專利名稱：超寬頻帶的90°有源電橋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有寬頻帶范圍內(nèi)移相功能的電橋，具體地說(shuō)，涉及超寬頻帶的90°有源電橋。
背景技術(shù)：
目前可以實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)移相功能的電橋基本都是無(wú)源的，性能比較好的也只能達(dá)到O. 5MHZ-30MHZ的帶寬范圍，對(duì)于接近零頻至O. 5MHZ范圍內(nèi)的基帶信號(hào)以及更高頻段的基帶信號(hào)其移相性能較差，對(duì)于接近零頻的信號(hào)相移效果非常差，不能達(dá)到90°，且無(wú)法將應(yīng)用的頻帶范圍做的更大，也不能實(shí)現(xiàn)放大功能
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種超寬頻帶的90°有源電橋，以克服目前具有移相功能的無(wú)源電橋頻帶范圍受限、接近零頻的信號(hào)相移不能達(dá)到穩(wěn)定的90°的技術(shù)問(wèn)題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種超寬頻帶的90°有源電橋，包括2"級(jí)級(jí)聯(lián)的全通濾波器構(gòu)成的第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)；和2n級(jí)級(jí)聯(lián)的全通濾波器構(gòu)成的第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)；其中第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的第i級(jí)與第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的第2n-i+l級(jí)的角頻率乘積為一定值；n為正整數(shù)，i = 1，2，......2n。所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)和第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的每一級(jí)全通濾波器中的電阻值、電容值根據(jù)以下方式確定根據(jù)ω = I/(RC)，以及一級(jí)全通網(wǎng)絡(luò)相移90°時(shí)的頻率值計(jì)算公式f = I/(2 RC)時(shí)，爐= ；r-2arctan( i C) = 90°，算出每級(jí)網(wǎng)絡(luò)的電阻值、電容值的乘積；根據(jù)電容、電阻序列值計(jì)算出每一級(jí)全通濾波器中的電阻值、電容值；其中R表示電阻，C表示電容，ω表示模擬角頻率。該超寬頻帶的90°有源電橋還包括加法器，該加法器的反相輸入端分別與兩個(gè)全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出相連接，該加法器的輸出端通過(guò)負(fù)載與反相輸入端相連接；減法器，該減法器的同相輸入端連接所述第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出，該減法器的反相輸入端分別連接所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出與減法器的輸出端。所述加法器的輸出端與所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有串聯(lián)的第一電阻和第二電阻，該第一電阻設(shè)在第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出和所述加法器的反相輸入端之間；所述加法器的反相輸入端與所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有第三電阻，所述第一電阻與第三電阻的阻值相等。所述第二電阻的阻值為所述第一電阻的阻值的K1倍，其中K1為放大系數(shù)。所述減法器的輸出端與所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有串聯(lián)的第四電阻和第五電阻，該第四電阻設(shè)在第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出和所述減法器的反相輸入端之間；所述減法器的同相輸入端與所述第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有第六電阻，所述減法器的同相輸入端有一個(gè)接地負(fù)載，所述第五電阻是所述第四電阻阻值的K2倍，接地負(fù)載是第六電阻阻值的K3倍，其中K2與K3為放大系數(shù)。所述Kp K2、K3值相等。本發(fā)明的上述超寬頻帶的90°有源電橋用于在基帶信號(hào)的寬頻帶范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定的90°移相，其相位誤差范圍小于1°，并可對(duì)移相后的兩路信號(hào)進(jìn)行加、減法以及增益放大，可以很好的應(yīng)用到接近零頻的基帶寬頻信號(hào)的單邊帶輸出，同時(shí)還可以對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行100倍的增益放大；而且在實(shí)現(xiàn)增益放大的同時(shí)其相位誤差范圍也仍在2。范圍內(nèi)，而對(duì)于1ΚΗΖ-30 ΜΗΖ范圍內(nèi)相位誤差仍在1°范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，本發(fā)明的超寬頻帶的90°有源電橋與目前的無(wú)源電橋相比，相位誤差小，相移更穩(wěn)定，帶寬范圍更寬；同時(shí)可以對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行高增益的放大。


