集成振蕩器及天線(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。采用電壓串聯(lián)反饋來(lái)擴大有源器件的不穩定區，同時(shí)也將輸入和輸出反射最大化。在天線(xiàn)輸入端的輸出功率采用受特定相位噪聲和諧波水平影響的約束進(jìn)行優(yōu)化。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(英文：oscillator)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。種類(lèi)很多，按振蕩激勵方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器;按電路結構可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等;按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫療、科學(xué)研究等方面。

　　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。

　　采用傳感器校正因子來(lái)確定天線(xiàn)輸入端口測量到的頻率和正向功率，當天線(xiàn)與振蕩器電路截斷時(shí)，該校正因子被估算。傳感器是一小塊尺寸為3×5 mm的路徑，置于天線(xiàn)邊沿產(chǎn)生最高電壓。包含的50-O電阻可以確保這種傳感器功能正確，還保證了傳感器的輸出連接器作為一個(gè)相對良好匹配的源出現。這將減少將其連接到一個(gè)匹配很差的功率計或頻譜分析儀所可能造成的誤差。首先，當將天線(xiàn)與有源RF電路截斷時(shí)，測量該校正因子：然后，重新連接來(lái)測量振蕩器的輸出功率。

　　
安捷倫科技公司的ATF-10136型GaAs MESFET在4 GHz下具有0.5 dB的噪聲指數，其被選為用于集成天線(xiàn)/振蕩器的不穩定二端有源器件。通過(guò)將開(kāi)路傳輸線(xiàn)連接到FET源端口來(lái)代表電壓串聯(lián)反饋。對線(xiàn)性電路進(jìn)行了優(yōu)化，從而在2.45 GHz下將輸入和輸出端口的反射最大化。圖 1表示了這些反射的響應。2.45GHz下S11和S22的峰值分別為1.9和1.3;這些值被認為在輸入和輸出穩定環(huán)路是可以接受的，該環(huán)路需要集成天線(xiàn)/振蕩器設計。

　　天線(xiàn)和RF電路器件被安裝在羅杰斯公司(Rogers)具有以下規格的Duroid電路板材料上。相對介電常數、損失角正切，以及襯底高度分別是 2.55、0.0018和1.524 mm。通路尺寸分別為長(cháng)度36 mm，寬度為46mm，而饋線(xiàn)尺寸分別為長(cháng)15 mm，寬2 mm。2.45 GHz下饋線(xiàn)輸入端的回波損耗幅度和相位分別為0.299和-147度。

　　當天線(xiàn)與RF電路被截斷時(shí)，天線(xiàn)饋線(xiàn)和輸出傳感器之間的二端S參數如圖2所示。當傳感器置于距離輻射路徑末端2mm處時(shí)，來(lái)自實(shí)測數據相應的校準因子 S'21由公式1計算得到：

　　圖3表示了從1.8至3.0 GHz校準系數的響應。然而，考察從2變化到4mm不同距離校正因子的變化，而這些測量表明，在2mm距離初讀取的幅度約為0.25dB。還考察了在天線(xiàn)輸入回波損耗處該傳感器的影響，并發(fā)現小于0.01 dB，有賴(lài)于同軸饋線(xiàn)的使用。

　　天線(xiàn)輸入阻抗數據被變換到RF電路仿真器，并且觀(guān)察了有源器件輸入端口處的諧振條件。然后，使用有源器件的非線(xiàn)性模型對輸入匹配電路進(jìn)行了優(yōu)化，分別如圖4和圖5所示。正如表中所示，由實(shí)測結果證明其滿(mǎn)足了所有指定的設計目標。

　　電子電路等的輸入端口所呈現的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個(gè)等效阻抗。只有確定了輸入阻抗，才能進(jìn)行阻抗匹配，從信號源、傳感器等獲取輸入信號。阻抗是電路或設備對交流電流的阻力，輸入阻抗是在入口處測得的阻抗。高輸入阻抗能夠減小電路連接時(shí)信號的變化，因而也是最理想的。在給定電壓下最小的阻抗就是最小輸入阻抗。作為輸入電流的替代或補充，它確定輸入功率要求。
天線(xiàn)的輸入阻抗定義為輸入端電壓和電流之比，隨著(zhù)天線(xiàn)長(cháng)度及工作頻率不同而發(fā)生變化。其值表征了天線(xiàn)與發(fā)射機或接收機的匹配狀況，體現了輻射波與導行波之間能量轉換的好壞。

　　圖6表示了自由運行振蕩的頻譜分析圖，標記在2.4240 GHz和-13.33dBm處。來(lái)自指定目標的實(shí)測振蕩頻率之間的差別大約是1.23%：這代表了與使用射頻器件有關(guān)的誤差。通過(guò)改變天線(xiàn)輸入導納的靈敏度，在目標輸出功率附近實(shí)現了振蕩頻率的精細調節和控制。這已經(jīng)通過(guò)將MESFET輸出與5-pF可變電容連接來(lái)實(shí)現。振蕩頻率范圍大約在目標值的 6.4%之內。

　　總之，提出并設計了集成振蕩器式有源天線(xiàn)，其采用正串聯(lián)反饋并工作在約為2.45GHz的中心頻率處。線(xiàn)天線(xiàn)和振蕩器的設計步驟并行實(shí)現。采用經(jīng)過(guò)校準的輸出傳感器，對天線(xiàn)輸入端口處的實(shí)測頻率和正向功率，給出了可靠的結果，而不影響天線(xiàn)和振蕩器電路元件的輻射特性，已經(jīng)滿(mǎn)足所有標稱(chēng)的設計目標。