振蕩器及天線(xiàn)的集成式設計

　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。銘記這一目標，作者追求集成振蕩器的有源天線(xiàn)設計，其標稱(chēng)工作頻率為2.45GHz。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。該設計包括了帶狀線(xiàn)饋入接線(xiàn)天線(xiàn)作為不穩定有源器件的輸出端元件，在天線(xiàn)和忽略的有源 RF電路之間具有耦合效應。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(也可以認為有兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入端口)，并且在所關(guān)心的頻段上，所有與此相關(guān)的結果被變換到RF電路仿真器。然而，忽略了在天線(xiàn)和其它RF電路元件(如匹配器件和直流饋線(xiàn))之間的耦合效應。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。對傳感器和天線(xiàn)邊沿之間的距離進(jìn)行了優(yōu)化設計而不影響天線(xiàn)端口的輸入回波損耗，也滿(mǎn)足了校正因子的線(xiàn)性條件。結果發(fā)現，需要2mm的距離(經(jīng)過(guò)實(shí)驗調整)，用于傳感器和天線(xiàn)之間帶狀線(xiàn)諧振頻率附近大約-22.6dB的耦合。該傳感器通路也通過(guò)50-O負載被連接到地線(xiàn)，從而改善傳感電路的輸出匹配。第二個(gè)引腳將傳感路徑連接到電路板背面同軸探頭，這將傳感器輸出接到頻譜分析儀。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。2.45
GHz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。作為有源天線(xiàn)振蕩電路有限接地的總面積大約是8×5 cm。天線(xiàn)被視為一個(gè)帶狀饋線(xiàn)矩形微帶通路。通路尺寸分別為長(cháng)度36 mm，寬度為46
mm，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2.45 GHz幅度變化的最高速率，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，使得天線(xiàn)端口處的輸入功率最大化。非線(xiàn)性模型和有源天線(xiàn)振蕩電路的原型，其中包括了傳感器，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。

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。接線(xiàn)天線(xiàn)和振蕩器的設計步驟并行實(shí)現。電壓串聯(lián)反饋在振蕩器輸出導致了良好的動(dòng)態(tài)范圍。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。