圖I是本發(fā)明的超寬頻帶的90°有源電橋的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2與圖3是圖I中的基于運(yùn)算放大器的加法器和減法器原理圖；圖4分別是Α、B兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)輸出端相位曲線圖；圖5是Α、Β兩網(wǎng)絡(luò)的相位差曲線圖；圖6是在Α、B網(wǎng)絡(luò)輸出端接入加法器、減法器后的相位差曲線圖；圖7是本發(fā)明的超寬頻帶的90°有源電橋的整個(gè)設(shè)計(jì)原理圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖與實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。本發(fā)明采用有源全通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)的90°恒定相移，其基本原理在于有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件)；有源全通濾波器可實(shí)現(xiàn)頻帶范圍內(nèi)的相移功能，但對(duì)于每個(gè)頻率點(diǎn)的相移角度不同。濾波器階數(shù)越高，其幅頻特性的過(guò)渡帶越陡，越接近理想特性。一般情況下，一階濾波器過(guò)渡帶按每十倍頻20dB速率衰減；二階濾波器每十倍頻40dB速率衰減。高階濾波器可由低階濾波器串接組成。因此，本設(shè)計(jì)采用多個(gè)全通網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)可以提高濾波器的性能。如圖I所示，一種超寬頻帶的90°有源電橋，包括2n級(jí)級(jí)聯(lián)的全通濾波器構(gòu)成的第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)，即全通網(wǎng)絡(luò)A ;和2n級(jí)級(jí)聯(lián)的全通濾波器構(gòu)成的第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)，即全通網(wǎng)絡(luò)B ;其中第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的第i級(jí)與第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的第2n-i+l級(jí)的角頻率
乘積為一定值；η為正整數(shù)，i = 1,2,......2n。為了舉例說(shuō)明，本發(fā)明采用兩個(gè)八級(jí)級(jí)聯(lián)
的全通網(wǎng)絡(luò)A、B，兩網(wǎng)絡(luò)分別在寬頻帶范圍內(nèi)有著各自的相移曲線，A、B網(wǎng)絡(luò)輸出的相位差在給定超寬頻帶范圍內(nèi)達(dá)到恒定的90°相移，且相位誤差小于1°。具體說(shuō)明見(jiàn)附圖4、5。本發(fā)明的電橋有兩個(gè)輸入端用于信號(hào)的輸入；三個(gè)電源端用于給有源網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的直流電壓；四個(gè)輸出端，其中兩個(gè)是全通移相網(wǎng)絡(luò)的輸出端a、b，另外兩個(gè)分別是-K*(a+b)與K*(b_a)，(其中K與Kp K2、K3值相等)，可用于得到放大后的上、下兩個(gè)邊帶信號(hào)。圖7是本發(fā)明的全部電路圖，Α、Β網(wǎng)絡(luò)的R、C參數(shù)有著嚴(yán)格的約束關(guān)系控制，對(duì)于本設(shè)計(jì)中的共16級(jí)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)A網(wǎng)絡(luò)為1-8級(jí)，B網(wǎng)絡(luò)為9-16級(jí)，則i級(jí)與第(16_i+l)級(jí)的
角頻率乘積為一定值，i = 1,2,......8 ;根據(jù)角頻率ω = I/(RC)，以及一級(jí)全通網(wǎng)絡(luò)相移
90°時(shí)的頻率值計(jì)算公式，f = I/(2 31 RC)時(shí)，爐=7-2&1'&11(1^(^) = 90°，可以算出每級(jí)網(wǎng)絡(luò)的R、C乘積值，從而根據(jù)電容電阻序列值計(jì)算出每級(jí)網(wǎng)絡(luò)的R、C值。本設(shè)計(jì)方法適用于N級(jí)全通網(wǎng)絡(luò)(N= 2η，η是整數(shù))的設(shè)計(jì)，級(jí)聯(lián)數(shù)越多，性能越好，帶寬范圍越大，但就實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，本發(fā)明技術(shù)采用兩個(gè)8級(jí)全通網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以做到在簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)與排版下實(shí)現(xiàn)，且性能明顯優(yōu)于目前已有技術(shù)。本設(shè)計(jì)電路中的器件值計(jì)算說(shuō)明如下fi = IKHz，f2 = 50MHz分別是起始頻率和終止頻率，則模擬角頻率的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)分別為ωι = 2 31 4，ω2 = 2 π f2，作如下定義動(dòng)態(tài)范圍R = ω ，平均角頻率0)μ=λ/^；，歸一化頻率n = co/com，設(shè)Ci = aiCom，則有歸一化后的傳輸網(wǎng)絡(luò) = 0 - = I u，本設(shè)計(jì)中N = 16，對(duì)于A、B網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間滿足嚴(yán)
