CN109802212A - 一种10倍频程3dB电桥 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种10倍频程3dB电桥包括点频电桥和反向变压器组，所述点频电桥包括高频电桥、中频电桥和低频电桥，所述反向变压器组包括同向传输线变压器和反向传输线变压器；所述高频电桥包括第一变压器、第一极性电容和第二极性电容，所述低频电桥包括第二变压器、第三变压器和第三极性电容，所述中频电桥包括第六变压器、第四极性电容、第五极性电容；输入端信号依次通过高频电桥、低频电桥后，分别经过并行的同向变压器、反向变压器，再通过中频电桥后输出。电桥主要应用在功率分配与合成，较多应用于功率放大器中。其优点在于公共端驻波比不随两个输入或输出端的阻抗变化而变化的特点，具有稳定的驻波比，有利用功放的端口匹配。
Description
技术领域
本发明涉及电路领域，尤其涉及一种10倍频程3dB电桥。
背景技术
3db电桥也叫同频合路器，它能够沿传输线路某一确定方向上对传输功率连续取样，能将一个输入信号分为两个互为等幅且具有90°相位差的信号。主要用于多信号合路，提高输出信号的利用率，广泛应用室内覆盖系统中对基站信号的合路，在这种场所运用效果很好。
但是，现有技术中，普遍存在的问题涉及：
1）输出信号不稳定；
2）振幅不平衡度偏高；
3）相位不平衡度情况凸显。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种10倍频程3dB电桥。
一种10倍频程3dB电桥，包括点频电桥和反向变压器组，所述点频电桥包括高频电桥、中频电桥和低频电桥，所述反向变压器组包括同向传输线变压器和反向传输线变压器；所述高频电桥包括第一变压器、第一极性电容和第二极性电容，所述低频电桥包括第二变压器、第三变压器和第三极性电容，所述中频电桥包括第六变压器、第四极性电容、第五极性电容；
所述第一变压器初级线圈的一端连接至第三变压器次级线圈的一端，所述第三变压器初级线圈的一端连接至反向传输线变压器初级线圈的一端，所述反向传输线变压器次级线圈的一端连接至第六变压器次级线圈的一端；
所述第一变压器次级线圈的一端连接至第二变压器初级线圈的一端，所述第二变压器次级线圈的一端连接至同向传输线变压器初级线圈的一端，所述同向传输线变压器初级线圈的另一端连接至第六变压器初级线圈的一端；
所述第二变压器初级线圈的另一端连接至第三变压器初级线圈的另一端，所述第二变压器次级线圈的另一端连接至第三变压器次级线圈的另一端；
所述同向传输线变压器次级线圈的两端均接地，所述反向传输线变压器初级线圈的另一端和次级线圈的另一端均接地。
所述第一极性电容的阳极连接至第一变压器次级线圈的一端，阴极连接至第一变压器初级线圈的另一端；
所述第二极性电容的阳极连接至第一变压器次级线圈的另一端，阴极连接至第一变压器初级线圈的一端；
所述第三极性电容的阳极连接至第二变压器次级线圈的另一端，阴极连接至第二变压器初级线圈的另一端；
所述第四极性电容的阳极连接至第六变压器初级线圈的一端，阴极连接至第六变压器次级线圈的另一端；
所述第五极性电容的阳极连接至第六变压器初级线圈的另一端，阴极连接至第六变压器次级线圈的一端。
10倍频程3dB电桥还包括第一端口阻抗、第二端口阻抗、第三端口阻抗和第四端口阻抗，所述第一端口阻抗、第二端口阻抗、第三端口阻抗和第四端口阻抗的正极分别连接至第一变压器初级线圈的另一端、第一变压器次级线圈的另一端、第六变压器次级线圈的另一端和第六变压器初级线圈的另一端；所述第一端口阻抗、第二端口阻抗、第三端口阻抗和第四端口阻抗的负极均接地；所述第一端口阻抗的一端为第一输入端，所述第二端口阻抗的一端为第二输入端，所述第三端口阻抗的一端为第一输出端，所述第四端口阻抗的一端为第二输出端。
所述第一变压器，第二变压器、第三变压器、第六变压器、同向传输线变压器和反向传输线变压器均为1:1传输线变压器。
所述第一变压器的初级电压v1与次级电压v2由初级电流i1与次级电流i2得到以下公式，
公式（1）：v1=L1*di1/dt+M*di2/dt=j*ω*L1*i1+j*ω*M*i2 ;
公式（2）：v2=L2*di2/dt+M*di1/dt=j*ω*L1*i2+j*ω*M*i1；
其中，M为互感，1:1变压器M=L1=L2=L，L1为第一变压器初级线圈的电感，L2第一变压器次级线圈的电感，L1、L2由输入输出频率决定；
则得到公式（3）v=j*ω*L*（i1+i2）；
所述公式（1）、公式（2）和公式（3）均适合第二变压器、第三变压器、第六变压器、同向传输线变压器和反向传输线变压器的初级电压和次级电压的计算。
