一种罗兰C接收天线的有源匹配电路

一种罗兰c接收天线的有源匹配电路
技术领域
1.本发明属于天线技术领域，具体涉及一种罗兰c接收天线的有源匹配电路。


背景技术：

2.罗兰(long range navigation，loran)是目前世界上使用最广泛的陆基无线电导航系统之一，而罗兰c系统又是罗兰系统中的一种。罗兰c信号工作频率为90khz-110khz，属于长波信号，因此其信号覆盖非常广泛，抗干扰能力强，常用于导航、定位和授时(positioning navigation and timing，pnt)等领域，以及作为地波传播、水下军事通信和卫星/罗兰c组合导航等科学研究。罗兰c信号的频率低、波长长，目前使用的接收天线主要是1～3米的鞭状天线，在罗兰c频段，这种天线属于电小天线，拥有极低的辐射电阻和极高的电抗，存在效率低，阻抗变宽受环境影响变化大等缺点。目前的主要应用手段是在射频输入端加载无源匹配网络，减小天线的电抗，使接收机能从鞭天线中获得更多的有用功率，提升接收性能。然而鞭状天线实质上是单极子天线，需要接地使用，在实际使用中，接地的条件是不能确定的。单极子在不同的接地条件下的电抗会有较大变化。在接地条件良好时，天线的电抗会减小，在接地条件变差时，天线的电抗会变大。在接地条件变化时，天线的输入电抗甚至会有数倍的变化。因此固定的无源匹配网络在接地条件变化时无法取得良好的效果。相对于无源匹配，以非福斯特电路为代表的有源匹配网络技术能生成负电容和负电感，利用
±
c、
±
l其电抗曲线的对称性，在理想情况下能够完全抵消电小天线在整个频段内的大电抗。对一个电小天线(低阻抗、大负虚部)，将输入阻抗转变为一个常量(纯电阻)。除此之外，可以通过改变非福斯特电路反馈电阻的大小，在不影响信号传输的情况下改变天线的输入阻抗。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种罗兰c接收天线的有源匹配电路，将非福斯特电路与传统无源匹配电路相结合，使得在接地条件变化的情况下，天线仍能与接收机有良好的匹配。
4.本发明采用以下技术方案：
5.一种罗兰c接收天线的有源匹配电路，包括两级有源的非福斯特电路，罗兰c接收天线的输出端经两级有源的非福斯特电路与两级无源的匹配电路一端串联连接，两级无源的匹配电路另一端与接收机连接，罗兰c接收天线的内芯与第一级有源的非福斯特电路连接，罗兰c接收天线的外芯接地连接。
6.具体的，第一级非福斯特电路包括运算放大器u1，运算放大器u1的输出端通过反馈电阻r1与运算放大器u1的同相输入端相连，通过反馈电阻r2与运算放大器u1的反向输入端相连，运算放大器u1的反向输入端连接第二级非福斯特电路。
7.进一步的，罗兰c接收天线的内芯与运算放大器u1的同相输入端连接。
8.进一步的，运算放大器u1反向输入端的输入阻抗为z
in
为鞭状天线输入阻抗。
9.具体的，第二级非福斯特电路包括运算放大器u2，运算放大器u2的同相输入端与第一级非福斯特电路连接，运算放大器u2的输出端通过反馈电阻r3与运算放大器u2的同相输入端连接，运算放大器u2的输出端通过反馈电阻r4与运算放大器u2的反向输入端相连，运算放大器u2的反向输入端与两级无源的匹配电路连接。
10.进一步的，运算放大器u2反向输入端的输入阻抗为z
in
为鞭状天线输入阻抗，r1和r2分别为第一级非福斯特电路中的反馈电阻。
11.具体的，两级无源的匹配电路包括电容c1，电容c1的一端与两级有源的非福斯特电路连接，另一端分两路，一路经电感l1接地，另一路经电容c2分两路，一路经电感l2接地，另一路与接收机连接。
12.具体的，罗兰c接收天线为鞭状天线。
13.具体的，将两级无源的匹配电路后罗兰c接收天线的输入阻抗为50欧姆。
14.具体的，罗兰c接收天线的带宽为90～110khz。
15.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
16.一种罗兰c接收天线的有源匹配电路，由非福斯特电路和无源匹配电路组成，用于罗兰c接收天线与接收机之间的匹配。利用非福斯特电路拥有阻抗变换的特性，通过两级非福斯特对天线的输入阻抗进行缩小，单级的缩小倍数为一百倍，并且会翻转阻抗的符号，两级叠加可使得天线的输入电抗变得极低，并且保证输出的电阻为正值，保证电路的稳定性。将阻抗变换倍数分配到两级的非福斯特电路上可以降低对运放带宽的需求。虽然非福斯特电路的输入阻抗依赖于天线的输入阻抗，但由于其阻抗缩小作用，非福斯特电路的输入阻抗变化是极其微小的。此时固定的无源匹配电路对天线输入阻抗变化的敏感度也会极大的降低，即使在接地条件发生变化，天线的输入阻抗也因此有较大变化的情况下，整体电路的输入阻抗也可以保持稳定。
17.进一步的，设置第一级非福斯特可以使天线的输入阻抗缩小，缩小倍数为同时也会反转阻抗符号，带来负的电阻，引起电路的自激振荡，因此需要第二级非福斯特电路。
18.进一步的，设置罗兰c接收天线的内芯与运算放大器u1的同相输入端相连，可以使输出信号的相位与输入信号是相同的。
19.进一步的，经过第一级非福斯特电路的变换，u1反向输入端的输入阻抗为z
in
为鞭状天线输入阻抗，通过调节r1和r2的比值，便可方便的调节阻抗变换倍数。
20.进一步的，在第一级非福斯特电路的基础上使用第二级非福斯特电路，可以使天线的输入阻抗进一步缩小，第二级非福斯特电路的阻抗缩小倍数为并且再次反转阻抗符号，使电阻变为正值，保持电路稳定。
