有源微帶天線的研究

本研究主要完成了一種新穎的放大器型極化捷變有源微帶天線陣的理論與實(shí)驗(yàn)。其創(chuàng)意是，只要在饋電端電控單一有源電路，就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)微帶天線面陣極化的捷變與放大。為此，首先對多種微帶天線單元進(jìn)行了全波分析，并提出一種新的雙極化設(shè)計(jì)—對方形貼片作雙端角饋。進(jìn)而研制了多副雙極化角饋方形貼片陣，并提出一種新分析方法—EMNM（擴(kuò)展多端網(wǎng)絡(luò)法）。然后提出了切實(shí)可行的有源電路設(shè)計(jì)，它由可控移相器和低噪聲放大器組成，用TOUCHSTONE作系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。研制了PIN管和FET兩種電控移相器與二副HEMT低噪聲放大器。有源電路與雙極化陣相接后實(shí)現(xiàn)了由線極化到圓極化的捷變，實(shí)測軸向軸比為0.5dB;與無源陣相比，實(shí)測天線增益提高了14dB,這意味著，該有源陣的面積只是同樣增益無源陣的1/25。這些技術(shù)對通信、雷達(dá)和電子對抗等都有其應(yīng)用前景。已在國內(nèi)外發(fā)表錄用19篇論文，待發(fā)表3篇，博士、碩士論文共三本。預(yù)計(jì)被EI等引用10篇，并有美國公司來函聯(lián)系生產(chǎn)。

利用恒流源代替放大電路中的負(fù)載，就構(gòu)成有源負(fù)載放大電路。這種放大電路不僅單級電路電壓放大倍數(shù)高，還可以改善放大電路的其他性能。因此，這種有源負(fù)載放大電路已成為模擬集成電路設(shè)計(jì)特色之一。

有源負(fù)載共射放大電路的基本形式。T是共射放大級，PNP型管T1 、T2及電阻組成恒流源電路。此時(shí)，放大電路的負(fù)載為有源器件T2，故稱為有源負(fù)載放大電路。

由于 為恒流源輸出電阻ro與負(fù)載電阻RL的并聯(lián)值，只要RL足夠大，這種電路的電壓放大倍數(shù)可高達(dá)幾千倍。而且放大倍數(shù)與負(fù)載兩端直流壓降（或Ic）無關(guān)。

帶恒流源負(fù)載的差動(dòng)放大電路。T1 、T2組成帶恒流源的差動(dòng)放大電路，T3、T4 組成鏡像恒流源電路，作為差動(dòng)放大電路的有源負(fù)載。這種差動(dòng)放大電路不僅電壓放大倍數(shù)大，而且共模輸入電壓范圍也大。

當(dāng)uid輸入時(shí)，T1 管集電極電流為IC1，T2 管集電極電流為 - IC2，且- IC2 = IC1 ；當(dāng)T1管集電極電流增加的同時(shí)，T3 管電流必然也增加，且IC1 = IC3；由于IC3與IC4 為鏡像關(guān)系，即IC3= IC4，這樣流過負(fù)載的電流

IL = IC4 - IC2 = IC3- IC2= IC1- IC2 = 2 IC1；即負(fù)載中得到的是單端輸出信號電流的兩倍，也就是等于雙端輸出時(shí)的信號電流。這表明恒流源負(fù)載差動(dòng)放大電路還能在不降低放大倍數(shù)和共模抑制比的前提下，將雙端輸出變?yōu)閱味溯敵?，?shí)現(xiàn)單端化。

有源濾波一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1．熟悉ispPAC80可編程模擬器件的結(jié)構(gòu)、功能。

2．掌握可編程模擬器件設(shè)計(jì)有源濾波器的方法。

3．學(xué)會(huì)使用PAC-Designer軟件進(jìn)行有源濾波器的設(shè)計(jì)。

4．學(xué)會(huì)有源濾波器的幅頻、相頻特性曲線的測試方法。

有源濾波二.實(shí)驗(yàn)原理

（一）設(shè)計(jì)原理

濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時(shí)抑制（或衰減）無用頻率信號的電子電路或裝置。在工程上，常用它來進(jìn)行信號處理，數(shù)據(jù)傳送或抑制干擾等。以往濾波器主要采用無源元件R、L、和C組成，目前一般用集成運(yùn)放、R、C組成，常稱為有源濾波器。

在一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)中，有時(shí)輸入信號往往受干擾等原因而含有一些不必要的成分，應(yīng)當(dāng)把它衰減到足夠小的程度。而在另一些場合，有時(shí)我們需要的信號和別的信號混在一起，應(yīng)當(dāng) 設(shè)法把我們需要的信號挑出來。要解決這些問題都需要采用有源濾波器。

