四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

近年來(lái)，有源天線(xiàn)已經(jīng)成為了人們?cè)絹?lái)越感興趣的領(lǐng)域。在5G 通信系統(tǒng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，天線(xiàn)有源化、小型化和一體化趨勢(shì)越加明顯[1?3]。有源集成天線(xiàn)(active integrated antenna，AIA)是一種能與有源非線(xiàn)性射頻器件(如功率放大器、低噪聲放大器或振蕩器等)集成在一起的天線(xiàn)[2]。天線(xiàn)同時(shí)作為輻射器和放大器的匹配負(fù)載，在保證系統(tǒng)性能的前提下，大幅度減小了系統(tǒng)尺寸[3?4]。天線(xiàn)加入有源網(wǎng)絡(luò)可有效地拓展阻抗帶寬，改善穩(wěn)定性[5?7]，有源電路部分提供了功率增益，從而提高了天線(xiàn)的等效增益[8?9]；文獻(xiàn)[10?14]中的天線(xiàn)采用諧波抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅提高了系統(tǒng)的電磁兼容性，還提高了功放的功率附加效率(power added efficiency,PAE)，減小了系統(tǒng)總功耗。這些設(shè)計(jì)對(duì)諧波有較好的抑制效果，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、不易加工。

本文提出一種簡(jiǎn)潔的諧波抑制天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，有源天線(xiàn)整體結(jié)構(gòu)緊湊，并且實(shí)現(xiàn)了良好的諧波抑制效果。功率放大電路基于小信號(hào)S 參數(shù)進(jìn)行了匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量了該有源天線(xiàn)輸入端口駐波比和輻射方向圖，驗(yàn)證了其優(yōu)良的特性。

1 功率放大器設(shè)計(jì)

功率放大器是無(wú)線(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它的功率輸出能力和穩(wěn)定性會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的傳輸性能。因此，有必要先對(duì)功放電路進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)選用富士通公司的一款功率管，型號(hào)為FLL101ME。它是工作在L-S 波段的寬帶AB 類(lèi)GaAs 場(chǎng)效應(yīng)管，最大輸出功率典型值為29.5 dBm，效率為47%，適用于基站應(yīng)用，符合設(shè)計(jì)要求。

在設(shè)計(jì)功放時(shí)為了得到最大功率輸出，通常讓功率管工作在飽和狀態(tài)。理想情況下，應(yīng)該利用功率管的大信號(hào)非線(xiàn)性模型設(shè)計(jì)電路。然而該器件廠商并沒(méi)有提供大信號(hào)模型。因此需要根據(jù)功率管小信號(hào)S 參數(shù)進(jìn)行功放電路匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

1.1 功率管參數(shù)提取

首先需要確定功率管的輸出阻抗。為了準(zhǔn)確計(jì)算出最佳輸出阻抗ZL，應(yīng)該盡可能將管子的所有參數(shù)都計(jì)入,包括最佳輸出阻抗實(shí)部RL、與負(fù)載并聯(lián)的電容Cds和封裝產(chǎn)生的寄生參數(shù)Rdq、Ldq。參照該功率管數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的I-V特性曲線(xiàn)，根據(jù)式(1)，可以確定管子的最佳輸出阻抗實(shí)部RL為45.5 Ω。

式中：Vd為漏極工作電壓；Vs為I-V特性曲線(xiàn)的拐點(diǎn)電壓；Idss為柵源電壓等于零時(shí)的漏極電流。將數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的S 參數(shù)數(shù)據(jù)與MESFET 小信號(hào)等效電路模型進(jìn)行擬合。經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化提取到寄生元件值Cds=1.1 pF，Rdq=0.5 Ω，Ldq=0.8 nH，最終確定該功率管最佳負(fù)載阻抗ZL約為(29+j9.7) Ω。

