集成振蕩器式有源天線(xiàn)設計

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的振蕩器和天線(xiàn)集成在一起。小型化設計通常要求將多種器件集成到普通、緊湊的結構中。為了評價(jià)沒(méi)有輻射特性干擾下的有源天線(xiàn)振蕩特性，經(jīng)過(guò)校準的傳感器被放置在天線(xiàn)的輻射邊沿，該天線(xiàn)具有最高電壓。正如所示，在實(shí)現振蕩頻率調整后，滿(mǎn)足了目標設計指標。

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

　　振蕩器式有源微帶天線(xiàn)集成了具有微帶天線(xiàn)的有源器件來(lái)產(chǎn)生穩態(tài)振蕩。該振蕩器采用有源器件的負阻特性將直流電源轉換為射頻功率。已經(jīng)研制成功這種有源天線(xiàn)的集成版本來(lái)用于在低功率水平的傳感器應用。進(jìn)一步的研究已設法克服這種固態(tài)源設計的功率限制，這是因為結合空間電源技術(shù)。該振蕩器包括了結合微帶天線(xiàn)的有源器件，該天線(xiàn)同時(shí)既是確定振蕩頻率的負載，又作為向空間輻射產(chǎn)生射頻功率的器件。適當選擇有源器件的工作點(diǎn)對工作性能而言很重要。

　　對于振蕩器式有源微帶天線(xiàn)，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-半導體場(chǎng)效應管晶體管(MESFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)，以及異質(zhì)結-雙極晶體管(HBT)器件。一般來(lái)說(shuō)，每類(lèi)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用，但具有低直流到射頻轉換效率，需要在電路與系統設計中認真注意散熱。另一方面，三端器件可以提供高的直流到射頻轉換效率和低噪音指數，但降低了功耗水平。

　　微帶天線(xiàn)具有適度尺寸、小外形，以及平面形狀的優(yōu)勢，造就了低生產(chǎn)成本。平面結構也適合于集成相關(guān)的電子電路，例如有源天線(xiàn)的形式。本論文報告了一項研發(fā)用于本地無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)以及藍牙有源發(fā)射天線(xiàn)的實(shí)驗。該天線(xiàn)是一個(gè)工作在2.45GHz附近的振蕩器型微帶有源天線(xiàn)，其連接到一個(gè)二端不穩定有源器件。該有源器件與矩形接線(xiàn)天線(xiàn)直接集成，除了一個(gè)在天線(xiàn)輸入端口和用于測量的有源器件之間引入短微帶線(xiàn)外。一般情況下，這種設計過(guò)程中，饋線(xiàn)損耗被認為是微不足道的，但它包括在本論文中。

　　所有接線(xiàn)天線(xiàn)以及振蕩器的設計步驟都是并行執行的。在天線(xiàn)旁引入了天線(xiàn)饋線(xiàn)的輻射影響，并且在饋線(xiàn)處的輸入阻抗變化作為振蕩器設計的輸入參數。采用電壓串聯(lián)反饋來(lái)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定區，以滿(mǎn)足振蕩條件的需要。

　　天線(xiàn)被認為是一個(gè)單端輸入，并且在所關(guān)心的頻段上，對稱(chēng)振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線(xiàn)，單個(gè)半波對稱(chēng)振子可簡(jiǎn)單地單獨立地使用或用作為拋物面天線(xiàn)的饋源，也可采用多個(gè)半波對稱(chēng)振子組成天線(xiàn)陣。 兩臂長(cháng)度相等的振子叫做對稱(chēng)振子。每臂長(cháng)度為四分之一波長(cháng)、全長(cháng)為二分之一波長(cháng)的振子，稱(chēng)半波對稱(chēng)振子，。另外，還有一種異型半波對稱(chēng)振子，可看成是將全波對稱(chēng)振子折合成一個(gè)窄長(cháng)的矩形框，并把全波對稱(chēng)振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長(cháng)的矩形框稱(chēng)為折合振子，首先利用現行仿真器實(shí)現設計來(lái)預測所需的振蕩頻率，然后再進(jìn)行優(yōu)化。此后，實(shí)現非線(xiàn)性仿真來(lái)預測振蕩條件、相位噪聲和功率性能。

　　采用安捷倫科技公司的先進(jìn)設計系統(ADS)設計軟件工具，對包括了饋線(xiàn)和振蕩電路的天線(xiàn)特性進(jìn)行仿真和分析。10應該指出的是，采用 Momentum軟件包對天線(xiàn)進(jìn)行建模，該軟件已包括在A(yíng)DS內。利用在GaAs MESFET有源器件的漏引腳插入一個(gè)電容器對振蕩頻率進(jìn)行精細調節和控制，從而滿(mǎn)足設計目標(見(jiàn)下表)。據觀(guān)測，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。