用在系統(tǒng)可編程模擬器件實(shí)現(xiàn)有源濾波器的設(shè)計(jì)非常方便。通常用三個(gè)運(yùn)算放大器就可以實(shí)現(xiàn)雙二階型函數(shù)的電路。而雙二階型函數(shù)能實(shí)現(xiàn)所有的濾波器函數(shù)，如低通、高通、帶通、帶阻。雙二階函數(shù)的表達(dá)式如3-17-1所示，式中m=1或0，n=1或0。

3-17-1

這種電路的靈敏度相當(dāng)?shù)?，電路容易調(diào)整。另一個(gè)顯著特點(diǎn)是只需增加少量的元件就能實(shí)現(xiàn)各種濾波函數(shù)。3.16節(jié)可知ispPAC10、ispPAC20器件結(jié)構(gòu)與功能，實(shí)現(xiàn)這樣的電路很容易。首先討論低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)如3-17-2式。

3-17-2

3-17-3

3-17-4

3-17-4式可寫成3-17-5式形式

b=k1k2 3-17-5

3-17-1為雙二階有源濾波器方框圖。

不難看出方框圖中的函數(shù)可以分別用反相器電路、積分電路、有損積分電路來實(shí)現(xiàn)。把各個(gè)運(yùn)算放大器電路代入3-17-1的方框圖即可得到3-17-2電路。

然而現(xiàn)在已不再需要電阻、電容、運(yùn)放搭電路了，調(diào)試電路了。利用在系統(tǒng)可編程器件可以很方便的實(shí)現(xiàn)此電路。ispPAC10能夠?qū)崿F(xiàn)方框圖中的每一個(gè)功能塊。PAC塊可以對兩個(gè)信號進(jìn)行求和或求差，K為可編程增益，電路中把K11、K12、K22設(shè)置成 1，把K12設(shè)置成-1。因此三運(yùn)放的雙二階型函數(shù)的電路用兩PAC塊就可以實(shí)現(xiàn)。在開發(fā)軟件中使用原理圖輸入方式，把兩個(gè)PAC塊連接起來。

電路的CF是反饋電容值，Re是輸入運(yùn)放的等效電阻。其值為250kΩ。兩個(gè)PAC塊是輸出分別為Vo1和Vo2。可以分別得到兩個(gè)表達(dá)式，3-17-6表達(dá)式為帶通函數(shù)、

3-17-6

3-17-7表達(dá)式為低通函數(shù)

3-17-7

實(shí)際利用ispPAC進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)時(shí)，一般在其開發(fā)軟件PAC-Designer中含有一個(gè)宏，專門用于濾波器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者只要根據(jù)所要求選擇不同類型，不同性能指標(biāo)的濾波器配置電路，不需要自己連接電路，只要輸入濾波器的相應(yīng)指標(biāo)。如fo、Q等參數(shù)，即可自動(dòng)產(chǎn)生濾波器電路。例如：用ispPAC10或ispPAC20設(shè)計(jì)時(shí)，需要在自動(dòng)生產(chǎn)的濾波器電路里設(shè)置相應(yīng)的增益和電容值。然后用模擬器模擬出所設(shè)計(jì)濾波器的幅頻和相頻特性。并與現(xiàn)實(shí)進(jìn)行較，是否符合技術(shù)要求。

例如：根據(jù)3-17-6和3-17-7給出的方程，輸入相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，便可以在PAC Designer軟件中濾波器設(shè)計(jì)的宏里自動(dòng)產(chǎn)生雙二階濾波器電路，增益和相應(yīng)電容值根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。開發(fā)軟件中還有一個(gè)模擬器，用于模擬濾波器的幅頻和相頻特性。

（二）.ispPAC器件設(shè)計(jì)有源濾波器舉例

ispPAC80是lattice公司繼ispPAC10和ispPAC20后推出的一種專門用來實(shí)現(xiàn)高性能連續(xù)時(shí)間低通濾波器的模擬可編程器件。該器件內(nèi)部包含了儀表放大器增益級，內(nèi)核是一個(gè)五階濾波器，其軟件設(shè)計(jì)方法與ispPAC10、ispPAC20稍有不同。

每一片ispPAC80器件可以同時(shí)存儲(chǔ)兩組不同參數(shù)的五階濾波器配置（cfgA和cfgB）,在進(jìn)行設(shè)計(jì)前其默認(rèn)值是空的（cfgA.unknown,cfgB.unknown）。ispPAC80軟件庫中含有八千多種不同類型和參數(shù)的五階濾波器庫，設(shè)計(jì)者可以調(diào)用該庫從而方便地完成設(shè)計(jì)。例如：先設(shè)計(jì)第一個(gè)配置(cfgA)：雙擊cfA unkown所在的矩形框，產(chǎn)生五階濾波器庫。

