孫竹竹，廖 欣

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541000)

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C波段有源接收天線子陣的設(shè)計(jì)

孫竹竹，廖 欣

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541000)

隨著無線技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)無線設(shè)備的小型化要求日益提高，因此天線的小型化、寬帶化和高增益成為了無線通信中的研究重點(diǎn)。有源天線由于其體積小、頻帶寬，受到廣泛關(guān)注。針對(duì)這些發(fā)展要求，參考有源天線的2種形式，提出將二單元天線作為一個(gè)天線陣列的子陣，通過背饋方式與低噪聲放大器集成形成一個(gè)有源接收天線子陣。測(cè)試結(jié)果表明，該有源子陣諧振頻率在4.8 GHz，工作頻段為4.6～5.0 GHz，在中心頻率處回波損耗大于20 dB，增益大于15 dB，3 dB波束寬度為35.8°。與無源天線相比，同等尺寸下工作頻帶展寬得到拓展，增益得到明顯提高。

無源天線；小型化；有源天線；低噪聲放大器；有源子陣

0 引言

現(xiàn)代天線技術(shù)在許多場(chǎng)合對(duì)所用天線提出了更高的要求[1]，無源天線滿足不了一些場(chǎng)合的應(yīng)用要求時(shí)，人們開始將目光轉(zhuǎn)向有源天線[2]。20世紀(jì)30年代末，德國(guó)慕尼黑工程學(xué)院的梅克教授就提出了有源天線的說法，并把有源器件加在天線上進(jìn)行研究，但由于當(dāng)時(shí)的有源器件只限于電子管，而電子管的特性以及電源供給等都存在著不少難以解決的問題，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中斷。直到20世紀(jì)60年代末，電子器件的集成化在很大程度上推動(dòng)了有源天線的發(fā)展[3]。近年來，有源天線在軍事上和民用上的用途越來越廣泛，對(duì)天線的小型化要求也越來越高[4]。文獻(xiàn)[5-7]設(shè)計(jì)了不同的有源相控雷達(dá)應(yīng)用在火箭的制導(dǎo)、衛(wèi)星的遙控和飛機(jī)空中交通控制中。本文主要研究的有源接收天線屬于天線饋線輸出端和有源網(wǎng)絡(luò)連接，采用簡(jiǎn)單的貼片天線與有源天路合成方法實(shí)現(xiàn)了天線的寬頻帶高增益，在民用設(shè)備上具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 C波段天線子陣設(shè)計(jì)

天線輻射單元采用嵌入式側(cè)饋方式進(jìn)行饋電，采用這種饋電方式不僅便于調(diào)節(jié)阻抗匹配，同時(shí)可以獲得更好的帶寬[8]。在理論計(jì)算的尺寸基礎(chǔ)上調(diào)整邊長(zhǎng)L0和W0會(huì)改變單元的阻抗和諧振點(diǎn)。改變嵌入的槽寬WS和槽深度LS會(huì)影響?zhàn)侂娞幍淖杩?，進(jìn)而影響匹配[9]。天線嵌入槽深對(duì)天線反射系數(shù)和阻抗的影響如圖1所示。

天線子陣采用通過1/4波長(zhǎng)阻抗變換進(jìn)行匹配，匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。匹配網(wǎng)絡(luò)饋電中心為50 Ω，采用背饋方式。左右兩邊微帶線阻抗為100 Ω，通過70.7 Ω阻抗變換器變?yōu)?0 Ω和輻射單元連接。這種饋電方式簡(jiǎn)單，各貼片等幅同相饋電[10]。

圖1 LS對(duì)反射系數(shù)和阻抗影響

圖2 天線子陣模型

經(jīng)過不斷仿真優(yōu)化，確定W0=25 mm，L0=20.5 mm，WS=5.5 mm，LS=6.2 mm，L1=11 mm，L2=10.7 mm，W2=1.8 mm，W3=0.9 mm，天線陣諧振點(diǎn)在4.8 GHz并匹配良好，阻抗帶寬內(nèi)的回波損耗要大于10 dB。最終天線子陣設(shè)計(jì)選擇介電常數(shù)為2.2，厚度為1 mm的Arlon DiClad880介質(zhì)板。天線仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 二單元S參數(shù)

