一种基于准环形器的反射放大装置的制作方法

1.本发明涉及一种基于准环形器的反射放大装置。


背景技术：

2.智能反射表面(irs)是用于提升无线通信网络性能的技术，其依靠集成在平面上的若干个天线和电路单元来放大并反射入射信号，从而协同地实现用于定向信号增强的三维无源波束形成，智能地重新配置无线传播环境，从而显著提高无线通信网络的性能，在当今和未来的无线网络通信系统中都有着广阔的应用前景。
3.随着近年来无线设备、服务和应用程序数量的快速增长，人们对高速无线通信的相应需求也迅速增长。第五代移动通信(5th generation，5g)网络已经可以实现1000倍网络容量的增加和1000亿设备的实时连接，这些功能的实现离不开超密集网络(ultra
‑
dense network，udn)、大规模多输入多输出(massive mimo)和毫米波通信(mmwave)等关键技术的支持。但这些新技术实现所需的高复杂度、硬件成本和较大能耗的关键问题仍未解决。因此，为将来的无线通信开发更灵活的硬件体系结构具有重要意义。irs由于其低功耗特性备受关注。
4.irs在硬件上主要分为两个部分：
①
平面天线阵列，用于接收和反射信号；
②
用于调整阵列单元反射系数的无源\有源元件及其控制电路，用来实现反射平面的可重构功能。现有的irs系统中，控制电路主要通过一些有源器件(pin二极管、场效应晶体管或微电子机械系统(mems)开关)控制电路中的谐振器，改变反射单元信号的幅度和相位，实现可重构的功能。传统无源irs增益主要来源于天线阵列，而控制电路仅用于对信号相位和幅度进行调节，这极大的限制了irs的应用范围。
5.反射放大的概念在上世纪被研究者们提出，其主要作用是结合环形器构成微波功率放大器，随着高频扼流圈rfid技术的诞生和发展，在本世纪初，该类放大器被用于无源高频扼流圈rfid系统的反向散射通信(bsc)中，对读写器发射信号进行反射放大，提升了高频扼流圈rfid系统反向链路的通信距离。反射放大器利用隧道二极管、晶体管等具有负阻效应的半导体器件，在合适的偏置电压下，使输入端口的输入阻抗z
l
具有负的电阻，从而获得端口的反射系数大于1。具有负阻放大的irs，使其能够反射放大入射信号，大幅提升自身反射能力，提高信号传输效率。负阻反射放大器具有结构紧凑、功耗低、增益高等优点，但由于其原理的特殊性，存在增益不稳定、噪声系数大、输出p1db低等缺点。注锁放大器也可用于作为反射放大器，如果振荡器的自由振荡频率十分接近与注入信号的频率，则被注入的振荡器输出信号频率将被迫与注入信号频率同步。注入锁定放大器能有效的放大注入信号，但是存在带宽窄、带宽内增益平旦度差、并且增益随输入射频信号功率变化而变化等不足等缺点。负阻式放大器和注入锁定放大器的这些缺点限制了在irs中的应用。
6.综上所述，采用传统irs需要配置大规模的被动反射单元以解决自身反射能力弱，路径损耗大等问题，导致电路成本，空间成本，以及能耗成本大幅提升。而基于负阻反射放大/注锁放大的irs由于增益平坦度低、噪声系数高等缺陷。为了降低irs的成本和噪声系
数，提高其增益平坦度，提出了一种基于准环形器的高增益反射放大装置。
7.应用于irs的负阻放大器结构如附图1所示，利用具有负阻特性的有源器件，在合适的偏置下使具有负阻效应的器件工作在其负阻区域，从而获得天线输入端口负载阻抗z
l
<0，知天线输入端口的反射系数为：
[0008][0009]
由此可知|γ|＞＞1，从而反射放大入射信号，大幅提升自身反射能力，提高信号传输效率。
[0010]
为了进一步提高系统的增益，可将放大器配置为注锁放大器，其原理与负阻反射放大器类似，不同的是注锁放大器电路在工作时会在一个频率自激振荡，当有信号输入时，振荡器的频率将被锁定到注入的信号频率上，振荡器就具有外部注入信号的频率稳定度。锁相过程可以认为注入信号模拟负载阻抗的变化，从而将只有振荡频率f0向注入信号的频率牵引，直到两个信号频率基本相等，对应的相位误差θ保持恒定为止。
[0011]
应用于irs的负阻放大器具有低功耗、结构紧凑等特点，但具有输入功率较低、且不同输入功率对应的增益差别大，即增益平坦度差、噪声系数大等缺点。注锁放大器存在带宽窄、带宽内增益平旦度差、并且增益随输入射频信号功率变化而变化等不足等缺点。


技术实现要素：

[0012]
