利用非福斯特電路的高頻頻率響應進行寬帶阻抗匹配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用非福斯特電路的高頻頻率響應進行寬帶阻抗匹配方法。將電小尺寸天線與非福斯特模塊相連接，利用非福斯特模塊頻率響應諧振點右側的負電抗特性，補償電小尺寸天線的高頻電抗，達到高頻處寬帶阻抗匹配的目的。傳統(tǒng)非福斯特模塊應用于電小尺寸天線中時，只能利用低頻響應進行電抗補償，具有無法在高頻實現(xiàn)寬帶阻抗匹配的缺陷。本發(fā)明可以利用非福斯特模塊頻率響應諧振點右側的負電抗區(qū)域來實現(xiàn)電小尺寸天線的電抗補償，進而達到高頻處寬帶匹配。
【專利說明】利用非福斯特電路的高頻頻率響應進行寬帶阻抗匹配方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用非福斯特(Non-Foster)電路高頻頻率響應進行寬帶阻抗匹配的方法。
【背景技術】
[0002]隨著調頻、擴頻等先進通信技術的廣泛應用，大規(guī)模集成電路與空間技術的發(fā)展和電子器件的體積日趨小型化，對通信設備的小型化和系統(tǒng)帶寬也提出了更高的要求。天線作為通信設備中的關鍵部件，是電磁能量由設備到空間的轉換器，其性能好壞直接影響到設備的工作質量，因此對天線的小型化和帶寬研究一直以來都是該領域內的研究熱點。
[0003]近年來，對非福斯特器件的研究結果表明:在微波領域內，該器件可以應用于小天線或超材料中，抵消其高電抗，達到阻抗匹配，增加帶寬的效果。目前許多應用受到負阻抗變換電路的帶寬限制，只能實現(xiàn)500MHz以內的非福斯特器件。大部分的研究人員都致力于該頻段頻率特性的使用，難以突破頻率瓶頸。隨著頻率要求的提高，對這種電路的頻響特性的要求也會進一步提高，因此，進一步研究非福斯特器件頻率特性對于天線的小型化，對提高天線的工作性能具有重要意義。

【發(fā)明內容】

[0004]為了進一步研究非福斯特器件頻率特性對于天線的小型化，本發(fā)明的目的在于提供一種利用非福斯特電路的高頻頻率響應進行寬帶阻抗匹配方法，對提高天線的工作性能具有重要意義。
[0005]本發(fā)明采用的技術方案是:
將電小尺寸天線與非福斯特模塊相連接，利用非福斯特模塊頻率響應諧振點右側的負電抗特性，補償電小尺寸天線的高頻電抗，達到高頻處寬帶阻抗匹配的目的。
[0006]所述的電小尺寸天線的高頻電抗補償方法為:電小尺寸天線的阻抗等效成電容，高頻處，電小尺寸天線的電抗曲線與非福斯模塊頻率響應的頻響諧振點右側的負電抗曲線疊加，使得總電抗值為零，實現(xiàn)高頻處的寬帶匹配。
[0007]本發(fā)明具有的有益效果是:
傳統(tǒng)非福斯特模塊應用于電小尺寸天線中時，只能利用低頻響應進行電抗補償，具有無法在高頻實現(xiàn)寬帶阻抗匹配的缺陷。本發(fā)明可以利用非福斯特模塊頻率響應諧振點右側的負電抗區(qū)域來實現(xiàn)電小尺寸天線的電抗補償，進而達到高頻處寬帶匹配。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明中非福斯特電路的頻率特性曲線。
[0009]圖2是非福斯特電路模塊的原理圖。
[0010]圖3是非福斯特模塊與電小尺寸天線的連接框圖。
[0011]圖4是傳統(tǒng)非福斯特電路色散補償?shù)幕驹韴D。[0012]圖5本發(fā)明中非福斯特電路在高頻進行色散補償?shù)幕驹韴D。