所述第一极性电容、第二极性电容、第三极性电容、第四极性电容和第五极性电容的电容值均由输入频率和输出频率来确定。
所述高频电桥采用奇偶模分析方法，所述奇偶模分析方法包括偶模分析和奇模分析；
所述偶模分析：由于高频电桥电路的对称性，第一输入端电压与第二输入端电压相同，电流i也大小相等方向相同，即i1=i2=i，此时第一电容和第二电容可以去掉；
所述奇模分析：由于电路的对称性，第一输入端电压与第二输入端电压的方向反相且大小相等，电流i也大小相等方向相反，即i1=-i2=i，第一输入端与第二输入端的电容可以用2*c接地表征；
所述奇偶模分析方法也适用于中频电桥和低频电桥。
第一变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2=50/(3π*F2)亨；
所述第二变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2=25/(1.5π*F1)亨；
所述第三变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2=25/(1.5π*F1)亨；
所述第同向传输线变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2>>50/(2π*F1)亨；
所述第反向传输线变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2>>50/(2π*F1)亨；
所述第六变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2=50/(6π*F1)亨；
所述第一极性电容C1=1/(3π*F2*100)法；
所述第二极性电容C2=1/(3π*F2*100)法；
所述第三极性电容C3=1/(1.5π*F1*50)法；
所述第四极性电容C4=1/(6π*F1*100)法；
所述第五极性电容C5=1/(6π*F1*100)法；
所述F2/F1=10。
本发明的有益效果在于：可以实现十倍频变化，同时，输出信号稳定。十倍频程内，等幅正交输出，振幅不平衡度小于0.7dB，相位不平衡度小于3°。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是高频电桥的偶模分析等效图；
图3是高频电桥的奇模分析等效图；
图4是频率响应曲线。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，包括点频电桥和反向变压器组，所述点频电桥包括高频电桥、中频电桥和低频电桥，所述反向变压器组包括同向传输线变压器和反向传输线变压器；所述高频电桥包括第一变压器、第一极性电容和第二极性电容，所述低频电桥包括第二变压器、第三变压器和第三极性电容，所述中频电桥包括第六变压器、第四极性电容、第五极性电容；
所述第一变压器初级线圈的一端连接至第三变压器次级线圈的一端，所述第三变压器初级线圈的一端连接至反向传输线变压器初级线圈的一端，所述反向传输线变压器次级线圈的一端连接至第六变压器次级线圈的一端；
所述第一变压器次级线圈的一端连接至第二变压器初级线圈的一端，所述第二变压器次级线圈的一端连接至同向传输线变压器初级线圈的一端，所述同向传输线变压器初级线圈的另一端连接至第六变压器初级线圈的一端；
所述第二变压器初级线圈的另一端连接至第三变压器初级线圈的另一端，所述第二变压器次级线圈的另一端连接至第三变压器次级线圈的另一端；
所述同向传输线变压器次级线圈的两端均接地，所述反向传输线变压器初级线圈的另一端和次级线圈的另一端均接地。
所述第一极性电容的阳极连接至第一变压器次级线圈的一端，阴极连接至第一变压器初级线圈的另一端；
所述第二极性电容的阳极连接至第一变压器次级线圈的另一端，阴极连接至第一变压器初级线圈的一端；
所述第三极性电容的阳极连接至第二变压器次级线圈的另一端，阴极连接至第二变压器初级线圈的另一端；
所述第四极性电容的阳极连接至第六变压器初级线圈的一端，阴极连接至第六变压器次级线圈的另一端；
所述第五极性电容的阳极连接至第六变压器初级线圈的另一端，阴极连接至第六变压器次级线圈的一端。
电容采用以下标号：第一极性电容C1、第二极性电容C2、第三极性电容C3、第四极性电容C4和第五极性电容C5；