通過仿真得到該二單元天線諧振頻率在4.8 GHz，阻抗帶寬約為0.2 GHz，最大增益為10.9 dB。E面3 dB波束寬度約為37°。

2 C波段低噪聲放大器設(shè)計(jì)

晶體管的選擇是低噪聲放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[11]。晶體管的電氣性能直接決定低噪聲放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)。晶體管的選擇要考慮其性能、工作條件及價(jià)格等。本文設(shè)計(jì)選用安華高(Avago)公司的高電子遷移率晶體管(PHEMT)ATF54143，該晶體管可以工作在450 MHz～6 GHz，具有高增益、高線性、低噪聲及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

將Vds=3 V，Ids=60 mA確定為該晶體管的工作電壓和電流，利用利用ADS仿真軟件進(jìn)行電壓偏置電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成的電壓偏置電路顯示Vds=2.96 V，Ids=58.4 mA，與設(shè)計(jì)指標(biāo)基本相同。

端口的輸入輸出端匹配是低噪聲放大器設(shè)計(jì)的必不可少的要素，該部分設(shè)計(jì)對(duì)低噪聲放大器的S參數(shù)及噪聲系數(shù)等影響很大[12]。進(jìn)行輸入端口匹配時(shí)，一般最大增益的輸入阻抗和最小噪聲的輸入阻抗不一定是重合的，這時(shí)候就需要在增益和噪聲系數(shù)間進(jìn)行一個(gè)綜合考慮和權(quán)衡。對(duì)于低噪聲放大器來說，尤其是作為第一級(jí)接收放大器，最先要考慮的就是最小噪聲系數(shù)。4.8 GHz時(shí)噪聲系數(shù)圓和增益圓圖如圖4所示。

圖4 等噪聲系數(shù)圓和等增益圓

m2點(diǎn)表示最大增益為13.8 dB時(shí)的輸入阻抗，m1點(diǎn)表示取得最小噪聲為0.73時(shí)的輸入阻抗。因?yàn)橐紤]最小噪聲，這時(shí)最優(yōu)的輸入阻抗為50*(0.403+0.406j) Ω，使用Smith圓圖完成匹配。同樣在輸出端口進(jìn)行輸出端的匹配，以求獲得最大的輸出增益。

經(jīng)過計(jì)算晶體管穩(wěn)定性，仿真比較了一般結(jié)構(gòu)和RL負(fù)反饋電路的結(jié)構(gòu)。RL負(fù)反饋調(diào)節(jié)使晶體管穩(wěn)定系數(shù)變大，但是也導(dǎo)致噪聲系數(shù)變大，增益稍微降低。反饋電路的引入并沒有給電路整體性能帶來提高，反而降低，也不方便加工。因此，最后就采用一般的設(shè)計(jì)方法。最終確定了低噪聲放大器電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 匹配后的電路結(jié)構(gòu)

原理圖仿真過程中采用微帶線取代連接線，這樣不僅方便后期的版圖設(shè)計(jì)，同時(shí)也能降低聯(lián)合仿真的誤差。最后仿真結(jié)果得到4.7～4.9 GHz頻段內(nèi)噪聲系數(shù)小于0.9 dB，輸入輸出端口反射系數(shù)均小于-10 dB，增益大于13 dB。

3 有源天線的集成

將無源天線和有源電路集成為接收前端，集成方式如圖6所示。天線單元饋電點(diǎn)和有源電路輸入端通過同軸探針連接，同直接采用金屬探針比，采用同軸探針的連接可以更好地使天線和有源電路匹配。電路部分制作在介電常數(shù)為2.2、厚度為1 mm的Arlon DiClad880介質(zhì)板上。將信號(hào)線輸出端口和直流偏置電流線端口引出。

