事博士后研究。目前是重庆邮电大学副教授，硕士生导师，主要研究领域包括计算电磁学，电磁兼容，天线设计;