一种基于复数阻抗匹配的零反射网络
阅读说明：本技术 一种基于复数阻抗匹配的零反射网络 (Zero-reflection network based on complex impedance matching ) 是由 毕晓君 曹子兰 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于复数阻抗匹配的零反射网络,其输入为复数阻抗且输出为标准50欧姆端口阻抗,零反射网络包括：N级依次串联连接的匹配电路,以及与N级匹配电路并联连接的阻性元件；匹配电路用于将输入的复数阻抗在通带内变换至端口阻抗与阻性元件的并联阻抗值,在阻带变换至趋于无穷大；阻性元件用于将带外产生的无穷大阻抗进一步变换至匹配状态且将吸收的反射信号耗散,从而实现了输出端口在全频段内均无反射信号；其中,N表示匹配电路的个数,取值为大于等于1的正整数。本发明通过复用带内匹配网络中最后一级的电容器件作为阻抗变换器,首次实现了复数阻抗输入的零反射网络,在全频段内均满足阻抗匹配条件,消除了输出端口的反射信号。(The invention discloses a zero reflection network based on complex impedance matching, the input of which is complex impedance and the output of which is standard 50 ohm port impedance, the zero reflection network comprises: the N stages of matching circuits are sequentially connected in series, and the resistive element is connected with the N stages of matching circuits in parallel; the matching circuit is used for converting the input complex impedance into a parallel impedance value of the port impedance and the resistive element in a pass band and converting the parallel impedance value into a value approaching infinity in a stop band; the resistive element is used for further transforming infinite impedance generated outside the band to a matching state and dissipating absorbed reflected signals, so that no reflected signal exists in the output port in a full frequency band; wherein, N represents the number of the matching circuits, and the value is a positive integer greater than or equal to 1. The invention uses the last stage capacitor device in the multiplex in-band matching network as the impedance converter, realizes the zero reflection network of complex impedance input for the first time, satisfies the impedance matching condition in the full frequency band, and eliminates the reflected signal of the output port.)
技术领域
本发明属于阻抗匹配技术领域，更具体地，涉及一种复数阻抗匹配的零反射网络。
背景技术
有源电路是无线通信链路系统不可或缺的重要部分，如射频放大单元可实现对输入信号的低噪声放大或高功率放大。但传统的有源电路仅能在通带内进行复数输出阻抗的匹配，导致在与链路中其他器件级联时，阻带的多重反射信号重新注入到有源电路中，恶化其稳定性，降低链路系统性能等问题。
另一方面，国内外研究学者已针对带通滤波器提出了多种反射信号吸收电路，如2011年Matthew A.Morgan等人基于奇偶模等效电路对称对偶结构提出的微带零反射滤波器，2017年Roberto Gómez-García等人基于传递函数互补提出的双工架构零反射滤波器，2020年Xiaohu Wu等人基于多级耦合线结构提出的零反射梳状线滤波器。但上述反射吸收电路仅适用于输入输出端口均为50欧姆实数阻抗的滤波器电路，无法应用于具有复数输出阻抗的射频放大电路中。因此，研究基于复数阻抗匹配的零反射网络，实现全频段的输出阻抗匹配，消除级间反射信号具有重要意义。