格的零極點(diǎn)約束關(guān)系才能實(shí)現(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)的恒定相移。約束關(guān)系如下Ck = -l/Cj, i =1,2... N/2, k = N-i，也就是說(shuō)A網(wǎng)絡(luò)的極點(diǎn)值確定時(shí)，B網(wǎng)絡(luò)每級(jí)的極點(diǎn)也完全被確定下來(lái)。因?yàn)镹 = 2n，我們可以把每?jī)杉?jí)的網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)成一級(jí)全通網(wǎng)絡(luò)表達(dá)形式，再計(jì)算出新的參數(shù)值，而對(duì)于單級(jí)網(wǎng)絡(luò)其單極點(diǎn)應(yīng)滿足C1 = 1，通過(guò)反推計(jì)算可得到本文設(shè)計(jì)的每級(jí)網(wǎng)絡(luò)中R、C值，再根據(jù)電容電阻序列值確定本設(shè)計(jì)中的器件值如圖7所示。本發(fā)明的帶寬范圍可做到1KHZ-50MHZ，低頻端非常接近零頻，且?guī)挿秶容^大，只從移相性能考慮，其可實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)范圍內(nèi)超寬頻帶的恒定90°移相，且相位誤差小于1°。見(jiàn)附圖5。如圖2和圖3所示，本發(fā)明采用的是基于運(yùn)算放大器的加法器和減法器，可以將輸入端的微弱信號(hào)進(jìn)行放大輸出，可應(yīng)用于射電天文中的微弱射電信號(hào)接收系統(tǒng)中。加法器的反相輸入端分別與兩個(gè)全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出相連接，該加法器的輸出端通過(guò)負(fù)載與反相輸入端相連接；減法器的同相輸入端連接所述第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出，該減法器的輸出端和反相輸入端分別連接所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出，該減法器的輸出端和反相輸入端通過(guò)負(fù)載相連。所述加法器的輸出端與所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有串聯(lián)的第一電阻Rl和第二電阻R2，該第一電阻Rl設(shè)在第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出和所述加法器的反相輸入端之間；所述加法器的反相輸入端與所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有第三電阻R4，所述第一電阻Rl與第三電阻R4的阻值相等。所述第二電阻的阻值為所述第一電阻的阻值的K1倍，其中K1為放大系數(shù)。所述減法器的輸出端與所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有串聯(lián)的第四電阻R9和第五電阻R7，該第四電阻R9設(shè)在第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出和所述減法器的反相輸入端之間；所述減法器的同相輸入端與所述第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有第六電阻R11，所述減法器的同相輸入端有一個(gè)接地負(fù)載R12，所述第五電阻R7是所述第四電阻R9阻值的K2倍，接地負(fù)載R12是第六電阻Rll阻值的K3倍，其中K2與K3為放大系數(shù)。所述I、K2、K3值相等。本發(fā)明技術(shù)采用有源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可達(dá)頻帶范圍為1ΚΗΖ-50ΜΗΖ，且相位誤差小于1°，本發(fā)明技術(shù)集合了圖2的加法器、圖3的減法器以及增益放大功能，可節(jié)約實(shí)際應(yīng)用中器件放大器的引入導(dǎo)致的過(guò)大系統(tǒng)誤差，本發(fā)明技術(shù)不足之處，是在引入減法器元件后使得相移網(wǎng)絡(luò)輸出端有負(fù)載從而導(dǎo)致在30MHZ-50MHz范圍內(nèi)的相位誤差大于1°，但仍然在2。范圍內(nèi)，仍然高于目前已有技術(shù)(如圖6所示)，此外，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的搭建總誤差是減小了的。以 上實(shí)施例的描述主要是為了說(shuō)明本發(fā)明的基本原理和主要特征。本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例的描述范圍，在本發(fā)明所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，可以做出各種補(bǔ)充、變更和取代。
權(quán)利要求