21.进一步的，经过第二级非福斯特电路的变换，u2反向输入端的输入阻抗为zin
为鞭状天线输入阻抗，在第一级变换倍数确定的情况下，通过调节r3和r4的比值，便可方便的调节第二级的阻抗变换倍数。总的阻抗变换倍数为第一级的变化倍数乘以第二级的变换倍数。
22.进一步的，使用两级无源匹配网络可以使得电路的输出阻抗在罗兰c的90khz-110khz带宽内保持为50欧姆。
23.进一步的，设置输出阻抗为50欧姆，可以与接收机匹配，从而达到最大传输功率。
24.综上所述，本发明使用两级有源的非福斯特电路与两级的无源匹配电路相结合，使得鞭状天线的输入阻抗与接收机在罗兰c频带内相匹配。并且克服了传统无源匹配对鞭状天线接地条件的依赖，降低了对接地条件变化的敏感度，使得在接地条件发生变化，天线的输入阻抗也因此有较大变化的情况下，整体电路的输入阻抗也可以保持稳定。
25.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
26.图1为本发明的电路图；
27.图2为本发明中非福斯特电路对鞭状天线输入阻抗的变换结果图；
28.图3为本发明的s11参数图。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
32.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
33.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
34.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于
制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
35.本发明提供了一种罗兰c接收天线的有源匹配电路，采用非福斯特电路和无源匹配电路；非福斯特电路可以通过改变同相输入端和反向输入端的反馈电阻将天线的输入电抗缩小，使用两级非福斯特电路使得整体电路对天线输入电抗的敏感度降低，且保持电路的输入电阻为正值。之后使用两级无源匹配电路将罗兰c接收天线的输入阻抗变换为50欧姆，且在罗兰c接收天线的输入电抗有较大变化的情况下基本保持稳定。将非福斯特电路与传统无源匹配电路相结合，使得在接地条件变化时天线仍能与接收机有良好的匹配。
36.请参阅图1，本发明一种罗兰c接收天线的有源匹配电路，包括两级有源的非福斯特电路和两级无源的匹配电路，罗兰c接收天线的输出端依次串联连接两级有源的非福斯特电路和两级无源的匹配电路后与接收机连接；天线经过两级有源的非福斯特电路进行阻抗变换后，再使用两级的无源的匹配电路进行无源阻抗变换后连接接收机。
37.鞭状罗兰c接收天线的内芯与运算放大器u1的同相输入端相连，外芯与地面相连。
38.非福斯特电路包括运算放大器u1，u2和电阻r1，r2，r3，r4。
39.运算放大器u1的输出端通过反馈电阻r1与运算放大器u1的同相输入端相连，通过反馈电阻r2与运算放大器u1的反向输入端相连；
40.此时，运算放大器u1反向输入端的输入阻抗为令r1取值为r2的一百倍，天线的输入阻抗即可缩小一百倍。
41.经过第一级非福斯特电路的变换后，电路的输入电阻为负值，会引起电路的自激振荡，因此需要第二级的非福斯特电路。
42.运算放大器u2的同相输入端与第一级非福斯特电路的运算放大器u1反向输入端相连，同时运算放大器u2的输出端通过反馈电阻r3与运算放大器u2的同相输入端相连，通过反馈电阻r4与运算放大器u2的反向输入端相连。
43.此时，运算放大器u2反向输入端的输入阻抗为同样的r4取值为r3的一百倍。经过第二级非福斯特电路的变换后，电路的输入电阻变为正值，且输入电抗极低。
44.无源匹配电路包括电感l1，l2和电容c1，c2；运算放大器u2的反向输入端依次串联连接电容c1和电容c2后连接接收机，电容c1与电感l1的一端连接，电容c2与电感l2的一端连接，电感l1，l2的另一端接地。
45.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.请参阅图2，两米长的鞭状天线在良好的接地条件下的输入电抗为-j*5kω，经过
两级的非福斯特阻抗变换后，天线的输入电抗约为-j*0.5欧姆，电阻为2欧姆，此时的电阻并非来源于天线，而是来源于电路的损耗，相当于电源内阻。
47.为了达到最大的传输功率，天线的输入阻抗要与接收机保持相同的50欧姆。因此需要一个无源电路进行阻抗变换，使其与接收机匹配。为了保证90～110khz的带宽，使用两级的无源阻抗变换，如图1所示，第一级包含一个串联的5uh电感l1和一个并联的414nf的电容c1，第二级包含一个串联的25uh电感l2和一个并联的96nf的电容c2。
48.请参阅图3，经过两级的非福斯特电路阻抗变换以及两级的无源电路阻抗变换后与输入阻抗为50欧姆的接收机匹配良好。且在输入电抗变化数倍时，仍能在全频段保持良好的匹配效果。
49.综上所述，本发明一种罗兰c接收天线的有源匹配电路，使用两级有源的非福斯特电路与两级的无源匹配电路相结合，使得鞭状天线的输入阻抗与接收机在罗兰c频带内相匹配。并且克服了传统无源匹配对鞭状天线接地条件的依赖，降低了对接地条件变化的敏感度，使得在接地条件发生变化，天线的输入阻抗也因此有较大变化的情况下，整体电路的输入阻抗也可以保持稳定。
50.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。