有源集成背馈式接收天线设计

摘要：为了提高接收天线系统的增益以及灵敏度，对于天线与射频前端组成的接收系统采用了一种有源集成接收天线的设计方案，从而省略了传统设计中的有源电路与微带天线之间的匹配网络。依照此方案，设计并实现了一个背馈结构的矩形微带天线与前级低噪声放大器电路的有源集成。矩形微带天线的馈电点与低噪声放大器的输入端通过金属探针相连，当天线在2.48GHz谐振时，通过选择合适的馈电点位置，天线产生放大器设计所需的输入阻抗.有源集成背馈式接收天线工作于S波段，最终的测试结果显示了其优良的特性。

关键词：有源网络；阻抗匹配；微带天线；接收天线；微波放大器

引言

　　随着通信应用频率的日益提高，有源集成天线的概念被引入到现代微波以及毫米波结构的设计当中。并被广泛应用于军事和商业领域，如相控阵、毫米波功率合成、无线传感器、个人移动通信等方面。有源集成天线将射频前端的辐射单元(微带天线)和有源器件(放大器、振荡器等)集成在一起，天线和有源器件被看作一个整体，或者可以将天线看作是电路的一部分来设计，这有别于传统的无线电系统设计方法。在传统的方法中，天线和有源电路是分别独立设计的，之间再通过一个接口电路连接在一起，通常是50Ω的传输线或标准波导连接器件。随着无线电应用频率的提高，传输线的插入损耗也迅速提高。省略天线同有源电路间不必要的传输损耗，对于接收机射频前端性能的提高会起到较大的作用。本文采用背馈的方式使得矩形微带天线和电路分别位于不同的介质板，天线通过一根穿过介质板的金属探针直接与有源电路输入端相连，通过调节矩形微带天线探针馈电点位置，使得天线输出阻抗满足有源电路(低噪声放大器)实现规定增益和噪声等参数的输入阻抗要求，从而省略了中间的匹配电路。本文最终实现了一个工作在S波段，中间无匹配电路的背馈式低噪放有源集成接收天线，并测试了它的增益，电路输出端口的驻波比以及天线的方向图，并与相同结构的无源天线相比较，验证了这种技术的可行性和优越性。

低噪声放大器设计

对低噪声放大器采用单向化设计，综合考虑稳定性、增益以及噪声等参数，确定放大器所需要的输入阻抗值。

本文采用微波混合集成电路来实现有源低噪声放大器电路的匹配设计，低噪声放大器电路的有源器件选取了型号为ATF34143的HEMT(HighElectron Mobility Transistor，高电子活动度晶体管)。晶体管的工作频带包含了所需频段，且带宽足够大，在增益、噪声系数，以及线性度上都有很好的性能。

首先确定晶体管的静态工作点，对管子的偏置电压进行扫描，最终选取的漏源偏置电压V_ds=3V，电流I_ds=40 mA。在确定偏置以后，需要分析晶体管的散射参数，确定稳定性，并折衷考虑增益和噪声系数，最后确定低噪声放大器所要求的源阻抗，也就是后边所要设计的天线输入阻抗.晶体管的对应静态工作点的散射参量模型由厂商提供。

图1　有源集成天线示意图

如图1所示，根据反射系数Γ_out和Γ_s的关系



其中，S₁₁，S₁₂ ，S₂₁和S₂₂分别为对应频点晶体管的散射参量，可以得到当Γ_out=1时Γ_s的的轨迹——源稳定圆。



式中，r_s为圆半径；C_s为圆心；Δ=S₁₁S₂₂ -S₁₂ S₂₁.另外，放大器的增益Ga以及输出端噪声系数F和晶体管的散射参数及Γ_s有如下的关系，其中Γ_opt代表最小噪声系数时的Γ_s。



　　若晶体管散射参数已定，当Ga和F等于常数时，Γs的轨迹均为圆.图2 给出了分析的数据曲线，工作频点为2.48GHz，在圆图左上角的粗线圆弧为部分源稳定圆，稳定圆内为稳定区，所以整个电路工作于绝对稳定区；Smith圆图内的虚线圆为等资用功率增益Ga=12.9dB；实线圆为F=0.3dB的等噪声系数圆。图上，工作点m₁工作在绝对稳定区，优先考虑噪声系数，则取源阻抗为Z_s=20.332+j48.459Ω，此即为有源集成接收天线所要求的背馈微带天线的输入阻抗。

图2 　晶体管源稳定圆、等资用功率增益圆、等噪声系数圆

由式(1)可以得到低噪声放大器的输出阻抗Γ_out，输出端采用共轭匹配，使Γ_l=Γ³_out，按照Γ_l设计到50Ω的输出匹配电路。整体电路如图3所示。此时可见管子的输入端没有加任何匹配电路。有源电路部分采用的是相对介电常数9.6、厚度1mm的微波介质板材。

