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1、(10)申请公布号 CN 104242827 A (43)申请公布日 2014.12.24 CN 104242827 A (21)申请号 201410529203.X (22)申请日 2014.10.09 H03D 7/16(2006.01) (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市学府路 301 号 (72)发明人 解欢 闫述 (74)专利代理机构 江苏纵联律师事务所 32253 代理人 蔡栋 (54) 发明名称 一种方向回溯天线的相位共轭电路设计方法 (57) 摘要 本发明公开了一种方向回溯天线的相位共轭 电路设计方法， 通过利用晶体管线性混频器为射 频输入和本振信号提供。
2、混频， 利用平衡结构去除 混频结果中的同频干扰， 利用带通滤波器去除混 频结果中的高频干扰。本发明为无线传感器网络 方向回溯天线提供了高精度的相位共轭电路设计 方法， 使得设计出来的电路结构简单、 轻便， 可应 用于设计包括无线传感器网络在内的短距离无线 通信的相位共轭电路的设计。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104242827 A CN 104242827 A 1/2 页 2 1. 一种方向回溯天线的相位共轭电路设计方法， 。
3、其特征在于包括以下步骤 ： 步骤一， 用晶体管线性混频器为射频输入和本振信号提供混频 ； 步骤二， 用平衡结构去除混频结果中的同频干扰 ； 步骤三， 用带通滤波器去除混频结果中的高频干扰。 2. 根据权利要求 1 所述的一种方向回溯天线的相位共轭电路设计方法， 其特征在所述 步骤一具体过程如下 ： 过程一， 从晶体管栅极输入本振信号 vLO(t) VLOcos(LOt)， 以周期 T 2/LO 调 制漏 - 源沟道电导， 得到周期时变沟道电导波形的一般形式为 g0和 g1分别是以 LO为基频时电导波形的直流分量大小和一次谐波系数， gn和 n分 别是以 LO为基频时电导波形的 n 次谐波系数和。
4、相位， n 2 ； 过程二， 从晶体管源极输入射频信号 vRF(t) VRFcos(RFt+) 与 Gd(t) 作用产生 漏 - 源极间电流为 利用频率条件 LO 2RF， 漏 - 源极间电流为 (3) 式中 右边第二项 g1VRFcos(RFt-)/2 与输入信号频率相同、 初相位共轭， 即为希望获得的相位 共轭信号， 右边第一项是同频干扰项， 其他各项为高频干扰项。 3. 根据权利要求 1 所述的一种方向回溯天线的相位共轭电路设计方法， 其特征在所述 步骤二具体过程如下 ： 过 程 一，将 射 频 输 入 vRF(t) VRFcos(RFt+) 和 本 振 vLO(t) VLOcos(LO。
5、t) 分 别 功 率 分 配 成 两 个 等 功 率 的 差 分 信 号 ； vRF(t) 分 配 为 和vLO(t) 分配为和 过程二， 将vRF1(t)和vLO1(t)输入到一个晶体管线性混频器1， 得到混频电流iIF1(t) ； 将 vRF2(t) 和 vLO2(t) 输入到另一个晶体管线性混频器 2， 得到混频电流 iIF2(t) ； 过程三， 将 iIF1(t) 与 iIF2(t) 耦合， 输出为 iIF(t)， 即为已去除了同频干扰的信号， 包含 期望的相位共轭信号和高频干扰。 4. 根据权利要求 1 所述的一种方向回溯天线的相位共轭电路设计方法， 其特征在所述 步骤三的具体过程为。
6、 ： 在平衡结构的输出端连接一个中心频率为 RF的带通滤波器， 用以 权 利 要 求 书 CN 104242827 A 2 2/2 页 3 只通过信号中频率为 RF的成分， 从而得到去除高频干扰的频率为 RF的相位共轭信号。 权 利 要 求 书 CN 104242827 A 3 1/4 页 4 一种方向回溯天线的相位共轭电路设计方法 技术领域 0001 本发明属于电子电路领域， 具体涉及一种方向回溯天线的相位共轭电路技术。 背景技术 0002 在方向回溯天线相位共轭方案中， 需要较高精度的相位共轭电路。外差混频是构 造相位共轭电路常用的技术， 即将输入信号与两倍频的本振信号混频得到与输入信号频。
7、率 相同相位共轭的输出信号。在线性混频和非线性混频中 1,2， 线性混频的信号功率较小， 但无非线性混频因交调产生的相位误差， 只需去除同频干扰和高频干扰， 电路较为简单， 适 合在低功率的无线传感器网络中应用。本发明给出一种工作在 2.45Ghz 频率的相位共轭电 路， 利用场效应管的线性伏安特性通过四端口微带混合环实现混频， 平衡结构去除同频干 扰、 带通滤波去除高频干扰， 获得了较高的相位精度。 0003 方向回溯天线在无线传感器网络中有着良好的应用前景， 但是这种处于发展中的 新型天线还有许多需要解决的问题。不仅要解决天线阵列的组合， 还要为天线提供实现回 溯功能的前端电路。例如， 在。