图1为传统的有源电路，可由前级晶体管电路和输出匹配网络构成，典型的输出匹配网络可实现通带内复数阻抗的匹配变换，但未匹配的阻带输出阻抗使得多重反射信号被重新注入到有源电路中，恶化其稳定性。
综上所述，现有射频有源电路的输出匹配网络仅能完成通带内的阻抗变换，导致阻带存在多重反射信号，恶化其稳定性。而现有的反射信号吸收电路仅适用于标准50欧姆实数阻抗端口，对于有源电路的复数输出阻抗无法实现反射吸收。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于复数阻抗匹配的零反射网络，旨在解决现有的阻抗匹配网络仅能实现通带内的阻抗匹配，无法实现全频段的输出阻抗匹配，导致存在多重阻带反射信号的问题。
本发明提供了一种基于复数阻抗匹配的零反射网络，其输入为复数阻抗且输出为标准50欧姆端口阻抗，零反射网络包括：N级依次串联连接的匹配电路，以及与N级匹配电路并联连接的阻性元件；匹配电路用于将输入的复数阻抗在通带内变换至匹配的阻抗，并在阻带内变换至趋于无穷大；阻性元件用于将带外产生的无穷大阻抗进一步变换至匹配状态且将吸收的反射信号耗散，从而实现了输出端口在全频段内均无反射信号；其中，N表示匹配电路的个数，取值为大于等于1的正整数。
本发明提供的零反射匹配网络用于将输入的复数阻抗在通带和阻带内均变换至匹配的阻抗，实现输出端口在全频段内均无反射信号，而传统匹配网络仅能对通带信号进行匹配，在输出端口处存在多重阻带反射信号。
其中，当N取1时，为单级匹配电路，可在单个带内频率处实现最佳阻抗匹配效果，当N＞1时，可在多个带内频率处具有最佳阻抗匹配效果，实现通带带宽的拓展。
更进一步地，匹配电路包括：设置在前级的匹配单元，以及设置在后级且复用的阻抗变换器；匹配单元用于实现通带内的复数阻抗匹配；阻抗变换器被复用并在带外产生趋于无穷大阻抗，无穷大阻抗通过阻性元件变换至匹配状态，并通过阻性元件将吸收的反射信号耗散。
更进一步地，匹配电路将通带内的复数阻抗匹配至所述输出端口阻抗与阻性元件的并联阻值，以实现通带内信号的阻抗匹配。
更进一步地，匹配电路根据输入复数阻抗在不同频率下的数值，选用并联接地微带传输线后串联电容或串联电感后串联电容的结构来实现每级匹配。
更进一步地，阻抗变换器采用一个串联的电容或串联一段两端开路的耦合传输线的容性结构实现。
其中，耦合传输线的线宽为等宽或非等宽。
更进一步地，阻抗变换器同时决定了带内信号和带外信号的阻抗，所述阻抗变换器的容值满足将带外阻抗至无穷大的同时保证通带内的阻抗匹配。
在本发明实施例中，之所以将阻性元件并联连接在第N级匹配电路之后，其目的在于进一步将阻抗变换器在带外产生的无穷大阻抗变换至匹配状态，同时将吸收的反射信号耗散。
更进一步地，阻性元件采用单个电阻或基于晶体管等效电阻的有耗阻性结构实现，用于耗散掉吸收的反射信号。
更进一步地，阻性元件的阻值在输出端口的阻抗值附近选取，通过并联将带外趋于无穷大的阻抗匹配至输出端口阻抗。
更进一步地，零反射网络的输入复数阻抗，可由射频放大电路等多种有源电路提供，实现所述有源电路的复数输出阻抗匹配。
本发明还提供了一种有源放大电路，包括零反射匹配网络，其中零反射匹配网络为上述的零反射匹配网络。
本发明提供的一种基于复数阻抗匹配的零反射网络，可为射频有源电路提供全频段内无反射信号的输出，具有非常广泛的应用性。本发明通过复用第N级匹配电路的容性器件作为阻抗变换器，实现了对带外阻抗的变换，并保证了带内的阻抗匹配，再结合并联阻性元件，首次实现了复数阻抗输入的零反射网络。本发明可在全频段内均满足阻抗匹配条件，输出端口无反射信号，解决了常规输出匹配网络存在多重阻带反射信号的问题以及现有零反射电路设计技术无法应用于复数端口阻抗的问题。
附图说明
图1中(a)是现有技术基于传统输出匹配网络的有源电路架构示意图，(b)是现有技术基于传统输出匹配网络的有源电路的传输响应示意图；
图2(a)是本发明基于零反射输出匹配网络的有源电路架构示意图，(b)是本发明基于零反射输出匹配网络的有源电路的传输响应示意图；
图3是本发明提出的基于复数阻抗匹配的零反射网络结构示意图；
图4是本发明提供的一种用于有源放大电路的零反射网络电路图；
图5是本发明提供的利用零反射网络对带内51GHz的阻抗变换过程图；
图6是本发明提供的利用零反射网络对带外10GHz的阻抗变换过程图；
图7是本发明提供的利用零反射网络对带外70GHz的阻抗变换过程图；
图8是本发明提供的基于零反射网络的有源放大电路在dc-110GHz的Smith阻抗圆图；
图9是本发明提供的零反射网络中不同数值CR2的阻抗变换效果；
图10是本发明提供的一种基于零反射输出匹配网络的有源放大电路S21仿真曲线图；
图11是本发明提供的一种基于零反射输出匹配网络的有源放大电路S22仿真曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