本发明的目的在于解决无源irs反射增益低，和基于负阻式反射放大的irs增益平坦度差、噪声系数大等缺陷的不足，提供一种具有增益高、频带宽，带宽内增益平坦度好、噪声系数低、成本低、集成度高的反射放大装置，能有效的反射输入信号，提高irs的反射增益，极大地增强了反射信号的强度，从而提升无线通信的传输效率。
[0013]
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于准环形器的反射放大装置，其特征在于，包括准环形器、低噪声放大器和功率放大器；
[0014]
准环形器由3db正交耦合器构成，包括3个耦合器，每个耦合器具有4个端口；耦合器2的端口1分别与耦合器1的端口4和耦合器3的端口1相连，耦合器2的端口2分别连接耦合器1的端口3和耦合器3的端口2；耦合器1的端口2、耦合器2的端口4、耦合器3的端口3分别接50ω匹配负载；耦合器1的端口1、耦合器2的端口3、耦合器3的端口4分别作为准环形器的三个对外端口port1、port2和port3；
[0015]
端口port1与功率放大器一端相连，功率当放大器另一端连接低噪声放大器，低噪声放大器的另一端与端口port3相连，端口port2与天线相连。
[0016]
进一步地，所述天线输入信号经耦合器2的端口3输入，然后由耦合器2的端口1和端口2正交分配，并传递给耦合器3的端口1和端口2；耦合器3端口1和端口2的输入信号合成后经耦合器3的端口4输出，耦合器3端口4的输出信号经过低噪声放大器和功率放大器放大后传递给耦合1的端口1，耦合器1将输入信号正交分配后通过端口3和4分别传输给耦合器2的端口1和2，由耦合器2进行功率合成，合成后的信号经天线进行反射。
[0017]
进一步地，所述低噪声放大器包括直流偏置电路、输入匹配电路、输出匹配电路和两个晶体管bjt1和bjt2，直流偏置电路包括电阻r1、r2，高频扼流圈rfc1、rfc2、rfc3；输入匹配电路包括电感l1和电容c1，输出匹配电路包括电感l2和电容c2；
[0018]
晶体管bjt1的基极通过串联高频扼流圈rfc1和电阻r1与电源vcc相连，晶体管bjt2的基极通过串联高频扼流圈rfc2和电阻r2与电源vcc相连，晶体管bjt2的集电极通过高频扼流圈rfc3和电源vcc相连；
[0019]
晶体管bjt1的基极通过电容c1连接放大器输入端rfin，晶体管bjt1的集电极通过电容c
s
连接晶体管bjt2的基极，晶体管bjt1的集电极通过电感l
s
连接晶体管bjt2的发射极；晶体管bjt2的集电极通过电容c2连接放大器输出端rfout；bjt2的发射极通过电容cp接地；
[0020]
电容c1与放大器输入端rfin之间并联电感l1，电容c2与放大器输出端rfout之间并联电感l2，电感l1、l2和晶体管bjt1的发射极均接地。
[0021]
所述功率放大器包括直流偏置电路、输入匹配电路、输出匹配电路和晶体管bjt3；直流偏置电路包括电阻r3、r4，以及高频扼流圈rfc4、rfc5；输入匹配电路包括电感l3和电容c3，输出匹配电路包括电感l4和电容c4；
[0022]
晶体管bjt3的基极通过串联高频扼流圈rfc4和电阻r4与电源vcc相连，晶体管bjt3集电极通过高频扼流圈rfc5与电源vcc相连；晶体管bjt3的基极通过电容c3连接放大器输入端rfin，晶体管bjt3的集电极通过电容c4连接放大器输出端rfout；电容c3与放大器输入端rfin之间并联电感l3，电容c4与放大器输出端rfout之间并联电感l4，电感l3、l4和晶体管bjt3的发射极均接地。
[0023]
本发明的有益效果是：本发明提出了一种具有增益高、频带宽，带宽内增益平坦度好、噪声系数低、成本低、集成度高的反射放大装置，能有效的反射输入信号，提高irs的反射增益，极大地增强了反射信号的强度，从而提升无线通信的传输效率。方案实施简单，且可证明能实现高于为无主动式智能表面辅助的通信系统的传输效率，具有很强的应用价值。
附图说明
[0024]
图1为基于负阻放大器的反射放大装置结构图；
[0025]
图2为本发明的基于准环形器的反射放大装置的结构图；
[0026]
图3为本发明的准环形器结构框图；
[0027]
图4为本发明的准环形器ads仿真结果图；
[0028]
图5为本发明的lna原理图；
[0029]
图6为本发明的pa原理图；
[0030]
图7为本发明的lna、pa增益及噪声系数仿真结果；
