康成斌 杜占坤 閻躍鵬 梁曉新

(中國科學(xué)院微電子研究所,北京100029)

1.引 言

隨著天線和微波集成電路技術(shù)的快速發(fā)展,有源集成天線的概念被引入到現(xiàn)代微波以及毫米波系統(tǒng)設(shè)計中,并被廣泛應(yīng)用于雷達、通信、導(dǎo)航和電子戰(zhàn)等各個領(lǐng)域[1-3]。多技術(shù)融合的有源集成天線已經(jīng)成為未來天線技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。有源集成天線將射頻前端的輻射單元(天線)和有源器件(放大器、振蕩器等)集成在一起,天線和有源器件被看作一個整體,或者可以將天線看作是整個電路的一部分來設(shè)計。相對于傳統(tǒng)的分離式設(shè)計,集成化設(shè)計避開了50Ω阻抗匹配的限制,簡化了天線與有源電路的連接轉(zhuǎn)換部分。通過合理改變天線的阻抗,使其直接與有源電路的輸入端(或輸出端)阻抗匹配,省去了復(fù)雜的匹配網(wǎng)絡(luò),既降低了成本,減小了體積,又消除了匹配電路帶來的損耗,提高了接收系統(tǒng)的性能[4]。目前,國內(nèi)外對有源集成一體化設(shè)計的研究仍主要針對于線極化天線[5-10],而對圓極化天線的研究較少。

針對這一問題,給出了一種圓極化接收有源集成天線的一體化設(shè)計方法,并以C波段圓極化有源集成天線為實例,對該方法進行了實驗驗證。實測結(jié)果表明：該方法相對于傳統(tǒng)方法,有效降低了天線前端的匹配損耗,改善了天線的性能,同時簡化了電路設(shè)計,降低了天線成本和體積,有利于實際的工程應(yīng)用。

2.接收型圓極化有源集成天線的設(shè)計原理

根據(jù)一體化的設(shè)計思想,對低噪聲放大器(LNA)及輻射單元進行聯(lián)合設(shè)計,其設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 接收型圓極化有源集成天線設(shè)計流程

通過設(shè)計流程圖可以看出整個有源集成天線的設(shè)計過程。首先,根據(jù)系統(tǒng)指標要求,確定低噪聲放大器的增益、噪聲系數(shù)和線性度等參數(shù),選取合適的低噪聲放大器結(jié)構(gòu)。其次,根據(jù)設(shè)計方案,確定低噪聲放大器輸入端所需的匹配阻抗值,也即圓極化天線的目標設(shè)計阻抗值Zs,一般可按共軛匹配或最佳噪聲匹配來選定。如果選取的Zs不易實現(xiàn)或不利于天線的輻射特性,則需要對低噪聲放大器重新進行設(shè)計,直到取得合理的圓極化貼片阻抗值。然后進行圓極化貼片天線部分的設(shè)計。最后,在低噪聲放大器與圓極化貼片分別實現(xiàn)的基礎(chǔ)上,對圓極化有源天線進行集成(例如采用探針背饋、縫隙耦合等方式)。下面對低噪聲放大器和圓極化貼片天線進行分別設(shè)計。

2.1 低噪聲放大器的設(shè)計

低噪聲放大器采用源簡并電感型共源放大器結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)具有噪聲系數(shù)低、增益高、線性度好并容易實現(xiàn)阻抗匹配等優(yōu)點,因此,在無線收發(fā)機系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[11]。本設(shè)計中,低噪聲放大器采用TSMC 0.25μm CMOS工藝實現(xiàn),電路結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。晶體管M1和電阻R1、R2組成電流鏡電路,為放大器提供直流偏置;晶體管M2是主放大晶體管,為電路提供足夠的增益;晶體管M3是Cascode管,它的作用是減小放大管Miller效應(yīng)的影響,改善電路的反向隔離性能,提高電路的穩(wěn)定性;電感Ld與電容C2組成負載網(wǎng)絡(luò),同時起到了輸出匹配的作用;C1為輸入端的隔直電容;Ls為源簡并電感,由兩根鍵合線并聯(lián)實現(xiàn);Cp為輸入端寄生電容,包括ESD保護電路寄生電容、輸入焊盤寄生電容以及由放大管的Miller效應(yīng)引入的寄生電容。使用圖2(b)所示低噪聲放大器輸入級小信號等效電路分析該電路的輸入阻抗。圖2中忽略了晶體管M2的輸出阻抗ro和除柵源電容Cgs之外的其他寄生電容。由該小信號等效電路可以看出,低噪聲放大器的輸入阻抗為