与图1所示的传统的有源电路相比，对于零反射的输出匹配网络，如图2所示，基于相同的前级有源电路，零反射网络能够实现输出阻抗在全频段内的复数匹配，消除阻带的多重反射信号，从而有效提升有源电路的稳定性。
如图3所示，本发明实施例提供了一种基于复数阻抗匹配的零反射网络，包括：第一级至第N级匹配电路(N＝1,2,...)和并联的阻性元件；零反射匹配网络用于将输入的复数阻抗在通带和阻带内均变换至匹配的阻抗，实现输出端口在全频段内均无反射信号，而传统匹配网络仅能对通带信号进行匹配，在输出端口处存在多重阻带反射信号。
其中，当N取1时，为单级匹配电路，可在单个带内频率处实现最佳阻抗匹配效果，当N＞1时，可在多个带内频率处具有最佳阻抗匹配效果，实现通带带宽的拓展。
第N级匹配电路由前级匹配单元和后级复用的阻抗变换器构成，实现通带内的复数阻抗匹配，同时所述阻抗变换器被复用将带外的阻抗变换至趋于无穷大。
阻性元件并联连接在第N级匹配电路之后，根据并联电路理论，阻性元件的阻值需要在输出端口的阻抗值附近选取，使得带外趋于无穷大的阻抗与阻性元件并联时可以得到趋于端口阻抗的数值，从而实现带外信号的阻抗匹配，同时将吸收的反射信号耗散。
第一级匹配电路至第N级匹配电路需将通带内的复数阻抗匹配至输出端口阻抗与阻性元件的并联阻值，满足第N级匹配电路的输出阻抗值与端口阻抗和阻性元件的等效并联输入阻抗值相等，达到共轭匹配，实现通带内信号的阻抗匹配。
第一级匹配电路至第N级匹配电路可根据输入复数阻抗在不同频率下的数值，借助Smith圆图工具，通过仿真优化选用并联接地微带传输线后串联电容或串联电感后串联电容或其他合适的结构来实现每级匹配电路，实现更宽的带内匹配频率范围。
阻抗变换器采用一个串联的电容或串联一段两端开路的耦合传输线等多种容性结构实现，耦合传输线的线宽为等宽或非等宽均可，由容性器件的阻抗公式可知，对于较小的容值，在低频阻带，很小的ωC使得阻抗趋于无穷大，在高频阻带，较小的C同样可使阻抗趋于无穷大。
阻抗变换器同时决定了带内信号和带外信号的阻抗，其容值需要满足可将带外阻抗至无穷大的同时，保证通带内的阻抗匹配，一般根据带内的中心频率来优化取值。
阻性元件采用单个电阻或基于晶体管等效电阻等多种有耗阻性结构实现，耗散掉吸收的反射信号。
零反射网络的输入复数阻抗，可由射频放大电路等多种有源电路提供，实现所述有源电路的复数输出阻抗匹配。
为更好的说明本发明基于复数阻抗匹配的零反射网络的性能，下面以一种用于有源放大电路的零反射匹配网络为例，进行散射参数仿真与测试实验。
图4是本发明实施例提供的一种中心频率为55GHz，用于有源放大电路的零反射输出匹配网络，其中有源放大单元由多级放大晶体管构成以获得高增益。根据放大单元输出的复数阻抗特性，一种可行的零反射输出匹配网络可确定为：第一级匹配电路由串联传输线TLR1和串联电容CR1构成，第二级匹配电路联传输线TLR2和串联电容CR2构成，实现通带内的阻抗匹配。其中第二级的串联电容CR2又被复用带外信号的阻抗变换器，在带内阻抗匹配的同时将带外的阻抗变换为无穷大。结合并联有耗电阻RA，全频段的阻抗匹配可以实现，从而可以消除阻带的反射信号。
为了说明零反射网络的阻抗匹配效果，图5～图7分别给出了对于通带内51GHz，带外低频10GHz和带外高频70GHz处，零反射网络中各元件的阻抗变换效果。在Smith圆图中，每段线代表输入阻抗经过零反射网络中每个元件后的变换轨迹，箭头表示变换的方向。如图5所示，在51GHz频率处，输入的复数阻抗经过第一级匹配电路(TLR1，CR1)和第二级匹配电路(TLR2，CR2)后被变换至约30Ω，近似为端口阻抗(50Ω)和有耗电阻RA(60Ω)的并联值，因此带内的信号可以被匹配输出。而对于带外信号，如图6～图7所示，在经过阻抗变换器CR2后，阻抗变为趋于无穷大，经过有耗电阻后，被匹配至输出端口阻抗，因此带外的信号可以被匹配吸收，实现输出端口无反射。图8给出了全频段(dc-110GHz)的仿真Smith圆图，可以看出，有源放大电路输出的复数阻抗经过带内匹配网络后，通带内的阻抗得以匹配，带外的阻抗被阻抗变换器转换为趋于无穷大，再结合有耗电阻，全频段内的阻抗均被匹配，从而输出阻抗均集中在50Ω左右。
对于阻抗变换器CR2数值的选取，图9给出了不同数值下CR2的阻抗变换效果，当CR2取较小数值时，如3fF，虽然带外的阻抗可以被变换到无穷大，但破坏了带内的阻抗匹配；当CR2取较大数值时，如40fF，则失去了阻抗变换功能，因此，优化选取了CR2为9.5fF。
图10～图11为基于上述零反射网络的有源放大电路S参数版图仿真结果。对于图10中的增益(S21)曲线，最高增益为31.7dB，3dB工作带宽为4.7GHz。对于图11中的输出端口反射参数曲线(S22)，带外的输出匹配水平达到了-20dB以下，带内的最小输出匹配水平为-10dB以下，这表明全频段内均为阻抗匹配状态，输出端口处的反射信号均可以被吸收。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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