[0031]
图8为本发明的测试原理图；
[0032]
图9为测试电路的增益及噪声系数仿真结果。
具体实施方式
[0033]
为了实现反射放大，本发明引入了环形器，常用的环形器有无源环形器、有源环形器。常规的无源环形器由磁化的铁氧体片、传输线和输入输出连接器组成，该环形器存在体积大，质量重、隔离度差、损耗大等不足，而常规的有源环形器存在功耗大、噪声系数大等不足。因此本发明设计的反射放大装置采用准环形器，具有体积小，重量轻、隔离度高、带宽宽和插入损耗小等优点，将准环形器应用于反射放大装置中，极大的提高了反射放大器的增
益。
[0034]
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
[0035]
如图2所示，本发明的一种基于准环形器的反射放大装置，包括准环形器、低噪声放大器和功率放大器；
[0036]
准环形器由3db正交耦合器构成，包括3个耦合器，每个耦合器具有4个端口；耦合器2的端口1分别与耦合器1的端口4和耦合器3的端口1相连，耦合器2的端口2分别连接耦合器1的端口3和耦合器3的端口2；耦合器1的端口2、耦合器2的端口4、耦合器3的端口3分别接50ω匹配负载；耦合器1的端口1、耦合器2的端口3、耦合器3的端口4分别作为准环形器的三个对外端口port1、port2和port3，准环形器结构如图3所示；
[0037]
端口port1与功率放大器(pa)一端相连，功率当放大器另一端连接低噪声放大器(pna)，低噪声放大器的另一端与端口port3相连，端口port2与天线相连，功率放大器(pa)和低噪声放大器(pna)还分别与电源vcc相连。
[0038]
本发明提出的基于转换器的放大装置由准环形器和放大器构成，准环形器如图3所示，由3db正交耦合器构成，该准环形器具有尺寸紧凑，隔离度高等特点。3db正交耦合器的4个端口的输入输出特性如表1所示。
[0039]
表1正交耦合器端口输入输出特性表
[0040]
配置状态端口1端口2端口3端口4分配输入隔离
‑
3db∠θ
‑
90
°‑
3db∠θ分配隔离输入
‑
3db∠θ
‑
3db∠θ
‑
90
°
合成a∠θ
‑
90
°
a∠θ隔离输出合成a∠θa∠θ
‑
90
°
输出隔离
[0041]
由图3可知，构成的准环形器有3个端口，分别为port1、port2和port3，该准环形器工作原理为：耦合器1的port1(tx)输入信号分配到耦合器1的端口3和端口4，端口3和端口4输出信号幅度相等，相位相差90
°
；两路信号输入耦合器2的端口1和端口2，从而实现功率合成；与此相反，进入耦合器3的信号在port3(rx)实现功率对消而隔离，该准环形器可实现信号port1
‑
port2、port2
‑
port3的正向传输特性和port1
‑
port3的反向隔离。耦合器的每个端口在理想匹配时，准环形器的正向传输插入损耗为s
21
＝
‑
4db、s
32
＝
‑
4db，而port1和port3之间可实现较高的隔离。在advanced design system(ads)仿真软件中，以适用于3.5g频段的正交耦合器x4c35j1
‑
03g(anaren公司生产)为例，根据图3的结构框图构建了仿真电路，得到各个端口s参数仿真结果如图4所示，图中横坐标表示频率，纵坐标表示3个端口之间传输特性，即s参数。由图4可知在3
‑
4ghz频带内，正向传输的插损s
21
与s
32
的仿真结果为
‑
4.1db，与理论计算值近似，port1与port3的隔离度s
31
>
‑
40db(f0＝3.5ghz、bw＝200mhz)。
[0042]
所述天线输入信号经耦合器2的端口3输入，然后由耦合器2的端口1和端口2正交分配，并传递给耦合器3的端口1和端口2；耦合器3端口1和端口2的输入信号合成后经耦合器3的端口4输出，耦合器3端口4的输出信号经过低噪声放大器和功率放大器放大后传递给耦合1的端口1，耦合器1将输入信号正交分配后通过端口3和4分别传输给耦合器2的端口1和2，由耦合器2进行功率合成，合成后的信号经天线进行反射，从而有效的放大了输入信号，增加了反射信号的强度，增加了传输效率。
[0043]
本发明采用lna和pa结合，极大的降低了基于准环形器的高增益放大装置的噪声
系数，系统链路噪声系数计算公式：
[0044][0045]