10倍频程3dB电桥还包括第一端口阻抗、第二端口阻抗、第三端口阻抗和第四端口阻抗，所述第一端口阻抗、第二端口阻抗、第三端口阻抗和第四端口阻抗的正极分别连接至第一变压器初级线圈的另一端、第一变压器次级线圈的另一端、第六变压器次级线圈的另一端和第六变压器初级线圈的另一端；所述第一端口阻抗、第二端口阻抗、第三端口阻抗和第四端口阻抗的负极均接地。
所述第一端口阻抗的一端为第一输入端，所述第二端口阻抗的一端为第二输入端，所述第三端口阻抗的一端为第一输出端，所述第四端口阻抗的一端为第二输出端。
所述第一变压器，第二变压器、第三变压器、第六变压器、同向传输线变压器和反向传输线变压器均为1:1传输线变压器。
所述第一端口阻抗、第二端口阻抗、第三端口阻抗和第四端口阻抗，所述第一端口阻抗、第二端口阻抗、第三端口阻抗和第四端口阻抗均为50欧。
所述第一变压器，第二变压器、第三变压器、第六变压器、同向传输线变压器和反向传输线变压器的初级线圈电感值和次级线圈的电感值均由输入频率和输出频率来确定。
所述第一极性电容、第二极性电容、第三极性电容、第四极性电容和第五极性电容的电容值也均由输入频率和输出频率来确定。
即：第一变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2=50/(3π*F2)亨；
所述第二变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2=25/(1.5π*F1)亨；
所述第三变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2=25/(1.5π*F1)亨；
所述第同向传输线变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2>>50/(2π*F1)亨；
所述第反向传输线变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2>>50/(2π*F1)亨；
所述第六变压器的初级线圈和次级线圈对应的电感L1=L2=50/(6π*F1)亨；
所述第一极性电容C1=1/(3π*F2*100)法；
所述第二极性电容C2=1/(3π*F2*100)法；
所述第三极性电容C3=1/(1.5π*F1*50)法；
所述第四极性电容C4=1/(6π*F1*100)法；
所述第五极性电容C5=1/(6π*F1*100)法；
所述F2/F1=10。
变压器分析：
所述第一变压器的初级电压v1与次级电压v2由初级电流i1与次级电流i2得到以下公式，
公式（1）：v1=L1*di1/dt+M*di2/dt=j*ω*L1*i1+j*ω*M*i2 ;
公式（2）：v2=L2*di2/dt+M*di1/dt=j*ω*L1*i2+j*ω*M*i1；
其中，M为互感，1:1变压器M=L1=L2=L，L1为第一变压器初级线圈的电感，L2第一变压器次级线圈的电感，L1、L2由输入输出频率决定；
则得到公式（3）v=j*ω*L*（i1+i2）；
所述公式（1）、公式（2）和公式（3）均适合第二变压器、第三变压器、第六变压器、同向传输线变压器和反向传输线变压器的初级电压和次级电压的计算。 (3)
电桥分析，采用运用奇偶模分析法：
偶模分析：由于电路的对称性第一输入端P1，第二输入端P2电压相同，电流i也大小相等方向相同，i1=i2=i， 第一输入端P1,第二输入端P2间电容可以拿掉，只剩下电感，如图2所示，由式（3）可知：
v=j*ω*L*（i1+i2）=2*j*ω*L*i，即感抗为2*j*ω*L。
Γe=(2*j*ω*L+50-50)/(2*j*ω*L+50+50)=2*j*ω*L/(2*j*ω*L+100) (端口阻抗50欧）；
Te=2*50/(2*j*ω*L+100)。
奇模分析：由于电路的对称性第一输入端P1，第二输入端P2电压反相且大小相等，电流i也大小相等方向相反，i1=-i2=i，而第一输入端P1,第二输入端P2间电容可以用2*c接地表征，如图3所示，由式（3）可得：
v=2*j*ω*L*（i1+i2）=0，即感抗为0，第一输入端P1,P3间只有两个并联到地电容，合并后容值为4*C,易得
Γo=(50/(200*j*ω*c+1)-50)/(50/(200*j*ω*c+1)+50)=-100*j*ω*c/(100*j*ω*c+1) ；
To=1/(100*j*ω*c+1)。
由奇偶关系可知：
S11=0.5*Γe+0.5*Γo=j*ω*L/(2*j*ω*L+100)-50*j*ω*c/(100*j*ω*c+1)
S31=0.5*Te+0.5*To=50/(2*j*ω*L+100)+0.5/(100*j*ω*c+1)