1.一種超寬頻帶的90°有源電橋，其特征在于，包括 2n級(jí)級(jí)聯(lián)的全通濾波器構(gòu)成的第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)；和2"級(jí)級(jí)聯(lián)的全通濾波器構(gòu)成的第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)； 其中第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的第i級(jí)與第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的第2n-i+l級(jí)的角頻率乘積為一定值；n為正整數(shù)，i = 1,2,......2n。
2.如權(quán)利要求I所述的超寬頻帶的90°有源電橋，其特征在于，所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)和第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的每一級(jí)全通濾波器中的電阻值、電容值根據(jù)以下方式確定 根據(jù)ω = I/(RC)，以及一級(jí)全通網(wǎng)絡(luò)相移90°時(shí)的頻率值計(jì)算公式f = 1/(2 RC)時(shí)，爐= ;r-2arctan(0i C) = 9O°，算出每級(jí)網(wǎng)絡(luò)的電阻值、電容值的乘積(RC)； 根據(jù)電容、電阻序列值計(jì)算出每一級(jí)全通濾波器中的電阻值、電容值； 其中R表示電阻，C表示電容，ω表示模擬角頻率。
3.如權(quán)利要求I或2所述的超寬頻帶的90°有源電橋，其特征在于，該超寬頻帶的.90°有源電橋還包括 加法器，該加法器的反相輸入端分別通過(guò)負(fù)載與兩個(gè)全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出相連接，該加法器的輸出端通過(guò)負(fù)載與反相輸入端相連接； 減法器，該減法器的同相輸入端分別通過(guò)負(fù)載連接所述第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出與地，該減法器的反相輸入端分別通過(guò)負(fù)載連接所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出與該減法器的輸出端。
4.如權(quán)利要求3所述的超寬頻帶的90°有源電橋，其特征在于，所述加法器的輸出端與所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有串聯(lián)的第一電阻和第二電阻，該第一電阻設(shè)在第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出和所述加法器的反相輸入端之間；所述加法器的反相輸入端與所述第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有第三電阻，所述第一電阻與第三電阻的阻值相等。
5.如權(quán)利要求4所述的超寬頻帶的90°有源電橋，其特征在于，所述第二電阻的阻值為所述第一電阻的阻值的K1倍，其中K1為放大系數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的超寬頻帶的90°有源電橋，其特征在于，所述減法器的輸出端與所述第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有串聯(lián)的第四電阻和第五電阻，該第四電阻設(shè)在第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出和所述減法器的反相輸入端之間；所述減法器的同相輸入端與所述第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出之間連有第六電阻，所述減法器的同相輸入端有一個(gè)接地負(fù)載，所述第五電阻是所述第四電阻的阻值的K2倍，接地負(fù)載是第六電阻的阻值的K3倍，其中K2與K3為放大系數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的超寬頻帶的90°有源電橋，其特征在于，I、K2、K3值相等。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超寬頻帶的90°有源電橋，包括2n級(jí)級(jí)聯(lián)的全通濾波器構(gòu)成的第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)；和2n級(jí)級(jí)聯(lián)的全通濾波器構(gòu)成的第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)；其中第一全通濾波網(wǎng)絡(luò)的第i級(jí)與第二全通濾波網(wǎng)絡(luò)的第2n-i+1級(jí)的角頻率乘積為一定值；n為正整數(shù)，i＝1，2，......2n。本發(fā)明的上述超寬頻帶的90°有源電橋用于在基帶信號(hào)的寬頻帶范圍內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定的90°移相，其相位誤差范圍小于1°，并可對(duì)移相后的兩路信號(hào)進(jìn)行加、減法以及增益放大，可以很好的應(yīng)用到接近零頻的基帶寬頻信號(hào)的單邊帶輸出，同時(shí)還可以對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行100倍的增益放大；而且在實(shí)現(xiàn)增益放大的同時(shí)其相位誤差也仍在2°范圍內(nèi)，移相特性比較穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H03H11/18GK102820870SQ20111015655
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者江永琛, 王錦清, 范慶元 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)