8、相位共轭方案中， 要求有较高的相位精度， 解决混频中的同频 干扰、 功率分配与耦合等。 0004 对比文件 0005 1Miyamoto R Y,Qian Y,Itoh T.A reconfi gurable active retrodirective/ direct conversion receiver array for wireless sensor systemsC/Microwave Symposium Digest,2001 IEEE MTT-S International.IEEE,2001,2:1119-1122. 0006 2Miyamoto R Y,Qian Y,Itoh。
9、 T.A retrodirective array using balanced quasi-optical FET mixers with conversion gainC/IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.1999,2:655-658. 发明内容 0007 本发明的目的在于提供一种方向回溯天线的相位共轭电路设计方法， 以获得工作 在 2.45GHz、 具有较高相位精度、 简单轻便的相位共轭电路， 使适合于无线传感器网络方向 回溯天线中应用。 0008 为了解决以上技术问题， 本发明通过线性混频消除交调相位误差， 平衡结构。
10、抑制 同频干扰、 四端口混合环进行功率分配与耦合， 具体技术方案如下 ： 0009 一种方向回溯天线的相位共轭电路设计方法， 其特征在于包括以下步骤 ： 0010 步骤一， 用晶体管线性混频器为射频输入和本振信号提供混频 ； 0011 步骤二， 用平衡结构去除混频结果中的同频干扰 ； 0012 步骤三， 用带通滤波器去除混频结果中的高频干扰。 0013 所述步骤一具体过程如下 ： 0014 过程一， 从晶体管栅极输入本振信号 vLO(t) VLOcos(LOt)， 以周期 T 2/LO 调制漏 - 源沟道电导， 得到周期时变沟道电导波形的一般形式为 说 明 书 CN 104242827 A 4。
11、 2/4 页 5 0015 0016 g0和 g1分别是以 LO为基频时电导波形的直流分量大小和一次谐波系数， gn和 n分别是以 LO为基频时电导波形的 n 次谐波系数和相位， n 2 ； 0017 过程二， 从晶体管源极输入射频信号vRF(t)VRFcos(RFt+)与Gd(t)作用产生 漏 - 源极间电流为 0018 0019 利用频率条件 LO 2RF， 漏 - 源极间电流为 0020 0021 (3) 式中右边第二项 g1VRFcos(RFt-)/2 与输入信号频率相同、 初相位共轭， 即 为希望获得的相位共轭信号， 右边第一项是同频干扰项， 其他各项为高频干扰项。 0022 所述步。
12、骤二具体过程如下 ： 0023 过程一， 将射频输入 vRF(t) VRFcos(RFt+) 和本振 vLO(t) VLOcos(LOt) 分 别 功 率 分 配 成 两 个 等 功 率 的 差 分 信 号 ； vRF(t) 分 配 为 和vLO(t) 分配为和 0024 过程二， 将 vRF1(t) 和 vLO1(t) 输入到一个晶体管线性混频器 1， 得到混频电流 iIF1(t) ； 将 vRF2(t) 和 vLO2(t) 输入到另一个晶体管线性混频器 2， 得到混频电流 iIF2(t) ； 0025 过程三， 将 iIF1(t) 与 iIF2(t) 耦合， 输出为 iIF(t)， 即为已。
13、去除了同频干扰的信号， 包含期望的相位共轭信号和高频干扰。 0026 所述步骤三的具体过程为 ： 在平衡结构的输出端连接一个中心频率为 RF的带通 滤波器， 用以只通过信号中频率为RF的成分， 从而得到去除高频干扰的频率为RF的相位 共轭信号。 0027 本发明具有有益效果。1. 本发明通过使用外差混频方法， 使得设计出的相位共轭 电路无需依靠数字信号处理算法， 结构简单轻便， 从而为无线传感器网络方向回溯天线提 供了结构简单、 轻便的相位共轭电路 ； 2. 本发明通过使用晶体管线性混频器提供混频， 从 而提高了外差混频式相位共轭电路的相位精度， 为包括无线传感器网络在内的短距离无线 通信提供。
14、了高精度的相位共轭电路。 附图说明 0028 图 1 为本发明的场效应管 NE3512S02 线性混频器 ； 说 明 书 CN 104242827 A 5 3/4 页 6 0029 图 2 为本发明的平衡结构框图 ； 0030 图 3 为本发明的四端口微带混合环平面结构示意图 ； 0031 图 4 为本发明的四端口微带混合环示意图 ； 0032 图 5-1 为本发明的 f0 4.9GHz 的混合环插入损耗 ； 0033 图 5-2 为本发明的 f0 4.9GHz 的混合环相移 ； 0034 图 6-1 为本发明的 f0 2.45GHz 的混合环插入损耗 ； 0035 图 6-2 为本发明的 f。