S21=0.5*Γe-0.5*Γo=j*ω*L/(2*j*ω*L+100)+50*j*ω*c/(100*j*ω*c+1)
S41=0.5*Te-0.5*To=50/(2*j*ω*L+100)-0.5/(100*j*ω*c+1)
由第一变压器MUC1与C1,C2组成的高频电桥与第一变压器MUC6与C4,C5组成的中频电桥的电感电容取值可知：L/C=5000 代入上式可得
S11=0；
S31=1/(100*j*ω*c+1)；
S21=100*j*ω*c/(100*j*ω*c+1)；
S41=0；
S21/S31=j*100*ω*c, 故ang(S21)-ang(S31)=90度；
当100*ω*c=1时，S31=1/(1+j)=0.707∠-45º, S21=j/(1+j)=0.707∠45º。
同理，第一变压器MUC2,第一变压器MUC3与C3组成的低频电桥电感电容取值可知：L/C=1250， 有以下S参数。
S11=0；
S31=1/(50*j*ω*c+1)；
S21=50*j*ω*c/(50*j*ω*c+1)；
S41=0；
S21/S31=j*100*ω*c, 故ang(S21)-ang(S31)=90度。
电桥依次级联后，如图1所示，各点电压分别为(根据前面S参数公式)：
VA=V1/(100*j*ω*C1+1)
VB=V1*100*j*ω*C1/(100*j*ω*C1+1)
VC=VA*50*j*ω*C2/(50*j*ω*C2+1)+VB/(50*j*ω*C2+1)
VD=VB*50*j*ω*C2/(50*j*ω*C2+1)+VA/(50*j*ω*C2+1)
VE=VC(同向）, VF=-VD(反向）
V3=VE*100*j*ω*C3/(100*j*ω*C3+1)+VF/(100*j*ω*C3+1)
=VC*100*j*ω*C3/(100*j*ω*C3+1)-VD/(100*j*ω*C3+1)
=(VA*50*j*ω*C2/(50*j*ω*C2+1)+VB/(50*j*ω*C1+1))*100*j*ω*C3/(100*j*ω*C3+1)
-(VB*50*j*ω*C2/(50*j*ω*C2+1)+VA/(50*j*ω*C2+1))/(100*j*ω*C3+1)
=(V1/(100*j*ω*c+1)*50*j*ω*C2/(50*j*ω*C2+1)+V1*100*j*ω*C1/(100*j*ω*C1+1)
/(50*j*ω*C2+1))*100*j*ω*C3/(100*j*ω*C3+1)
-(V1*100*j*ω*C1/(100*j*ω*C1+1)*50*j*ω*C2/(50*j*ω*C2+1)
+V1/(100*j*ω*C1+1)/(50*j*ω*C2+1))/(100*j*ω*C3+1)
V4=VF*100*j*ω*C3/(100*j*ω*C3+1)+VE/(100*j*ω*C3+1)
=-VD*100*j*ω*C3/(100*j*ω*C3+1)+VC/(100*j*ω*C3+1)
=-(VB*50*j*ω*C2/(50*j*ω*C2+1)+VA/(50*j*ω*C2+1))*100*j*ω*C3/(100*j*ω*C3+1)
+(VA*50*j*ω*C2/(50*j*ω*C2+1)+VB/(50*j*ω*C2+1))/(100*j*ω*C3+1)
=-(V1*100*j*ω*C1/(100*j*ω*C1+1)*50*j*ω*C2/(50*j*ω*C2+1)
+V1/(100*j*ω*C1+1)/(50*j*ω*C2+1))*100*j*ω*C3/(100*j*ω*C3+1)
+(V1/(100*j*ω*C1+1)*50*j*ω*C2/(50*j*ω*C2+1)+V1*100*j*ω*C1/(100*j*ω*C1+1)
/(50*j*ω*C2+1))/(100*j*ω*C3+1)
若F1=3MHz, F2=30MHz,C1=C2=36pF, C2=1592pF, C3=C4=173pF，由V3，V4表达式可得如下频率响应曲线，如图4所示。
需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、ROM、RAM等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (5)
1.一种10倍频程3dB电桥，其特征在于：包括点频电桥和反向变压器组，所述点频电桥包括高频电桥、中频电桥和低频电桥，所述反向变压器组包括同向传输线变压器和反向传输线变压器；所述高频电桥包括第一变压器、第一极性电容和第二极性电容，所述低频电桥包括第二变压器、第三变压器和第三极性电容，所述中频电桥包括第六变压器、第四极性电容、第五极性电容；