可以得到电路输入端需要的输入阻抗约为20+50jΩ ，此时预计低噪声放大器电路的噪声系数为0.3dB，增益为12.9dB。

图3　由ATF34143组成的低噪声放大器电路

矩形微带天线阻抗分析

由低噪声放大器的设计要求，在矩形微带天线的工作频点2.48GHz上，需要输出阻抗应在20+50jΩ附近，通过改变天线馈电点的方法可以得到预期的输入阻抗。

从微带天线特性可知，只要天线形状一定，天线的谐振频率也就随之确定，而天线的输入阻抗会因馈电点的不同而改变。对于背馈式矩形微带天线，它的形式如图4所示。贴片位于厚度为1.5mm相对介电常数为2.55的介质板上，xf表示馈电点的位置。

图4　微带天线探针馈电方式

天线的尺寸确定以后，改变天线的馈电点，天线的谐振频率只有稍微的改变，而天线的输入阻抗则随着馈电点的改变有明显的变化.因而可以通过改变天线馈电点的方法来得到预期的输入阻抗，而对于天线谐振频率所出现的偏差只需要小范围调整天线的尺寸便可以修正。首先考虑天线的频率谐振点，再考虑天线的输出阻抗。这里用矩量法对天线进行分析计算。

图4中，L是天线垂直边长度，W是天线的另一边长度.可以通过有关天线计算公式[9]得到W=38.9mm，L=37.9mm，x_f=14mm作为软件建立模型的初始参数.把L和x_f设为变量参数，分别进行参数扫描，先扫描L，可以得到天线在2.48GHz谐振时的天线垂直边长度，见图5a；之后固定L，扫描x_f，可以得到天线输出阻抗满足要求的馈电点位置，见图5b，可最终得到最佳的结构尺寸。

图5　天线结构尺寸与谐振频率输出阻抗的关系

最终调整后得到天线的尺寸为W=38.9mm，L=36.18mm，x_f=15.2mm.在2.48GHz得到此时谐振的输出阻抗为18.98+ 42.76jΩ ，很接近前边低噪声放大器的设计要求。

图6　有源集成天线的侧视图

整体有源集成天线的结构

整体有源集成天线的结构如图6所示。这是一个双介质层结构，矩形微带天线在天线介质层的顶层，低噪声放大器在电路介质层的底层。它们中间借助一个探针来相连。天线介质层和电路介质层具有不同的介电常数以及厚度。图7为实际制作的有源集成天线实物。

图7　有源集成天线实物

测量结果

有源集成天线的低噪声放大器的增益
由图8所示搭制有源集成天线的测量系统，可以得到其中的低噪声放大器的增益。

图8　有源集成天线测量系统

另外，需要额外单独加工一个同有源集成天线大小结构尺寸相同，但匹配到标准50Ω的矩形微带天线作为参考天线。矢量网络分析仪(HP8719es，Agilent公司)测试的传输系数曲线如图9所示。



其中，G_T 、S₂₁(a)、S₂₁(p)的单位均为dB.脚标a代表有源天线；p 代表无源参考天线；Γ_p 代表无源参考天线的端口反射系数，近似等于S₁₁( S₁₁=0.1617，HP8719es测得).根据公式11，可以推出，有源集成天线中的单级低噪声放大器在2.48GHz增益为13.87dB。

图9　测量的传输系数

有源集成天线和参考天线的带宽比较
无源参考天线端口处的驻波比曲线如图10所示，若以驻波比2.5以下作为天线的带宽标准，则可得天线的中心谐振工作点为2.48GHz，相对带宽为1.85%；与此相比，有源集成天线的端口处的驻波比曲线如图11所示，在驻波比2.5以下的天线频带范围为2.36～2.89GHz。

图10 　无源参考天线端口处的驻波比曲线

图11　有源集成天线端口处的驻波比曲线

有源集成天线和参考天线方向图比较
如图12，可知有源集成天线的归一化方向图同无源参考天线的对应归一化方向图比较没有多大差别。这意味着背馈式矩形贴片有源集成天线的辐射特性并没有改变。

图12 　主极化和交叉极化归一化方向图

结束语

本文提出了一种有源集成接收天线的设计方案：调节天线的输出阻抗，满足有源电路的设计要求，完全省略了天线与电路之间的匹配电路。通过设计，整个系统工作在2.48GHz，并得到了一个较好的测量结果：单级低噪声放大器的电路增益为13.87dB；在有源集成天线的驻波比带宽上，与相同结构的传统无源天线相比，有一个显著的提高，这主要是由于天线增加了有源器件后，有源器件的输出阻抗在很宽的频带内变化较小；此外，在工作频点2.48GHz，有源集成天线的归一化方向图与结构相同的无源参考天线相比，差别不大。这种有源集成天线显示了在无线局域网、蓝牙以及微波传输系统上优良的应用前景。