集成式振蕩器天線的設(shè)計(jì)

1、    集成式振蕩器/天線的設(shè)計(jì)        來源：與非網(wǎng) 時(shí)間:2010年07月14日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        振蕩器式有源微帶天線集成了具有微帶天線的有源器件來產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)振蕩。該振蕩器采用有源器件的負(fù)阻特性將直流電源轉(zhuǎn)換為射頻功率。

2、已經(jīng)研制成功這種有源天線的集成版本來用于在低功率水平的傳感器應(yīng)用。進(jìn)一步的研究已設(shè)法克服這種固態(tài)源設(shè)計(jì)的功率限制，這是因?yàn)榻Y(jié)合空間電源技術(shù)。該振蕩器包括了結(jié)合微帶天線的有源器件，該天線同時(shí)既是確定振蕩頻率的負(fù)載，又作為向空間輻射產(chǎn)生射頻功率的器件。適當(dāng)選擇有源器件的工作點(diǎn)對工作性能而言很重要。 對于振蕩器式有源微帶天線，有源器件可以是二端器件，例如，IMPATT器件和Gunn二極管，或者也可以是三端器件，例如金屬-外延-半導(dǎo)體場效應(yīng)管晶體管(MESFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)，以及異質(zhì)結(jié)-雙極晶體管(HBT)器件。一般來說，每類固態(tài)源有利也有弊。二端器件適合毫米波頻率的高

3、功率應(yīng)用，但具有低直流到射頻轉(zhuǎn)換效率，需要在電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中認(rèn)真注意散熱。另一方面，三端器件可以提供高的直流到射頻轉(zhuǎn)換效率和低噪音指數(shù)，但降低了功耗水平。 微帶天線具有適度尺寸、小外形，以及平面形狀的優(yōu)勢，造就了低生產(chǎn)成本。平面結(jié)構(gòu)也適合于集成相關(guān)的電子電路，例如有源天線的形式。本論文報(bào)告了一項(xiàng)研發(fā)用于本地?zé)o線局域網(wǎng)(WLAN)以及藍(lán)牙有源發(fā)射天線的實(shí)驗(yàn)。該天線是一個(gè)工作在2.45GHz附近的振蕩器型微帶有源天線，其連接到一個(gè)二端不穩(wěn)定有源器件。該有源器件與矩形接線天線直接集成，除了一個(gè)在天線輸入端口和用于測量的有源器件之間引入短微帶線外。一般情況下，這種設(shè)計(jì)過程中，饋線損耗被認(rèn)為是

4、微不足道的，但它包括在本論文中。 所有接線天線以及振蕩器的設(shè)計(jì)步驟都是并行執(zhí)行的。在天線旁引入了天線饋線的輻射影響，并且在饋線處的輸入阻抗變化作為振蕩器設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)。采用電壓串聯(lián)反饋來將振蕩器輸出動態(tài)范圍最大化，并保證保持工作在有源器件的最不穩(wěn)定區(qū)，以滿足振蕩條件的需要。 天線被認(rèn)為是一個(gè)單端輸入(也可以認(rèn)為有兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入端口)，并且在所關(guān)心的頻段上，所有與此相關(guān)的結(jié)果被變換到RF電路仿真器。然而，忽略了在天線和其它RF電路元件(如匹配器件和直流饋線)之間的耦合效應(yīng)。首先利用現(xiàn)行仿真器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)來預(yù)測所需的振蕩頻率，然后再進(jìn)行優(yōu)化。此后，實(shí)現(xiàn)非線性仿真來預(yù)測振蕩條件

5、、相位噪聲和功率性能。 采用安捷倫科技公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)設(shè)計(jì)軟件工具，對包括了饋線和振蕩電路的天線特性進(jìn)行仿真和分析。10應(yīng)該指出的是，采用Momentum軟件包對天線進(jìn)行建模，該軟件已包括在ADS內(nèi)。利用在GaAs MESFET有源器件的漏引腳插入一個(gè)電容器對振蕩頻率進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)和控制，從而滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)(見下表)。據(jù)觀測，所獲得的振蕩頻率范圍偏離2.45 GHz中心頻率的最大處約6.87%，具有低相位噪聲和可接受的輸出功率。 采用傳感器校正因子來確定天線輸入端口測量到的頻率和正向功率，當(dāng)天線與振蕩器電路截?cái)鄷r(shí)，該校正因子被估算。傳感器是一小塊尺寸為3×

6、5 mm的路徑，置于天線邊沿產(chǎn)生最高電壓。對傳感器和天線邊沿之間的距離進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)而不影響天線端口的輸入回波損耗，也滿足了校正因子的線性條件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，需要2mm的距離(經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)整)，用于傳感器和天線之間帶狀線諧振頻率附近大約-22.6dB的耦合。該傳感器通路也通過50-O負(fù)載被連接到地線，從而改善傳感電路的輸出匹配。第二個(gè)引腳將傳感路徑連接到電路板背面同軸探頭，這將傳感器輸出接到頻譜分析儀。包含的50-O電阻可以確保這種傳感器功能正確，還保證了傳感器的輸出連接器作為一個(gè)相對良好匹配的源出現(xiàn)。這將減少將其連接到一個(gè)匹配很差的功率計(jì)或頻譜分析儀所可能造成的誤差。首先，當(dāng)將天線與有源RF電路截

7、斷時(shí)，測量該校正因子：然后，重新連接來測量振蕩器的輸出功率。  當(dāng)天線與RF電路被截?cái)鄷r(shí)，天線饋線和輸出傳感器之間的二端S參數(shù)如圖2所示。當(dāng)傳感器置于距離輻射路徑末端2mm處時(shí)，來自實(shí)測數(shù)據(jù)相應(yīng)的校準(zhǔn)因子S'21由公式1計(jì)算得到： 天線輸入阻抗數(shù)據(jù)被變換到RF電路仿真器，并且觀察了有源器件輸入端口處的諧振條件。然后，使用有源器件的非線性模型對輸入匹配電路進(jìn)行了優(yōu)化，使得天線端口處的輸入功率最大化。非線性模型和有源天線振蕩電路的原型，其中包括了傳感器，分別如圖4和圖5所示。正如表中所示，由實(shí)測結(jié)果證明其滿足了所有指定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。     圖6表示了自由運(yùn)行振蕩的頻譜分析圖，標(biāo)記在2.4240 GHz和-13.33dBm處。來自指定目標(biāo)的實(shí)測振蕩頻率之間的差別大約是1.23：這代表了與使用射頻器件有關(guān)的誤差。通過改變天線輸入導(dǎo)納的靈敏度，在目標(biāo)輸出功率附近實(shí)現(xiàn)了振蕩頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)和控制。這已經(jīng)通過將MESFET輸出與5-pF可變電容連接來實(shí)現(xiàn)。振蕩頻率范圍大約在目標(biāo)值的6.4之內(nèi)。 總之，提出并設(shè)計(jì)了集成振蕩器式有源天線，其采用正串聯(lián)反饋并工作在約為2.45GHz的中心頻率處。接線天線和振蕩器的設(shè)計(jì)步驟并行實(shí)現(xiàn)