振荡器及天线的集成式设计

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 小型化设计通常要求将多种器件集成到普通、紧凑的结构中。铭记这一目标,作者追求集成振荡器的有源天线设计,其标称工作频率为2.45GHz。采用电压串联反馈来扩大有源器件的不稳定区,同时也将输入和输出反射最大化。该设计包括了带状线馈入接线天线作为不稳定有源器件的输出端元件,在天线和忽略的有源 RF电路之间具有耦合效应。在天线输入端的输出功率采用受特定相位噪声和谐波水平影响的约束进行优化。为了评价没有辐射特性干扰下的有源天线振荡特性,经过校准的传感器被放置在天线的辐射边沿,该天线具有最高电压。正如所示,在实现振荡频率调整后,满足了目标设计指标。
振荡器式有源微带天线集成了具有微带天线的有源器件来产生稳态振荡。该振荡器采用有源器件的负阻特性将直流电源转换为射频功率。已经研制成功这种有源天线的集成版本来用于在低功率水平的传感器应用。进一步的研究已设法克服这种固态源设计的功率限制,这是因为结合空间电源技术。该振荡器包括了结合微带天线的有源器件,该天线同时既是确定振荡频率的负载,又作为向空间辐射产生射频功率的器件。适当选择有源器件的工作点对工作性能而言很重要。

对于振荡器式有源微带天线,有源器件可以是二端器件,例如,IMPATT器件和Gunn二极管,或者也可以是三端器件,例如金属-外延-半导体场效应管晶体管(MESFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT),以及异质结-双极晶体管(HBT)器件。一般来说,每类固态源有利也有弊。二端器件适合毫米波频率的高功率应用,但具有低直流到射频转换效率,需要在电路与系统设计中认真注意散热。另一方面,三端器件可以提供高的直流到射频转换效率和低噪音指数,但降低了功耗水平。

微带天线具有适度尺寸、小外形,以及平面形状的优势,造就了低生产成本。平面结构也适合于集成相关的电子电路,例如有源天线的形式。本论文报告了一项研发用于本地无线局域网(WLAN)以及蓝牙有源发射天线的实验。该天线是一个工作在2.45GHz附近的振荡器型微带有源天线,其连接到一个二端不稳定有源器件。该有源器件与矩形接线天线直接集成,除了一个在天线输入端口和用于测量的有源器件之间引入短微带线外。一般情况下,这种设计过程中,馈线损耗被认为是微不足道的,但它包括在本论文中。

所有接线天线以及振荡器的设计步骤都是并行执行的。在天线旁引入了天线馈线的辐射影响,并且在馈线处的输入阻抗变化作为振荡器设计的输入参数。采用电压串联反馈来将振荡器输出动态范围最大化,并保证保持工作在有源器件的最不稳定区,以满足振荡条件的需要。

天线被认为是一个单端输入(也可以认为有两个或两个以上的输入端口),并且在所关心的频段上,所有与此相关的结果被变换到RF电路仿真器。然而,忽略了在天线和其它RF电路元件(如匹配器件和直流馈线)之间的耦合效应。首先利用现行仿真器实现设计来预测所需的振荡频率,然后再进行优化。此后,实现非线性仿真来预测振荡条件、相位噪声和功率性能。

采用安捷伦科技公司的先进设计系统(ADS)设计软件工具,对包括了馈线和振荡电路的天线特性进行仿真和分析。10应该指出的是,采用 Momentum软件包对天线进行建模,该软件已包括在ADS内。利用在GaAs MESFET有源器件的漏引脚插入一个电容器对振荡频率进行精细调节和控制,从而满足设计目标(见下表)。据观测,所获得的振荡频率范围偏离2.45 GHz中心频率的最大处约6.87%,具有低相位噪声和可接受的输出功率。