[0013]圖中:1、本發(fā)明中非福斯特電路阻抗的電阻特性曲線，2、本發(fā)明中非福斯特電路阻抗的電抗特性曲線，3、傳統(tǒng)非福斯特電路的頻率色散研究范圍，4、本發(fā)明的非福斯特電路的頻率色散研究范圍，5、頻響諧振點，6、非福斯特模塊，7、電小尺寸天線，8、理想負電容的電抗色散曲線，9、理想正電容的電抗色散曲線，10、本發(fā)明中電抗色散補償區(qū)域。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0015]如圖3、圖5所示，本發(fā)明將電小尺寸天線7與非福斯特模塊6相連接，利用非福斯特模塊頻率響應的頻響諧振點5右側的負電抗特性,補償電小尺寸天線7的高頻電抗,達到高頻處寬帶阻抗匹配的目的。
[0016]所述的電小尺寸天線7的高頻電抗補償方法為:電小尺寸天線7的阻抗等效成電容，高頻處，電小尺寸天線7的電抗曲線與非福斯模塊頻率響應諧振點右側的負電抗曲線疊加，使得總電抗值為零，實現(xiàn)高頻處的寬帶匹配。
[0017]福斯特理論即對于一個無源無耗的一端口網絡，其輸入電抗和輸入電納的對頻率的斜率總是正的，然而違背福斯特理論的導抗也是可以利用特殊的有源網絡來實現(xiàn)的。該有源網絡的導抗的虛部隨頻率遞減，即表現(xiàn)為負電感和負電容。
[0018]在實際應用中，普通電感和電容在低頻段可以被認為是理想的電感和電容，但是隨著頻率的增加，由于寄生參數(shù)影響的增大，電阻和電抗部分的斜率開始變化，同時伴隨有諧振點的出現(xiàn)。由因果系統(tǒng)的理論可知:任何物理可實現(xiàn)的線性時不變的因果穩(wěn)定收斂網絡，無論是否滿足福斯特理論，其頻率響應的實部和虛部均滿足克拉莫-克若尼關系式。一個有耗網絡的阻抗在全頻段內是隨頻率而變化的，那么也可以稱該網絡為色散的。任何一個實際的RLC網絡，當其電抗或電納變?yōu)榱愕臅r候，都可以觀察到由電路元器件或電路中的寄生參數(shù)引起的洛倫茲諧振，而一個非福斯特器件的阻抗頻響則與普通RLC網絡相反，全頻段可觀察到逆洛倫茲諧振，即阻抗的電阻和電抗與普通的阻抗的色散曲線是相反的。非福斯特電路可采用晶體管或者運算放大器來實現(xiàn)。該種電路可以將輸入的電壓反相輸出，而與輸入電流保持同相，使得到的阻抗為負。
[0019]本發(fā)明利用運算放大器AD8009來實現(xiàn)非福斯特模塊，測量得到的圖1為本發(fā)明中非福斯特電路的頻率特性曲線，其全頻段滿足逆洛倫茲特性。I為本發(fā)明中非福斯特電路阻抗的電阻特性曲線，2為本發(fā)明中非福斯特電路阻抗的電抗特性曲線。圖1中該頻率特性曲線分為傳統(tǒng)非福斯特電路的頻率色散研究范圍3和本發(fā)明的非福斯特電路的頻率色散研究范圍4兩個部分。傳統(tǒng)非福斯特電路的頻率色散研究范圍3，該范圍的電抗部分表現(xiàn)為負電感性質。本發(fā)明的非福斯特電路的頻率色散研究范圍4，該范圍的電抗部分表現(xiàn)為負電容性質。在傳統(tǒng)的福斯特電路應用中，頻響諧振點5左側的傳統(tǒng)非福斯特電路的頻率色散研究范圍3的負電感已經應用于阻抗抵消中，而本發(fā)明則應用頻響諧振點5右側的本發(fā)明的非福斯特電路的頻率色散研究范圍4的負電容對電小尺寸天線等高電抗器件進行色散補償，從而彌補了傳統(tǒng)非福斯特電路在進行寬帶匹配時不能得到較高工作頻率的缺陷。所以頻響諧振點5右側區(qū)域的其電抗部分是本發(fā)明中重點研究和應用的部分，該部分的電抗特性可用于高頻段的寬帶匹配，相較于傳統(tǒng)的非福斯特電路的應用，在工作頻率范圍上有了較大的突破。
