专利名称：超宽频带的90°有源电桥的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有宽频带范围内移相功能的电桥，具体地说，涉及超宽频带的90°有源电桥。
背景技术：
目前可以实现宽频带范围内移相功能的电桥基本都是无源的，性能比较好的也只能达到O. 5MHZ-30MHZ的带宽范围，对于接近零频至O. 5MHZ范围内的基带信号以及更高频段的基带信号其移相性能较差，对于接近零频的信号相移效果非常差，不能达到90°，且无法将应用的频带范围做的更大，也不能实现放大功能
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种超宽频带的90°有源电桥，以克服目前具有移相功能的无源电桥频带范围受限、接近零频的信号相移不能达到稳定的90°的技术问题。为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案一种超宽频带的90°有源电桥，包括2"级级联的全通滤波器构成的第一全通滤波网络；和2n级级联的全通滤波器构成的第二全通滤波网络；其中第一全通滤波网络的第i级与第二全通滤波网络的第2n-i+l级的角频率乘积为一定值；n为正整数，i = 1，2，......2n。所述第一全通滤波网络和第二全通滤波网络的每一级全通滤波器中的电阻值、电容值根据以下方式确定根据ω = I/(RC)，以及一级全通网络相移90°时的频率值计算公式f = I/(2 RC)时，炉= ；r-2arctan( i C) = 90°，算出每级网络的电阻值、电容值的乘积；根据电容、电阻序列值计算出每一级全通滤波器中的电阻值、电容值；其中R表示电阻，C表示电容，ω表示模拟角频率。该超宽频带的90°有源电桥还包括加法器，该加法器的反相输入端分别与两个全通滤波网络的输出相连接，该加法器的输出端通过负载与反相输入端相连接；减法器，该减法器的同相输入端连接所述第二全通滤波网络的输出，该减法器的反相输入端分别连接所述第一全通滤波网络的输出与减法器的输出端。所述加法器的输出端与所述第一全通滤波网络的输出之间连有串联的第一电阻和第二电阻，该第一电阻设在第一全通滤波网络的输出和所述加法器的反相输入端之间；所述加法器的反相输入端与所述第一全通滤波网络的输出之间连有第三电阻，所述第一电阻与第三电阻的阻值相等。所述第二电阻的阻值为所述第一电阻的阻值的K1倍，其中K1为放大系数。所述减法器的输出端与所述第一全通滤波网络的输出之间连有串联的第四电阻和第五电阻，该第四电阻设在第一全通滤波网络的输出和所述减法器的反相输入端之间；所述减法器的同相输入端与所述第二全通滤波网络的输出之间连有第六电阻，所述减法器的同相输入端有一个接地负载，所述第五电阻是所述第四电阻阻值的K2倍，接地负载是第六电阻阻值的K3倍，其中K2与K3为放大系数。所述Kp K2、K3值相等。本发明的上述超宽频带的90°有源电桥用于在基带信号的宽频带范围内对信号进行稳定的90°移相，其相位误差范围小于1°，并可对移相后的两路信号进行加、减法以及增益放大，可以很好的应用到接近零频的基带宽频信号的单边带输出，同时还可以对微弱信号进行100倍的增益放大；而且在实现增益放大的同时其相位误差范围也仍在2。范围内，而对于1ΚΗΖ-30 ΜΗΖ范围内相位误差仍在1°范围内。也就是说，本发明的超宽频带的90°有源电桥与目前的无源电桥相比，相位误差小，相移更稳定，带宽范围更宽；同时可以对微弱信号进行高增益的放大。
图I是本发明的超宽频带的90°有源电桥的结构示意图；图2与图3是图I中的基于运算放大器的加法器和减法器原理图；图4分别是Α、B两个网络输出端相位曲线图；图5是Α、Β两网络的相位差曲线图；图6是在Α、B网络输出端接入加法器、减法器后的相位差曲线图；图7是本发明的超宽频带的90°有源电桥的整个设计原理图。