圖6 有源天線單元結(jié)構(gòu)

集成之后的天線整體尺寸為100 mm×40 mm，有源天線并沒有改變整體天線的尺寸。

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 天線子陣測(cè)試

考慮到易集成性，同時(shí)后期要進(jìn)行對(duì)比和分析，最終天線子陣采用背饋方式饋電[13]。完成了實(shí)物制作，并進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)物如圖7(a)所示，測(cè)試的S參數(shù)如圖7(b)所示。通過實(shí)測(cè)和仿真比較，可以看到實(shí)測(cè)S參數(shù)略大了一點(diǎn)，頻點(diǎn)稍微往低頻端有一些飄移，但是在工作頻帶內(nèi)回波損耗大于10 dB，滿足應(yīng)用要求。

圖7 背饋天線單元實(shí)物和測(cè)試結(jié)果

4.2 C波段低噪放大器測(cè)試

完成的放大器實(shí)物首先應(yīng)測(cè)試其靜態(tài)工作點(diǎn)電壓是否正確，考慮到走線及焊接影響，工作電壓和電流肯定有些許變化。同時(shí)，輸入輸出端匹配電路也要調(diào)整。最終低噪聲放大器實(shí)物圖如圖8所示，增益測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖8 低噪聲放大器實(shí)物

圖9 低噪聲放大增益測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，在4.7～4.9 GHZ頻段內(nèi)輸入輸出端口反射系數(shù)均小于-10 dB，增益約為7 dB。經(jīng)調(diào)試后仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)基本相同，但是增益比仿真低約4 dB。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的頻率較高，版圖設(shè)計(jì)的精度，加上手工焊接等原因都會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)結(jié)果的性能降低。但是最終各項(xiàng)結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4.3 C波段有源接收子陣測(cè)試分析

接收子陣的測(cè)試結(jié)果如圖10所示。由圖10(a)中曲線可以看到，在加入有源電路，整個(gè)有緣天線的帶寬變寬。相比與無源天線，帶寬從4.7～4.9 GHz展寬為4.6～5.0 GHz。在一定程度上拓展了工作帶寬。

采用NSI2000近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)可以直接測(cè)出子陣E面方向圖，以及天線增益等參數(shù)。將測(cè)得的方向圖反歸一化處理，可以都得到有源子陣和無源子陣的E面方向圖的對(duì)比結(jié)果，如圖10(b)所示。測(cè)試結(jié)果顯示，有源子陣比無源子陣增益高將近7 dB，3 dB波束寬度為35.8°，和無源子陣基本相同。最后通過比較法可以得到，無源天線子陣的增益為10.2 dB,有源天線子陣增益為16.7 dB，測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖10 有源天線單元實(shí)測(cè)結(jié)果

通過對(duì)無源子陣天線、有源低噪聲放大器以及有源子陣的測(cè)試，天線子陣和仿真結(jié)果幾乎一致，低噪聲放大器比仿真略差，考慮到加工制作的精度，誤差在可接受范圍內(nèi)。有源天線單元測(cè)試和仿真分析結(jié)果相吻合，拓展帶寬的同時(shí)，提高增益約7 dB，整體增益大于15 dB，與設(shè)計(jì)指標(biāo)吻合。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)設(shè)計(jì)的有源天線子陣，可以發(fā)現(xiàn)同等尺寸的情況下，有源貼片天線可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)寬帶化，高增益，同時(shí)提高了接收機(jī)的靈敏度，性能良好。相比與單獨(dú)的無源天線，帶寬展寬0.3 GHz左右，增益提高7 dB，方向圖無惡化。為以后有源相控陣列天線的設(shè)計(jì)提供一條可實(shí)施的思路。

相比于現(xiàn)在天線的應(yīng)用發(fā)展的要求，普通的貼片天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是天線本身卻沒有實(shí)現(xiàn)小型化。后期可以通過改變天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)無源天線的小型化，同時(shí)使整個(gè)有源天線陣列體積減小。采用高集成化的有源電路也是提高有源天線穩(wěn)定性和小型化的方法之一，這些改進(jìn)將會(huì)使有源天線得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] 楊莘元.現(xiàn)代天線技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2009.