15、0 2.45GHz 的混合环相移 ； 0036 图 7-1 为本发明用 LC 组成的六阶滤波器 ； 0037 图 7-2 为本发明用 LC 组成六阶滤波器的仿真结果 ； 0038 图 8 为本发明的合成后的 2.45GHz 相位共轭电路原理图。 具体实施方式 0039 工作频率 2.45 GHz 的相位共轭电路的设计过程。 0040 (1) 场效应管线性混频器。选用 N- 沟道异质结晶体管 NE3512S02， 栅极偏置范 围 -3 0 V， 其中 -3 -0.6 V 为夹断区， 区间内的沟道电导为零。选择夹断区外的 -0.3V 作为栅极直流偏置点， 此时无论本振功率如何沟道都能导通。图 1 。
16、是在实际应用中为场效 应管增加的一些元器件。其中栅极偏置电压在 -0.3V 由电阻 R1和 R2分压得到， 电感 L 和电 容 C 分别用于扼制高频和隔离直流， 电阻 R3为 LO 提供交流回路并促使 RF 功率经沟道流向 d 级。 0041 无线传感器网络节点提供了前置放大器与过压保护。 0042 (2) 平衡器。如图 2 所示去除混频中同频干扰的平衡结构， 用四端口微带混合环 进行功率分配和耦合， 平面结构如图 3 所示， 示意图如图 4 所示。输入到端口 4 的信号将在 端口 2 和端口 3 等分成两个有 180相位差的分量， 实现图 2 中的二等分功分与 180相 移 ； 若输入信号施。
17、加在端口 2 和端口 3， 在端口 1 将形成输入信号的和， 用来耦合信号。根 据频率条件 LO 2RF， 2.45GHz 的 vRF输入对应的本振 vLO频率为 4.9GHz， 所以电路中需 要 4.9GHz 混合环功分 vLO， 2.45GHz 混合环功分 vRF并耦合输出电流。 0043 混合环的材料为陶瓷基板， 相对介电常数 4.4、 厚度 0.8mm， 相对磁导率 1， 金属层 厚度 0.035mm， 金属电导率 5.88E+7, 介电损耗角正切 0.02。用 ADS 自带微带线计算工具 LineCalc 计算出中心频率 f0 4.9GHz 特征阻抗 Z0 50 的微带线宽 1.51。
18、6mm， 特征阻 抗的微带线宽 0.783mm， 相邻端口间距 8.711mm。在 4.9GHz 处 S(2,4) 与 S(3,4) 幅度 相同， 如图 5-1 所示， 相位相差 180， 如图 5-2 所示 ； 当 f0 2.45GHz 时， Z0 50 的微 带线宽 1.500mm， 特征阻抗的微带线宽 0.775mm， 相邻端口间距 17.425mm。在 2.45GHz 处 S(2,1) 与 S(3,1) 具有相等的幅度如图 6-1 所示， 相等的相位如图 6-2 所示 ； S(2,4) 与 S(3,4) 幅度相等如图 6-1 所示， 相位相差 180如图 6-2 所示。 0044 (3。
19、) 带通滤波器。滤除混频产生的高频干扰， 通过 2.45GHz 信号。用 LC 组成六阶 滤波器如图 7-1 所示， 仿真结果如图 7-2 所示， 通带范围 2.3 2.6GHz， 在带内插入损耗接 近 0dB。 0045 (4) 将以上几个模块合成完整的相位共轭电路， 图 8 是合成后的整体电路原理图。 说 明 书 CN 104242827 A 6 4/4 页 7 图中除包含 (1) 场效应管线性混频器， (2) 中 4.9GHz 混合环与 2.45GHz 混合环， (3) 带通滤 波器外， 还添加了其他器件。 添加的C1、 L1构成一个匹配电路， C2、 L2构成另一个匹配电路 ； TL1。
20、 是一段长为 16.122mm 宽为 1.503mm 的微带线， TL2 是一段长为 50.931mm 宽为 1.503mm 的微带线 ； vLO是频率为 4.9GHz 的本振， 内阻为 R1 ； vRF是频率为 2.45GHz 的输入信号源， 内 阻为 R8 ； R9 是输出负载。在 ADS 中对整体电路仿真， 当输入 vRF的幅度取 0.01V， 相位分别 取10、 50、 90、 130、 170时， 负载上输出电流相位分别为-9.71、 -50.29、 -90.4 4、 -129.70、 -169.41， 平均误差 0.38。 说 明 书 CN 104242827 A 7 1/3 页 8 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104242827 A 8 2/3 页 9 图 5-1图 5-2 图 6-1 图 6-2 图 7-1 图 7-2 说 明 书 附 图 CN 104242827 A 9 3/3 页 10 图 8 说 明 书 附 图 CN 104242827 A 10 。