具体实施例方式以下结合附图与实施例详细描述本发明。本发明采用有源全通网络设计，实现宽频带范围内的90°恒定相移，其基本原理在于有源滤波器的优点是通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件)；有源全通滤波器可实现频带范围内的相移功能，但对于每个频率点的相移角度不同。滤波器阶数越高，其幅频特性的过渡带越陡，越接近理想特性。一般情况下，一阶滤波器过渡带按每十倍频20dB速率衰减；二阶滤波器每十倍频40dB速率衰减。高阶滤波器可由低阶滤波器串接组成。因此，本设计采用多个全通网络级联可以提高滤波器的性能。如图I所示，一种超宽频带的90°有源电桥，包括2n级级联的全通滤波器构成的第一全通滤波网络，即全通网络A ;和2n级级联的全通滤波器构成的第二全通滤波网络，即全通网络B ;其中第一全通滤波网络的第i级与第二全通滤波网络的第2n-i+l级的角频率
乘积为一定值；η为正整数，i = 1,2,......2n。为了举例说明，本发明采用两个八级级联
的全通网络A、B，两网络分别在宽频带范围内有着各自的相移曲线，A、B网络输出的相位差在给定超宽频带范围内达到恒定的90°相移，且相位误差小于1°。具体说明见附图4、5。本发明的电桥有两个输入端用于信号的输入；三个电源端用于给有源网络提供稳定的直流电压；四个输出端，其中两个是全通移相网络的输出端a、b，另外两个分别是-K*(a+b)与K*(b_a)，(其中K与Kp K2、K3值相等)，可用于得到放大后的上、下两个边带信号。图7是本发明的全部电路图，Α、Β网络的R、C参数有着严格的约束关系控制，对于本设计中的共16级网络，设A网络为1-8级，B网络为9-16级，则i级与第(16_i+l)级的
角频率乘积为一定值，i = 1,2,......8 ;根据角频率ω = I/(RC)，以及一级全通网络相移
90°时的频率值计算公式，f = I/(2 31 RC)时，炉=7-2&1'&11(1^(^) = 90°，可以算出每级网络的R、C乘积值，从而根据电容电阻序列值计算出每级网络的R、C值。本设计方法适用于N级全通网络(N= 2η，η是整数)的设计，级联数越多，性能越好，带宽范围越大，但就实际应用来说，本发明技术采用两个8级全通网络已经可以做到在简单的电路设计与排版下实现，且性能明显优于目前已有技术。本设计电路中的器件值计算说明如下fi = IKHz，f2 = 50MHz分别是起始频率和终止频率，则模拟角频率的起始点与终止点分别为ωι = 2 31 4，ω2 = 2 π f2，作如下定义动态范围R = ω ，平均角频率0)μ=λ/^；，归一化频率n = co/com，设Ci = aiCom，则有归一化后的传输网络 = 0 - = I u，本设计中N = 16，对于A、B网络构成的两个网络之间满足严
格的零极点约束关系才能实现宽频带范围内的恒定相移。约束关系如下Ck = -l/Cj, i =1,2... N/2, k = N-i，也就是说A网络的极点值确定时，B网络每级的极点也完全被确定下来。因为N = 2n，我们可以把每两级的网络化简成一级全通网络表达形式，再计算出新的参数值，而对于单级网络其单极点应满足C1 = 1，通过反推计算可得到本文设计的每级网络中R、C值，再根据电容电阻序列值确定本设计中的器件值如图7所示。本发明的带宽范围可做到1KHZ-50MHZ，低频端非常接近零频，且带宽范围比较大，只从移相性能考虑，其可实现基带信号范围内超宽频带的恒定90°移相，且相位误差小于1°。见附图5。如图2和图3所示，本发明采用的是基于运算放大器的加法器和减法器，可以将输入端的微弱信号进行放大输出，可应用于射电天文中的微弱射电信号接收系统中。加法器的反相输入端分别与两个全通滤波网络的输出相连接，该加法器的输出端通过负载与反相输入端相连接；减法器的同相输入端连接所述第二全通滤波网络的输出，该减法器的输出端和反相输入端分别连接所述第一全通滤波网络的输出，该减法器的输出端和反相输入端通过负载相连。所述加法器的输出端与所述第一全通滤波网络的输出之间连有串联的第一电阻Rl和第二电阻R2，该第一电阻Rl设在第一全通滤波网络的输出和所述加法器的反相输入端之间；所述加法器的反相输入端与所述第一全通滤波网络的输出之间连有第三电阻R4，所述第一电阻Rl与第三电阻R4的阻值相等。所述第二电阻的阻值为所述第一电阻的阻值的K1倍，其中K1为放大系数。所述减法器的输出端与所述第一全通滤波网络的输出之间连有串联的第四电阻R9和第五电阻R7，该第四电阻R9设在第一全通滤波网络的输出和所述减法器的反相输入端之间；所述减法器的同相输入端与所述第二全通滤波网络的输出之间连有第六电阻R11，所述减法器的同相输入端有一个接地负载R12，所述第五电阻R7是所述第四电阻R9阻值的K2倍，接地负载R12是第六电阻Rll阻值的K3倍，其中K2与K3为放大系数。