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

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。有源天線由于其體積小、頻帶寬，受到廣泛關(guān)注。針對這些發(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有源接收天線子陣。測試結(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)在許多場合對所用天線提出了更高的要求[1]，無源天線滿足不了一些場合的應(yīng)用要求時，人們開始將目光轉(zhuǎn)向有源天線[2]。20世紀30年代末，德國慕尼黑工程學(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行研究，但由于當(dāng)時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)致實驗中斷。直到20世紀60年代末，電子器件的集成化在很大程度上推動了有源天線的發(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，對天線的小型化要求也越來越高[4]。文獻[5-7]設(shè)計了不同的有源相控雷達應(yīng)用在火箭的制導(dǎo)、衛(wèi)星的遙控和飛機空中交通控制中。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，采用簡單的貼片天線與有源天路合成方法實現(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

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

天線子陣采用通過1/4波長阻抗變換進行匹配，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。這種饋電方式簡單，各貼片等幅同相饋電[10]。

圖1 LS對反射系數(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

晶體管的選擇是低噪聲放大器設(shè)計的一個重要環(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)計指標能否實現(xiàn)。晶體管的選擇要考慮其性能、工作條件及價格等。本文設(shè)計選用安華高(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、低噪聲及價格便宜等優(yōu)點。

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仿真軟件進行電壓偏置電路設(shè)計。設(shè)計完成的電壓偏置電路顯示Vds=2.96 V，Ids=58.4 mA，與設(shè)計指標基本相同。

端口的輸入輸出端匹配是低噪聲放大器設(shè)計的必不可少的要素，該部分設(shè)計對低噪聲放大器的S參數(shù)及噪聲系數(shù)等影響很大[12]。進行輸入端口匹配時，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，這時候就需要在增益和噪聲系數(shù)間進行一個綜合考慮和權(quán)衡。對于低噪聲放大器來說，尤其是作為第一級接收放大器，最先要考慮的就是最小噪聲系數(shù)。4.8 GHz時噪聲系數(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點表示最大增益為13.8 dB時的輸入阻抗，m1點表示取得最小噪聲為0.73時的輸入阻抗。因為要考慮最小噪聲，這時最優(yōu)的輸入阻抗為50*(0.403+0.406j) Ω，使用Smith圓圖完成匹配。同樣在輸出端口進行輸出端的匹配，以求獲得最大的輸出增益。

經(jīng)過計算晶體管穩(wěn)定性，仿真比較了一般結(jié)構(gòu)和RL負反饋電路的結(jié)構(gòu)。RL負反饋調(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，同時也能降低聯(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 測試結(jié)果分析

4.1 天線子陣測試

考慮到易集成性，同時后期要進行對比和分析，最終天線子陣采用背饋方式饋電[13]。完成了實物制作，并進行了測試。實物如圖7(a)所示，測試的S參數(shù)如圖7(b)所示。通過實測和仿真比較，可以看到實測S參數(shù)略大了一點，頻點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 背饋天線單元實物和測試結(jié)果

4.2 C波段低噪放大器測試

完成的放大器實物首先應(yīng)測試其靜態(tài)工作點電壓是否正確，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，輸入輸出端匹配電路也要調(diào)整。最終低噪聲放大器實物圖如圖8所示，增益測試結(jié)果如圖9所示。

圖8 低噪聲放大器實物

圖9 低噪聲放大增益測試結(jié)果

測試結(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)果和實測基本相同，但是增益比仿真低約4 dB。因為設(shè)計的頻率較高，版圖設(shè)計的精度，加上手工焊接等原因都會導(dǎo)致實測結(jié)果的性能降低。但是最終各項結(jié)果符合設(shè)計指標。

4.3 C波段有源接收子陣測試分析

接收子陣的測試結(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近場測試系統(tǒng)可以直接測出子陣E面方向圖，以及天線增益等參數(shù)。將測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面方向圖的對比結(jié)果，如圖10(b)所示。測試結(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，測試結(jié)果符合設(shè)計指標。

圖10 有源天線單元實測結(jié)果

通過對無源子陣天線、有源低噪聲放大器以及有源子陣的測試，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)。有源天線單元測試和仿真分析結(jié)果相吻合，拓展帶寬的同時，提高增益約7 dB，整體增益大于15 dB，與設(shè)計指標吻合。

5 結(jié)束語

根據(jù)設(shè)計的有源天線子陣，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現(xiàn)寬帶化，高增益，同時提高了接收機的靈敏度，性能良好。相比與單獨的無源天線，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)計提供一條可實施的思路。

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)簡單，但是天線本身卻沒有實現(xiàn)小型化。后期可以通過改變天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)無源天線的小型化，同時使整個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，這些改進將會使有源天線得到更廣泛的應(yīng)用。

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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[J].無線電工程,2016,46(12):58-62.

2016-08-19

桂林科技攻關(guān)基金資助項目(20130102-5)。

TN820.1+5；TN827+.2

A

1003-3106(2016)12-0058-05