電感性負載的非福斯特電路研究與設計

任 儀,唐 娟,孫 佳

(重慶郵電大學光電工程學院,重慶 400065)

電感性負載的非福斯特電路研究與設計

任 儀*,唐 娟,孫 佳

(重慶郵電大學光電工程學院,重慶 400065)

基于非福斯特電路的有源電小天線寬帶匹配在工程應用領域受到廣泛關注。以電小環天線的等效電路為負載,提出一種接地型運放管的非福斯特電路,并對其負阻抗轉換性能進行了分析。經過仿真分析,在2 MHz～30 MHz頻段內,單級運放非福斯特電路可實現99%的電感轉換率;兩級運放乘法電路能夠將電路的輸入阻抗匹配到50 Ω,S11在整個頻段內小于-26 dB。實物測試了兩級運放乘法器電路,驗證了接地型運放管非福斯特匹配電路可較好地提高電感性電小天線的性能。

非福斯特電路;有源寬帶匹配;負阻抗;電小環天線;等效電路

隨著通信系統以及探測技術地不斷發展,研究人員越來越關注天線的近場分析與應用[1]。而天線近場研究的頻段一般為低頻段[2],因此,天線應為電小天線。電小天線可以等效地看作電容或者電感,具有較高的品質因數,帶寬很窄,能量很難輻射出去[3]。因此,實現電小天線的阻抗帶寬匹配同時提高效率一直是個難題。直到20世紀70年代,在負阻抗變換器[4]實現后不久,人們開始在天線上加載非福斯特電路[5]。在天線上運用這項技術比較于傳統的無源匹配技術優勢明顯。引入的負電抗元件可以抵消電小天線對應的大電抗部分[6]。同時,將天線作為電路的負載,運用兩級的負阻抗變換電路,不僅能夠抵消電小天線的電抗部分,還可實現整個頻段內輸入阻抗匹配到50 Ω的純電阻,實現了非常良好的匹配。

雖然理論上非福斯特電路能夠非常完美地匹配電小天線,但在仿真和硬件實現中卻還存在很大的困難。具體而言,天線的等效電路[7]表現為容性或感性時,需要搭建的電路就會不同;而且,天線的等效電路一般只能在單頻點獲得,但需要進行匹配的卻是整個頻段;因此,這就造成了硬件實現方面困難重重;同時,仿真中,涉及兩款不同的仿真軟件,實現兩者的一體化整合仿真的準確度有待驗證;并且,非福斯特電路中有源器件如晶體管或者運放管的選擇,也影響著工作頻點和帶寬。

運放管相對于三極管和場效應管來說,高度集成的特性使其能夠更為簡單地設計非福斯特電路,具有很多優點。運放型非福斯特電路[8-11]外圍電路元件較少,便于仿真與實物加工測試,具有很大的研究價值。

1 運放型非福斯特電路理論

根據非福斯特電路理論,它由負阻抗變換器和負載共同構成,如圖1所示。該匹配電路的特點就是輸入端的阻抗等效為負載的-K倍(K>0),即為負阻抗的形式。負阻抗變換電路一般分為接地型和浮地型兩種,因而所接的負載位置也會不同;加之構成電路的有源元件有運放管、晶體管以及場效應管,因此構成的非福斯特電路形式也將是各種各樣的。為了方便討論,本文選擇接地型運放管構成的電路。

圖1 非福斯特電路結構框圖

1.1 單級運放非福斯特電路

圖2為運放管實現的接地型非福斯特電路。輸入信號可從運放管的同相輸入端輸入也可從反向輸入端輸入,根據文獻[10]的結論,本文選擇同相輸入信號。

圖2 運放型負阻抗變換電路

由運算放大器的理想工作條件[12]可得,

i+=i-=0,V0=0

因此,由回路電壓和節點電流方程可得,

Vin=V0+VL=VL

iin=iR1=Vin/R1

iL=iR2=VL/R2

從而有

iin=(R2/R1)iL

輸入阻抗可得,

式中,K=R1/R2,該電路能夠實現負阻抗。

1.2 乘法器電路理論

若電路中R1=R2、負載阻抗為ZL=RL+jωL,則Zin=-RL-jωL,可見輸入阻抗等效為負電阻與負電感串聯的形式。理論上,在電路輸入端串聯一個等值的電感L[13],則可與等效的負電感相互抵消,電路將等效為一個負電阻,必將不穩定。由乘法器電路理論[8],在上述電路前端再串聯一級負阻抗電路,輸入阻抗將由負變正,如圖3所示。同理可得,