1.2 匹配網(wǎng)絡(luò)及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

功放的輸入匹配電路影響增益，輸出匹配電路影響輸出功率和效率。因此，設(shè)計(jì)輸出匹配電路要依據(jù)最大功率傳輸匹配的原則。先根據(jù)管子的最佳負(fù)載阻抗ZL設(shè)計(jì)輸出匹配電路，之后再設(shè)計(jì)輸入匹配電路。此時(shí)，輸出電路已經(jīng)滿(mǎn)足最大功率輸出匹配，后期在進(jìn)行整體電路優(yōu)化時(shí)，輸出匹配電路的各項(xiàng)參數(shù)不再改變。

設(shè)計(jì)直流偏置電路時(shí)，應(yīng)盡量減小其對(duì)主電路微波特性的影響,避免微波沿著偏置電路泄漏以及外界干擾進(jìn)入主路。本設(shè)計(jì)采用四分之一波長(zhǎng)短路微帶線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。微帶線(xiàn)終端通過(guò)去耦電容接地，有效地扼制了射頻信號(hào)泄漏到直流供電端口。

在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，穩(wěn)定性系數(shù)K也是一個(gè)很重要的指標(biāo)。當(dāng)K＜1 時(shí)，功放電路不穩(wěn)定，可能會(huì)導(dǎo)致自激，嚴(yán)重情況會(huì)燒壞功率管。穩(wěn)定性設(shè)計(jì)有很多種形式，本設(shè)計(jì)采用輸入匹配電路并聯(lián)一條終端接10 Ω 電阻的λ/4 分支線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。加入穩(wěn)定性電路后的仿真結(jié)果如圖1、2 所示，中心頻率2.45 GHz 電路增益為14.6 dB，|S11|＜?51 dB。功放在整個(gè)S 波段內(nèi)穩(wěn)定性系數(shù)K＞1，電路絕對(duì)穩(wěn)定。

圖1 優(yōu)化后的S 參數(shù)

圖2 優(yōu)化后的穩(wěn)定系數(shù)K

1.3 加工實(shí)測(cè)

功放加工實(shí)物如圖3 所示。測(cè)試時(shí)首先調(diào)整直流偏置,使功放工作在AB 類(lèi)，此時(shí)管子的靜態(tài)工作點(diǎn)漏級(jí)電壓Vds=10 V，漏級(jí)電流Ids=0.12 A。

圖3 功放加工實(shí)物

圖4 為功放實(shí)測(cè)結(jié)果。最大輸出功率30.1 dBm，增益10.2 dB，功率附加效率(PAE) 57.4%。實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了提取功率管參數(shù)的準(zhǔn)確性，功放整體性能實(shí)現(xiàn)良好，為后面有源集成天線(xiàn)的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考。

圖4 功放測(cè)試結(jié)果

2 諧波抑制天線(xiàn)設(shè)計(jì)

在有源天線(xiàn)設(shè)計(jì)中，有源非線(xiàn)性器件的引入會(huì)產(chǎn)生高次諧波輻射，從而影響系統(tǒng)性能。傳統(tǒng)解決方法是在天線(xiàn)與有源器件之間增加抑制諧波的濾波器。但這種結(jié)構(gòu)會(huì)增加天線(xiàn)尺寸，并引入不必要的損耗[15]。

諧波抑制天線(xiàn)是將天線(xiàn)與濾波器合二為一，天線(xiàn)同時(shí)作為輻射器和諧波抑制濾波器，有效降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和損耗[16]。首先設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率2.45 GHz 的正方形貼片天線(xiàn)。板材選用FR4，介電常數(shù)4.6，厚度1 mm。端口激勵(lì)阻抗設(shè)置為29 Ω 而不是傳統(tǒng)的50 Ω，接近功放的輸出最佳負(fù)載阻抗ZL，便于集成時(shí)進(jìn)一步調(diào)匹配。最終得到輻射貼片尺寸為28.8 mm×28.8 mm。