采用传感器校正因子来确定天线输入端口测量到的频率和正向功率,当天线与振荡器电路截断时,该校正因子被估算。传感器是一小块尺寸为3×5 mm的路径,置于天线边沿产生最高电压。对传感器和天线边沿之间的距离进行了优化设计而不影响天线端口的输入回波损耗,也满足了校正因子的线性条件。结果发现,需要2mm的距离(经过实验调整),用于传感器和天线之间带状线谐振频率附近大约-22.6dB的耦合。该传感器通路也通过50-O负载被连接到地线,从而改善传感电路的输出匹配。第二个引脚将传感路径连接到电路板背面同轴探头,这将传感器输出接到频谱分析仪。包含的50-O电阻可以确保这种传感器功能正确,还保证了传感器的输出连接器作为一个相对良好匹配的源出现。这将减少将其连接到一个匹配很差的功率计或频谱分析仪所可能造成的误差。首先,当将天线与有源RF电路截断时,测量该校正因子:然后,重新连接来测量振荡器的输出功率。


安捷伦科技公司的ATF-10136型GaAs MESFET在4 GHz下具有0.5 dB的噪声指数,其被选为用于集成天线/振荡器的不稳定二端有源器件。通过将开路传输线连接到FET源端口来代表电压串联反馈。对线性电路进行了优化,从而在2.45 GHz下将输入和输出端口的反射最大化。图 1表示了这些反射的响应。2.45
GHz下S11和S22的峰值分别为1.9和1.3;这些值被认为在输入和输出稳定环路是可以接受的,该环路需要集成天线/振荡器设计。



天线和RF电路器件被安装在罗杰斯公司(Rogers)具有以下规格的Duroid电路板材料上。相对介电常数、损失角正切,以及衬底高度分别是 2.55、0.0018和1.524 mm。作为有源天线振荡电路有限接地的总面积大约是8×5 cm。天线被视为一个带状馈线矩形微带通路。通路尺寸分别为长度36 mm,宽度为46
mm,而馈线尺寸分别为长15 mm,宽2 mm。2.45 GHz下馈线输入端的回波损耗幅度和相位分别为0.299和-147度。
当天线与RF电路被截断时,天线馈线和输出传感器之间的二端S参数如图2所示。当传感器置于距离辐射路径末端2mm处时,来自实测数据相应的校准因子 S'21由公式1计算得到:



图3表示了从1.8至3.0 GHz校准系数的响应。然而,考察从2变化到4mm不同距离校正因子的变化,而这些测量表明,在2.45 GHz幅度变化的最高速率,在2mm距离初读取的幅度约为0.25dB。还考察了在天线输入回波损耗处该传感器的影响,并发现小于0.01 dB,有赖于同轴馈线的使用。


天线输入阻抗数据被变换到RF电路仿真器,并且观察了有源器件输入端口处的谐振条件。然后,使用有源器件的非线性模型对输入匹配电路进行了优化,使得天线端口处的输入功率最大化。非线性模型和有源天线振荡电路的原型,其中包括了传感器,分别如图4和图5所示。正如表中所示,由实测结果证明其满足了所有指定的设计目标。




图6表示了自由运行振荡的频谱分析图,标记在2.4240 GHz和-13.33dBm处。来自指定目标的实测振荡频率之间的差别大约是1.23%:这代表了与使用射频器件有关的误差。通过改变天线输入导纳的灵敏度,在目标输出功率附近实现了振荡频率的精细调节和控制。这已经通过将MESFET输出与5-pF可变电容连接来实现。振荡频率范围大约在目标值的 6.4%之内。

 

  总之,提出并设计了集成振荡器式有源天线,其采用正串联反馈并工作在约为2.45GHz的中心频率处。接线天线和振荡器的设计步骤并行实现。电压串联反馈在振荡器输出导致了良好的动态范围。采用经过校准的输出传感器,对天线输入端口处的实测频率和正向功率,给出了可靠的结果,而不影响天线和振荡器电路元件的辐射特性,已经满足所有标称的设计目标。
 

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