集成振蕩器式有源天線設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的振蕩器和天線集成在一起。小型化設(shè)計(jì)通常要求將多種器件集成到普通、緊湊的結(jié)構(gòu)中。為了評(píng)價(jià)沒有輻射特性干擾下的有源天線振蕩特性，經(jīng)過校準(zhǔn)的傳感器被放置在天線的輻射邊沿，該天線具有最高電壓。正如所示，在實(shí)現(xiàn)振蕩頻率調(diào)整后，滿足了目標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　振蕩器是用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號(hào)(通常是正弦波或方波)的電子元件。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。能將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電信號(hào)輸出的電子電路或裝置。

　　振蕩器式有源微帶天線集成了具有微帶天線的有源器件來產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)振蕩。該振蕩器采用有源器件的負(fù)阻特性將直流電源轉(zhuǎn)換為射頻功率。已經(jīng)研制成功這種有源天線的集成版本來用于在低功率水平的傳感器應(yīng)用。進(jìn)一步的研究已設(shè)法克服這種固態(tài)源設(shè)計(jì)的功率限制，這是因?yàn)榻Y(jié)合空間電源技術(shù)。該振蕩器包括了結(jié)合微帶天線的有源器件，該天線同時(shí)既是確定振蕩頻率的負(fù)載，又作為向空間輻射產(chǎn)生射頻功率的器件。適當(dāng)選擇有源器件的工作點(diǎn)對(duì)工作性能而言很重要。

　　對(duì)于振蕩器式有源微帶天線，有源器件可以是二端器件，例如，IMPATT器件和Gunn二極管，或者也可以是三端器件，例如金屬-外延-半導(dǎo)體場效應(yīng)管晶體管(MESFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)，以及異質(zhì)結(jié)-雙極晶體管(HBT)器件。一般來說，每類固態(tài)源有利也有弊。二端器件適合毫米波頻率的高功率應(yīng)用，但具有低直流到射頻轉(zhuǎn)換效率，需要在電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中認(rèn)真注意散熱。另一方面，三端器件可以提供高的直流到射頻轉(zhuǎn)換效率和低噪音指數(shù)，但降低了功耗水平。

　　微帶天線具有適度尺寸、小外形，以及平面形狀的優(yōu)勢(shì)，造就了低生產(chǎn)成本。平面結(jié)構(gòu)也適合于集成相關(guān)的電子電路，例如有源天線的形式。本論文報(bào)告了一項(xiàng)研發(fā)用于本地?zé)o線局域網(wǎng)(WLAN)以及藍(lán)牙有源發(fā)射天線的實(shí)驗(yàn)。該天線是一個(gè)工作在2.45GHz附近的振蕩器型微帶有源天線，其連接到一個(gè)二端不穩(wěn)定有源器件。該有源器件與矩形接線天線直接集成，除了一個(gè)在天線輸入端口和用于測(cè)量的有源器件之間引入短微帶線外。一般情況下，這種設(shè)計(jì)過程中，饋線損耗被認(rèn)為是微不足道的，但它包括在本論文中。

　　所有接線天線以及振蕩器的設(shè)計(jì)步驟都是并行執(zhí)行的。在天線旁引入了天線饋線的輻射影響，并且在饋線處的輸入阻抗變化作為振蕩器設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)。采用電壓串聯(lián)反饋來將振蕩器輸出動(dòng)態(tài)范圍最大化，并保證保持工作在有源器件的最不穩(wěn)定區(qū)，以滿足振蕩條件的需要。

　　天線被認(rèn)為是一個(gè)單端輸入，并且在所關(guān)心的頻段上，對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。 兩臂長度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對(duì)稱振子，。另外，還有一種異型半波對(duì)稱振子，可看成是將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)窄長的矩形框，并把全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長的矩形框稱為折合振子，首先利用現(xiàn)行仿真器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)來預(yù)測(cè)所需的振蕩頻率，然后再進(jìn)行優(yōu)化。此后，實(shí)現(xiàn)非線性仿真來預(yù)測(cè)振蕩條件、相位噪聲和功率性能。

　　采用安捷倫科技公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)設(shè)計(jì)軟件工具，對(duì)包括了饋線和振蕩電路的天線特性進(jìn)行仿真和分析。10應(yīng)該指出的是，采用 Momentum軟件包對(duì)天線進(jìn)行建模，該軟件已包括在ADS內(nèi)。利用在GaAs MESFET有源器件的漏引腳插入一個(gè)電容器對(duì)振蕩頻率進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)和控制，從而滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)(見下表)。據(jù)觀測(cè)，所獲得的振蕩頻率范圍偏離2.45 GHz中心頻率的最大處約6.87%，具有低相位噪聲和可接受的輸出功率。