所述I、K2、K3值相等。本发明技术采用有源网络设计，可达频带范围为1ΚΗΖ-50ΜΗΖ，且相位误差小于1°，本发明技术集合了图2的加法器、图3的减法器以及增益放大功能，可节约实际应用中器件放大器的引入导致的过大系统误差，本发明技术不足之处，是在引入减法器元件后使得相移网络输出端有负载从而导致在30MHZ-50MHz范围内的相位误差大于1°，但仍然在2。范围内，仍然高于目前已有技术(如图6所示)，此外，这对整个系统的搭建总误差是减小了的。以 上实施例的描述主要是为了说明本发明的基本原理和主要特征。本发明不局限于上述实施例的描述范围，在本发明所附权利要求书的范围内，可以做出各种补充、变更和取代。
权利要求
1.一种超宽频带的90°有源电桥，其特征在于，包括 2n级级联的全通滤波器构成的第一全通滤波网络；和2"级级联的全通滤波器构成的第二全通滤波网络； 其中第一全通滤波网络的第i级与第二全通滤波网络的第2n-i+l级的角频率乘积为一定值；n为正整数，i = 1,2,......2n。
2.如权利要求I所述的超宽频带的90°有源电桥，其特征在于，所述第一全通滤波网络和第二全通滤波网络的每一级全通滤波器中的电阻值、电容值根据以下方式确定 根据ω = I/(RC)，以及一级全通网络相移90°时的频率值计算公式f = 1/(2 RC)时，炉= ;r-2arctan(0i C) = 9O°，算出每级网络的电阻值、电容值的乘积(RC)； 根据电容、电阻序列值计算出每一级全通滤波器中的电阻值、电容值； 其中R表示电阻，C表示电容，ω表示模拟角频率。
3.如权利要求I或2所述的超宽频带的90°有源电桥，其特征在于，该超宽频带的.90°有源电桥还包括 加法器，该加法器的反相输入端分别通过负载与两个全通滤波网络的输出相连接，该加法器的输出端通过负载与反相输入端相连接； 减法器，该减法器的同相输入端分别通过负载连接所述第二全通滤波网络的输出与地，该减法器的反相输入端分别通过负载连接所述第一全通滤波网络的输出与该减法器的输出端。
4.如权利要求3所述的超宽频带的90°有源电桥，其特征在于，所述加法器的输出端与所述第一全通滤波网络的输出之间连有串联的第一电阻和第二电阻，该第一电阻设在第一全通滤波网络的输出和所述加法器的反相输入端之间；所述加法器的反相输入端与所述第二全通滤波网络的输出之间连有第三电阻，所述第一电阻与第三电阻的阻值相等。
5.如权利要求4所述的超宽频带的90°有源电桥，其特征在于，所述第二电阻的阻值为所述第一电阻的阻值的K1倍，其中K1为放大系数。
6.如权利要求5所述的超宽频带的90°有源电桥，其特征在于，所述减法器的输出端与所述第一全通滤波网络的输出之间连有串联的第四电阻和第五电阻，该第四电阻设在第一全通滤波网络的输出和所述减法器的反相输入端之间；所述减法器的同相输入端与所述第二全通滤波网络的输出之间连有第六电阻，所述减法器的同相输入端有一个接地负载，所述第五电阻是所述第四电阻的阻值的K2倍，接地负载是第六电阻的阻值的K3倍，其中K2与K3为放大系数。
7.如权利要求6所述的超宽频带的90°有源电桥，其特征在于，I、K2、K3值相等。
全文摘要
本发明提供一种超宽频带的90°有源电桥，包括2n级级联的全通滤波器构成的第一全通滤波网络；和2n级级联的全通滤波器构成的第二全通滤波网络；其中第一全通滤波网络的第i级与第二全通滤波网络的第2n-i+1级的角频率乘积为一定值；n为正整数，i＝1，2，......2n。本发明的上述超宽频带的90°有源电桥用于在基带信号的宽频带范围内对信号进行稳定的90°移相，其相位误差范围小于1°，并可对移相后的两路信号进行加、减法以及增益放大，可以很好的应用到接近零频的基带宽频信号的单边带输出，同时还可以对微弱信号进行100倍的增益放大；而且在实现增益放大的同时其相位误差也仍在2°范围内，移相特性比较稳定。
文档编号H03H11/18GK102820870SQ20111015655
公开日2012年12月12日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者江永琛, 王锦清, 范庆元 申请人:中国科学院上海天文台