所述第一变压器初级线圈的一端连接至第三变压器次级线圈的一端，所述第三变压器初级线圈的一端连接至反向传输线变压器初级线圈的一端，所述反向传输线变压器次级线圈的一端连接至第六变压器次级线圈的一端；
所述第一变压器次级线圈的一端连接至第二变压器初级线圈的一端，所述第二变压器次级线圈的一端连接至同向传输线变压器初级线圈的一端，所述同向传输线变压器初级线圈的另一端连接至第六变压器初级线圈的一端；
所述第二变压器初级线圈的另一端连接至第三变压器初级线圈的另一端，所述第二变压器次级线圈的另一端连接至第三变压器次级线圈的另一端；
所述同向传输线变压器次级线圈的两端均接地，所述反向传输线变压器初级线圈的另一端和次级线圈的另一端均接地；
所述第一极性电容的阳极连接至第一变压器次级线圈的一端，阴极连接至第一变压器初级线圈的另一端；
所述第二极性电容的阳极连接至第一变压器次级线圈的另一端，阴极连接至第一变压器初级线圈的一端；
所述第三极性电容的阳极连接至第二变压器次级线圈的另一端，阴极连接至第二变压器初级线圈的另一端；
所述第四极性电容的阳极连接至第六变压器初级线圈的一端，阴极连接至第六变压器次级线圈的另一端；
所述第五极性电容的阳极连接至第六变压器初级线圈的另一端，阴极连接至第六变压器次级线圈的一端。
2.如权利要求1所述的一种10倍频程3dB电桥，其特征在于：还包括第一端口阻抗、第二端口阻抗、第三端口阻抗和第四端口阻抗，所述第一端口阻抗、第二端口阻抗、第三端口阻抗和第四端口阻抗的正极分别连接至第一变压器初级线圈的另一端、第一变压器次级线圈的另一端、第六变压器次级线圈的另一端和第六变压器初级线圈的另一端；所述第一端口阻抗、第二端口阻抗、第三端口阻抗和第四端口阻抗的负极均接地；所述第一端口阻抗的一端为第一输入端，所述第二端口阻抗的一端为第二输入端，所述第三端口阻抗的一端为第一输出端，所述第四端口阻抗的一端为第二输出端。
3.如权利要求1所述的一种10倍频程3dB电桥，其特征在于：所述第一变压器，第二变压器、第三变压器、第六变压器、同向传输线变压器和反向传输线变压器均为1:1传输线变压器。
4.如权利要求1所述的一种10倍频程3dB电桥，其特征在于：所述第一变压器的初级电压v1与次级电压v2由初级电流i1与次级电流i2得到以下公式，
公式（1）：v1=L1*di1/dt+M*di2/dt=j*ω*L1*i1+j*ω*M*i2 ;
公式（2）：v2=L2*di2/dt+M*di1/dt=j*ω*L1*i2+j*ω*M*i1；
其中，M为互感，1:1变压器M=L1=L2=L，L1为第一变压器初级线圈的电感，L2第一变压器次级线圈的电感，L1、L2由输入输出频率决定；
则得到公式（3）v=j*ω*L*（i1+i2）；
所述公式（1）、公式（2）和公式（3）均适合第二变压器、第三变压器、第六变压器、同向传输线变压器和反向传输线变压器的初级电压和次级电压的计算。
5.如权利要求2所述的一种10倍频程3dB电桥，其特征在于：所述第一极性电容、第二极性电容、第三极性电容、第四极性电容和第五极性电容的电容值均由输入频率和输出频率来确定。
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| US5060299A (en) * | 1989-09-29 | 1991-10-22 | Rockwell International Corporation | Radio frequency mixer circuit utilizing interface transformers and switching diodes |
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| CN102820870A (zh) * | 2011-06-10 | 2012-12-12 | 中国科学院上海天文台 | 超宽频带的90°有源电桥 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US5060299A (en) * | 1989-09-29 | 1991-10-22 | Rockwell International Corporation | Radio frequency mixer circuit utilizing interface transformers and switching diodes |
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