該庫中含有各種不同類型的濾波器，如薩頓斯濾波器(Satons)、巴塞爾濾波器（Bessel）、線性濾波器、高斯濾波器（Gaussian），巴特沃斯濾波器（Butterworth）、橢圓濾波器等，每種類型的濾波器根據(jù)其參數(shù)值的不同，又分為不同的具體型號，共8244種。設(shè)計(jì)者只需要具備關(guān)于濾波器技術(shù)指標(biāo)等知識，如通帶頻率、止帶頻率、止帶衰減，相位線性度，群延時(shí)等。設(shè)計(jì)者根據(jù)所需要的設(shè)計(jì)的目標(biāo)濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫里挑選出與目標(biāo)技術(shù)指標(biāo)比較接近（相差不會(huì)超過3.0﹪）的組構(gòu)方案。比如根據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求選定一種濾波器，如第4001種（ID號為4000）的橢圓濾波器，雙擊該ID號，將該種濾波器拷貝進(jìn)ispPAC80的第一組配置ConfigurationA中。

雙擊輸入使用運(yùn)放IA圖形，可以調(diào)整輸入增益倍數(shù)（1.2.5或10）。同樣，雙擊wakeup=cfgA的梯形圖標(biāo)，可以設(shè)置激活配置cfgA或cfgB。在上述設(shè)計(jì)輸入完畢后，軟件就可自動(dòng)完成對濾波器的電路進(jìn)行連接與參數(shù)配置。設(shè)計(jì)輸入完畢后，按Tool=Run Simulator菜單，可對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，方法與3.16節(jié)相同。若仿真結(jié)果仍與設(shè)計(jì)要求有所偏差，則還可以調(diào)整3-17-8中濾波器的參數(shù)C1、C2、C3、C4、L2、L4和C5（雙擊該處即可進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)整狀態(tài)）。

（二）spPAC80的特性曲線如3-17-10所示，供設(shè)計(jì)參考

有源濾波三、設(shè)計(jì)任務(wù)

1. 低通五階濾波器增益為1，轉(zhuǎn)折頻率為10kHz，通帶內(nèi)允許最大波動(dòng)為±1dB。

2. 設(shè)計(jì)一雙二階有源濾波器，要求實(shí)現(xiàn)低通、帶通、高通輸出。帶通中心頻率fo為10kHz，低通、高通轉(zhuǎn)折頻率均為10kHz，增益為2。

有源濾波四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

1．畫出所設(shè)計(jì)有源濾波器原理圖

2．用PAC-Designer軟件根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出濾波器，打印出仿真曲線，并把設(shè)計(jì)好的濾波器下載到相應(yīng)的芯片里。

3. 在實(shí)驗(yàn)儀器對芯片進(jìn)行測試，芯片里的濾波器性能指標(biāo)是否符合要求。

五.實(shí)驗(yàn)儀器及器件

所用儀器同3.16

ispPAC20、ispPAC10、ispPAC80適配板各一塊。

有源濾波器

70年代初期，日本學(xué)者就提出了有源濾波器APF(Active Power Filter)的概念，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。

與無源濾波器相比，AFP具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn);濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn);具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。

編輯

利用恒流源代替放大電路中的負(fù)載，就構(gòu)成有源負(fù)載放大電路。這種放大電路不僅單級電路電壓放大倍數(shù)高，還可以改善放大電路的其他性能。因此，這種有源負(fù)載放大電路已成為模擬集成電路設(shè)計(jì)特色之一。

T是共射放大級，PNP型管T1 、T2及電阻組成恒流源電路。此時(shí)，放大電路的負(fù)載為有源器件T2，故稱為有源負(fù)載放大電路。

由于 為恒流源輸出電阻ro與負(fù)載電阻RL的并聯(lián)值，只要RL足夠大，這種電路的電壓放大倍數(shù)可高達(dá)幾千倍。而且放大倍數(shù)與負(fù)載兩端直流壓降（或Ic）無關(guān)。

T1 、T2組成帶恒流源的差動(dòng)放大電路，T3、T4 組成鏡像恒流源電路，作為差動(dòng)放大電路的有源負(fù)載。這種差動(dòng)放大電路不僅電壓放大倍數(shù)大，而且共模輸入電壓范圍也大。

當(dāng)uid輸入時(shí)，T1 管集電極電流為IC1，T2 管集電極電流為 - IC2，且- IC2 = IC1 ；當(dāng)T1管集電極電流增加的同時(shí)，T3 管電流必然也增加，且IC1 = IC3；由于IC3與IC4 為鏡像關(guān)系，即IC3= IC4，這樣流過負(fù)載的電流

IL = IC4 - IC2 = IC3- IC2= IC1- IC2 = 2 IC1；即負(fù)載中得到的是單端輸出信號電流的兩倍，也就是等于雙端輸出時(shí)的信號電流。這表明恒流源負(fù)載差動(dòng)放大電路還能在不降低放大倍數(shù)和共模抑制比的前提下，將雙端輸出變?yōu)閱味溯敵?，?shí)現(xiàn)單端化。