通過(guò)仿真4.9 GHz 頻率處貼片表面電流分布，發(fā)現(xiàn)對(duì)角線(xiàn)是二次諧波電流流動(dòng)的重要路徑。這表明對(duì)貼片對(duì)角線(xiàn)處電流進(jìn)行適當(dāng)?shù)母蓴_，可達(dá)到抑制二次諧波的目的。在貼片對(duì)角線(xiàn)上創(chuàng)建4 個(gè)狹縫，從而切斷二次諧波電流流向。通過(guò)對(duì)狹縫尺寸進(jìn)行優(yōu)化，可達(dá)到最佳諧波抑制效果，而天線(xiàn)的基波電流分布幾乎不受影響。諧波抑制天線(xiàn)在4.9 GHz 頻率下的表面電流分布如圖5 所示。

圖5 二次諧波電流分布

諧波抑制天線(xiàn)輸入阻抗隨頻率變化曲線(xiàn)如圖6 所示。天線(xiàn)基波阻抗接近功放輸出最佳負(fù)載阻抗。在4.9 GHz 頻率附近的寬頻帶內(nèi)，阻抗實(shí)部接近于零，為放大器提供近似等于純虛部的負(fù)載阻抗，從而有效地抑制了二次諧波輻射[17]。

圖6 天線(xiàn)輸入阻抗隨頻率變化曲線(xiàn)

3 有源集成天線(xiàn)(active integrated antenna,AIA)設(shè)計(jì)

3.1 仿真設(shè)計(jì)與對(duì)比

將諧波抑制天線(xiàn)的S 參數(shù)導(dǎo)入仿真軟件，與功放輸出端連接，進(jìn)行整體匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)。圖7為有源集成天線(xiàn)的仿真原理圖。

諧波抑制天線(xiàn)與有源集成天線(xiàn)的S 參數(shù)仿真結(jié)果對(duì)比如圖8 所示。對(duì)比無(wú)源天線(xiàn)，加入有源網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)一步改善阻抗匹配[18?20]。有源天線(xiàn)2.45 GHz頻率處|S11|＜?47 dB，4.9 GHz 頻率處|S11|＞?1.2 dB，并且在4.68～5.25 GHz 范圍內(nèi)|S11|均高于?1.5 dB，二次諧波得到了較好的抑制效果。

3.2 加工實(shí)測(cè)

有源集成發(fā)射天線(xiàn)加工實(shí)物如圖9 所示。整個(gè)板子尺寸約100 mm×60 mm。圖10 是天線(xiàn)|S11|實(shí)測(cè)結(jié)果。實(shí)測(cè)天線(xiàn)基波諧振頻率為2.45 GHz，與仿真結(jié)果吻合。4.9 GHz 頻率處|S11|＞?8.1 dB，二次諧波得到了抑制。圖11 為有源集成天線(xiàn)的輻射方向圖。根據(jù)貼片天線(xiàn)增益和放大器的功率增益得到該有源天線(xiàn)增益為12.7 dB。

圖7 有源集成發(fā)射天線(xiàn)原理

圖8 S 參數(shù)仿真結(jié)果對(duì)比

圖9 AIA 加工實(shí)物

圖10 實(shí)測(cè)S 參數(shù)

圖11 實(shí)測(cè)輻射方向圖

4 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)了一種工作在S 波段的有源集成發(fā)射天線(xiàn)。

1)功放輸出直接匹配天線(xiàn)，省去了傳統(tǒng)50 Ω連接線(xiàn)，無(wú)源天線(xiàn)同時(shí)作為輻射器和功放的輸出調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，整體有源集成天線(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊。

2)有源部分提供了功率增益，從而提高了有源天線(xiàn)的等效增益，并有效改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3)天線(xiàn)的諧波抑制結(jié)構(gòu)，提高了功放的PAE，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

將有源天線(xiàn)的輻射單元設(shè)計(jì)成圓極化結(jié)構(gòu)，輸出匹配網(wǎng)絡(luò)加入三次諧波抑制結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。這種有源集成發(fā)射天線(xiàn)在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)上有很好的應(yīng)用前景。