理論上，合理地選取R3、R4的值就可得到任意的輸入阻抗值，且為純電阻。

圖3 兩級運放乘法器電路

圖4 單級非福斯特電路原理圖

2 仿真分析

采用超高速電流反饋運算放大器AD8009[14],在軟件Multisim中進行仿真。文中以單電小環天線的軟件仿真參數為依據,其等效電路模型為負載進行單級非福斯特電路設計,由于其等效電路的電阻部分為10-3數量級,在軟件仿真時無法得到負阻抗效應,因此,采用與電抗值可比擬的電阻值。原理圖如圖4所示,經仿真分析,運放管同相輸入和反向輸入兩端的反饋參數組成形式與負載完全相同時,能夠得到最好的仿真結果。電路的輸入阻抗等效為負值,如圖5和圖6所示,電感轉換率為99.4%,電阻轉換率為94%。由此可見,該電路實現了較為理想的變換效果。

為了實現輸入端的阻抗匹配到50 Ω,在單級非福斯特電路前端串聯了與負載等值的電感值,并且再加入一級負阻抗變換電路,如圖7所示。根據前文的理論介紹,只要R4和R5取值合適就能得到想要的輸入阻抗。這里取R4=4 Ω和R5=100 Ω。

圖5 輸入等效負電感值

圖6 輸入等效負電阻值

圖7 兩級運放乘法器電路原理圖

圖8和圖9為仿真得到的電路輸入阻抗和散射參數,可以看出輸入電阻等效為50 Ω,電抗幾乎趨近于0 Ω,S11參數值在整個頻段都小于-26 dB。可見,該乘法器電路實現了50 Ω的純電阻。

圖8 等效輸入阻抗仿真結果

圖9 優化仿真的反射系數

圖10 兩級運放乘法器電路實物圖

3 測試分析

為了驗證實際應用與仿真的差距,將匹配到50 Ω的電路進行了加工制版和焊接。圖10為兩級運放乘法器的實物圖,供電為±2.5 V的電源電壓,測試儀器采用羅德與施瓦茨的FSH4(100 kHz～3.6 GHz)便攜式頻譜儀。

圖11 兩級運放乘法器電路測試圖

圖11為等效電阻和等效電感串聯電路匹配的實測、仿真與未加匹配電路的對比圖,分別對比了S參數、等效輸入電阻和等效輸入電抗的結果。測試結果與仿真有一定的差距,S參數在整個頻段內都小于-11 dB;輸入電阻比輸入電抗大很多,負載如果是天線,說明能量能夠輻射出去;輸入電抗在低頻段幾乎與未匹配一致,在較高頻段內有所降低。造成這種差距的原因可能是頻率較低,忽略了器件連接線寬度對電路的影響。但是就整體而言,電路對天線的等效電路改善很大。

4 結束語

文章以電阻串聯電感的形式作為負載,分別加載了單級匹配電路和兩級匹配電路進行仿真分析,并對兩級運放匹配電路制作了實物進行測試,驗證了加載非福斯電路對感性天線的等效電路匹配有很大的改善作用,能夠拓寬天線的帶寬,對電小天線具有非常大的貢獻作用。但仿真與實測之間還存在很大的差距,后續的工作可在電路中加入去耦合電容、考慮加工制版的材料和厚度等方面去改善并做進一步地研究。

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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

A

1005-9490(2017)06-1437-04

任儀(1990-),男，漢族，安徽合肥人，2004年獲得安徽大學學士學位，2009年獲得電子科技大學博士學位。2009年于重慶金美通信有限責任公司任電磁兼容工程師，2011年加入重慶郵電大學，2014-2015年于美國杜克大學從事博士后研究。目前是重慶郵電大學副教授，碩士生導師，主要研究領域包括計算電磁學，電磁兼容，天線設計;

唐娟(1990-),女,漢族,重慶梁平人,重慶郵電大學,碩士研究生,主要研究方向為光電集成與射頻集成電路設計,tju133248@163.com。