[0020]圖2所示為非福斯特電路模塊的原理圖，它主要由高頻運算放大器AD8009實現(xiàn)負阻抗變換電路，將電感L在傳統(tǒng)非福斯特電路的頻率色散研究范圍3內轉變?yōu)樨撾姼?，在本發(fā)明的非福斯特電路的頻率色散研究范圍4內轉變?yōu)樨撾娙?。將圖2的非福斯特電路模塊的原理圖在PCB板上實現(xiàn)，得到非福斯特模塊6。
[0021]圖3為非福斯特模塊與電小尺寸天線的連接框圖。如圖3中，將非福斯特模塊6和電小尺寸天線7相連接，該電小尺寸天線具有跟高的容抗，可以等效成電容，已知本發(fā)明的非福斯特電路的頻率色散研究范圍4的電抗部分可以實現(xiàn)在高頻處的負電容，這樣可以成功抵消電小尺寸天線在高頻的電抗，實現(xiàn)電小尺寸天線在高頻處的寬帶匹配，達到拓展帶寬的目的。
[0022]圖4為傳統(tǒng)非福斯特電路色散補償?shù)幕驹韴D。電小尺寸天線具有很高的電抗，其阻抗可以等效成電容，以下將用一個理想的電容的阻抗代替電小尺寸天線的阻抗進行分析。根據(jù)理想電容的電抗X=-1/(ω C)，ω為角頻率，C為電容值，理想正電容的電抗色散曲線9。相應的理想負電容的電抗Χ=_1/(ω (-C)), ω為角頻率，C為負電容值的絕對值，理想負電容的電抗色散曲線8。圖4所示，將理想正電容的電抗色散曲線9與理想負電容的電抗色散曲線8相疊加，總電抗為零，達到寬帶匹配的目的。然而理想的負電容是無法實現(xiàn)的，已經實現(xiàn)的負電容一般都工作在500MHz以內。在500MHz-lGHz范圍，可以利用發(fā)明的非福斯特電路的頻率色散研究范圍4進行高頻的電抗色散補償。
[0023]圖5為本發(fā)明中非福斯特電路在高頻進行色散補償?shù)幕驹韴D。9為理想正電容的電抗色散曲線，2為本發(fā)明中非福斯特電路阻抗的電抗特性曲線，頻響諧振點5右側的本發(fā)明中電抗色散補償區(qū)域10。本發(fā)明的非福斯特電路的頻率色散研究范圍4實現(xiàn)了負電容，那么本發(fā)明中電抗色散補償區(qū)域10內的電抗部分與理想正電容的電抗色散曲線9在高頻段疊加，在高頻段，使得總電抗為零，實現(xiàn)高頻處的寬帶匹配。
【權利要求】
1.一種利用非福斯特電路的高頻頻率響應進行寬帶阻抗匹配方法，其特征在于:將電小尺寸天線與非福斯特模塊相連接，利用非福斯特模塊頻率響應諧振點右側的負電抗特性，補償電小尺寸天線的高頻電抗，達到高頻處寬帶阻抗匹配的目的。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種利用非福斯特模塊的高頻頻率響應進行寬帶阻抗匹配方法，其特征在于:所述的電小尺寸天線的高頻電抗補償方法為:電小尺寸天線的阻抗等效成電容，高頻處，電小尺寸天線的電抗曲線與非福斯模塊頻率響應的頻響諧振點右側的負電抗曲線疊加，使得總電抗值為零，實現(xiàn)高頻處的寬帶匹配。
【文檔編號】H03H11/28GK103780224SQ201410006237
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權日:2014年1月7日
【發(fā)明者】楊婧茹, 冉立新 申請人:浙江大學