f1、f2、
…
、f
n
分别表示系统第1、2、
…
、n级噪声系数，g1·
g2…
g
n
分别表示系统第1、2、
…
、n级信号增益；
[0046]
由系统链路噪声计算公式可知，由于该系统port2
→
port3的增益为插入损耗(s
32
)，即g1<1，为了获得低噪声系数，引入了一个低噪声放大器，从而有效降低了该反射放大装置的噪声系数。
[0047]
假设lna的增益为g
lna
，pa的增益为g
pa
，则本发明提出的基于准环形器的反射放大装置可获得的反射放大增益为g：
[0048]
g＝g
lna
g
pa
‑
|s
21
|
‑
|s
32
|＝g
lna
g
pa
‑
8(db)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0049]
为保证系统的稳定性，lna、pa的总增益需要满足：
[0050]
g
lna
g
pa
＜|s
31
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0051]
为了防止放大器和环形器构成的闭合回路振荡，本发明采用高隔离度的准环形器，即确保了该反射放大装置的增益，也防止了放大器因为增益高而产生自激振荡。由图4可知s
31
在中心频率f0＝3.5ghz，带宽bw＝200mhz的频带内的隔离度s
31
>
‑
40db。
[0052]
如图5所示，所述低噪声放大器采用两级放大，包括直流偏置电路、输入匹配电路、输出匹配电路和两个晶体管bjt1和bjt2，直流偏置电路包括电阻r1、r2，高频扼流圈rfc1、rfc2、rfc3；输入匹配电路包括电感l1和电容c1，输出匹配电路包括电感l2和电容c2；
[0053]
晶体管bjt1的基极通过串联高频扼流圈rfc1和电阻r1与电源vcc相连，晶体管bjt2的基极通过串联高频扼流圈rfc2和电阻r2与电源vcc相连，晶体管bjt2的集电极通过高频扼流圈rfc3和电源vcc相连；
[0054]
晶体管bjt1的基极通过电容c1连接放大器输入端rfin，晶体管bjt1的集电极通过电容c
s
连接晶体管bjt2的基极，晶体管bjt1的集电极通过电感l
s
连接晶体管bjt2的发射极；晶体管bjt2的集电极通过电容c2连接放大器输出端rfout；bjt2的发射极通过电容cp接地；
[0055]
电容c1与放大器输入端rfin之间并联电感l1，电容c2与放大器输出端rfout之间并联电感l2，电感l1、l2和晶体管bjt1的发射极均接地。
[0056]
该结构可使lna功耗低，噪声系数小。
[0057]
如图6所示，所述功率放大器包括直流偏置电路、输入匹配电路、输出匹配电路和晶体管bjt3；直流偏置电路包括电阻r3、r4，以及高频扼流圈rfc4、rfc5；输入匹配电路包括电感l3和电容c3，输出匹配电路包括电感l4和电容c4；
[0058]
晶体管bjt3的基极通过串联高频扼流圈rfc4和电阻r4与电源vcc相连，晶体管bjt3集电极通过高频扼流圈rfc5与电源vcc相连；晶体管bjt3的基极通过电容c3连接放大器输入端rfin，晶体管bjt3的集电极通过电容c4连接放大器输出端rfout；电容c3与放大器输入端rfin之间并联电感l3，电容c4与放大器输出端rfout之间并联电感l4，电感l3、l4和晶体管bjt3的发射极均接地。
[0059]
根据lna和pa电路仿真获得lna和pa的增益和噪声系数仿真结果如图7所示，其中，(a)为lna增益及噪声系数仿真结果，(b)为pa增益及噪声系数仿真结果，图中，横坐标为频率frequency，纵坐标为增益gain及噪声系数nf。由图7可知：lna在中心频率f0＝3.5ghz，带
宽bw＝200mhz的频带内增益g1>17db，噪声系数nf1<2.5db，pa增益g2>15db，nf2<3db，总增益满足式(3)的稳定条件。
[0060]
基于准环形器的反射放大装置系统仿真电路如图8所示，由环形器、基于准环形器的反射放大装置构成。增益及噪声系数仿真结果如图9所示。通过仿真可知，该反射放大装置在中心频率f0＝3.5ghz，带宽bw＝200mhz的频带内增益g>22db，系统噪声系数nf<5.5db。
[0061]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。