[2] 龔文斌.星載DBF多波束發(fā)射有源陣列天線[J].電子學(xué)報(bào),2010,38(12):2 904-2 909.

[3] GIOFRE R,COLANTONIO P,GIANNINI F.A Design Approach for Two Stages GaN MMIC PAs With High Efficiency and Excellent Linearity[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters,2016,26(1):46-48.

[4] MING L,CHEN C C,VOLAKIS J L.Ultra Wideband Antenna Miniaturization Using Distributed Lumped Element Loading[J].Antennas and Propagation Society International Symposium,IEEE,2005(1B):549-552.

[5] HONG S,CHOI J,HONG S.Miniaturization of an Ultra-Wideband Antenna with Two Spiral Elements[J].Etri Journal,2009,31(1):71-73.

[6] GANTERT S,GUETTICH U.Transmit/Receive Module of an Active Phased Array Radar Antenna[P].EP,EP1293798,2006.

[7] 中 秋.彈載有源相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用[J].兵器知識(shí),2016(2)：56-59.

[8] CHEN W S,WU C K,WONG K L.Single-feedsquare-ring Microstrip Antenna with Truncated Corners for Compact Circular Polarisation Operation[J].Electronics Letters,1998,34(11):1 045-1 047.

[9] 王亞洲,蘇東林,肖永軒,等.寬頻帶正方形微帶貼片天線的設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2006,22(S1):29-31.

[10] ZAMAN M R,ZAMAN M R,ISLAM M T,et al.Analysis of Glass-reinforced Epoxy Material for Radio Frequency Resonator[J].Scientific World Journal,2014,(1):174-175.

[11] REVANKAR U K,SREENIVASULU K,VEERABHADRA K M.Transmit/Receiver Module for Active Phased Array Antenna[P].US,US6784837,2004.

[12] 張志華.2.4 GHz微波低噪聲放大器設(shè)計(jì)[D].杭州:杭州電子科技大學(xué),2012.

[13] WU CTM,ITOH T.A High Gain Active Antenna Array Using Dual-fed Distributed Amplifier-based CRLH-leaky Wave Antennas[C]∥Microwave Conference Proceedings,2012:136-138.

孫竹竹 男，(1990—)，碩士研究生。主要研究方向：微波技術(shù)與天線。

廖 欣 男，(1968—)，工程師。主要研究方向：微波光電。

Design of C-band Active Receiving Antenna Subarray

SUN Zhu-zhu,LIAO Xin

(SchoolofInformationandCommunication，GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541000,China)

With the rapid development of wireless technology,the demand for the miniaturization of wireless devices is increasing,miniaturized and broadband antenna becomes a focus of research in wireless communications.Active antennas attract extensive attention because of their small size and wide band.According to the development requirements,the paper proposes,on the basis of two forms of active antenna,that a two-element antenna can be taken as a subarray of anantenna array,and the subarray can be integrated with a low noise amplifier through back-feed mode to form an active receiving antenna subarray.The measurement results show that the resonance frequency of the active subarray is 4.8 GHz,the operating band is 4.6 to 5.0 GHz,the return loss is more than 20 dB within the center band,the gain is greater than 15 dB,and the 3 dB beam width is 35.8°.As compared with passive antenna,the proposed active antenna’s operating band is broadened,and its gain is obviously improved under the same size.

passive antenna;miniaturization;active antenna;low noise amplifier;active subarray

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.15

孫竹竹,廖 欣.C波段有源接收天線子陣的設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2016,46(12):58-62.

2016-08-19

桂林科技攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(20130102-5)。

TN820.1+5；TN827+.2

A

1003-3106(2016)12-0058-05