式中：Zin為低噪聲放大器的輸入阻抗;Cgs為晶體管M2的柵源電容;gm為晶體管M2的跨導(dǎo);Cp為輸入端的寄生電容。

圖3給出了低噪聲放大器輸入阻抗的仿真和測試結(jié)果。在4.14 GHz時,低噪聲放大器的輸入阻抗Zin=20.2-j24.7Ω。由等噪聲系數(shù)圓可知,當取天線輸出阻抗為Zs=31.6+j21.3Ω時,低噪聲放大器可獲得最小噪聲系數(shù)NFmin=3.6 d B;而當取Zs==20.2+j24.7Ω時,天線與低噪聲放大器之間為共軛匹配,達到最大功率傳輸,此時低噪聲放大器的噪聲系數(shù)約為3.8 dB。為了兼顧接收系統(tǒng)的噪聲和增益性能,取Zs=25+j23Ω作為圓極化天線設(shè)計的目標阻抗值。

圖3 LNA和圓極化天線的阻抗特性圖

經(jīng)過對放大器噪聲和增益性能的綜合優(yōu)化[12],對低噪聲放大器進行了版圖設(shè)計,選取放大器中M2的柵寬為W2=200μm,M3的柵寬為W3=320 μm。為了提高芯片內(nèi)部電路的可靠性,在芯片上設(shè)計了完整的ESD保護電路。整個低噪聲放大器芯片的設(shè)計版圖如圖4所示。

圖4 低噪聲放大器的版圖

2.2 圓極化微帶貼片天線的設(shè)計

天線輻射部分采用方形切角圓極化貼片實現(xiàn),如圖5所示。這種貼片形式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于加工調(diào)試等優(yōu)點。介質(zhì)基板的正面為方形切角的輻射單元,背面為地平面,饋電采用探針背饋的方式。其中,方形貼片的尺寸w主要決定了天線的諧振頻率,調(diào)整切角的尺寸a可形成兩個相互正交且相位相差90o的簡并模以產(chǎn)生圓極化[13]。

圖5 圓極化微帶貼片天線結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)腔模理論分析可知[13],天線的輸出阻抗受天線饋電點的位置影響較大。理論上,可以通過調(diào)節(jié)天線饋電點的位置來獲得所需的輸出阻抗值,這里通過有限元法對天線在4.14 GHz工作時的部分阻抗特性做了仿真分析。表1給出了仿真結(jié)果,對比饋電位置(0,2)、(0,3)、(0,4)可知,調(diào)整饋電點沿y軸的位置主要對天線輸出阻抗實部的影響較大,而且越靠近天線中心位置,輸出阻抗的實部越小,虛部略有增大;對比饋電位置(-1,3)、(0,3)、(1,3)可知,調(diào)整饋電點沿x軸的位置主要對天線輸出阻抗虛部的影響較大,實部略有改變。由于天線建模的過程中考慮了饋電探針寄生電感的影響,所以表1中天線的阻抗呈感性。需要說明的是,由于饋電點位置變化范圍過大將引起天線圓極化特性的惡化,反過來又會影響到天線的阻抗特性,所以以上的分析結(jié)果僅適用于饋電位置小范圍變化的情況(如在(0,3)點附近)。

表1 天線饋電位置與阻抗關(guān)系仿真結(jié)果

設(shè)計中采用法國Neltec NY9220板材制作微帶天線(介電常數(shù)εr=2.2,厚度h=1.5 mm,介質(zhì)損耗角正切tanδ=0.0009),天線的饋電點位置為x=0、y=3,方形貼片尺寸w=23.4 mm,切角a=3 mm。圓極化天線的輸出阻抗測試結(jié)果如圖3所示。天線工作于4.14 GHz時,Zs=26.2+j21.9Ω,接近目標阻抗值。

3.有源集成天線的實現(xiàn)及測試

3.1 有源集成天線的實現(xiàn)

根據(jù)上述仿真與設(shè)計結(jié)果,實際制作了接收型C波段圓極化有源集成天線,以驗證設(shè)計方法的有效性和正確性,有源集成天線實物如圖6所示。圓極化輻射貼片和低噪聲放大器分別制作在不同介質(zhì)材料的基板上(εr1=2.2,h1=1.5 mm;εr2=3.2,h2=0.5 mm)。微帶貼片位于有源天線的頂層,低噪聲放大器位于底層,中間有一層接地金屬進行隔離,微帶天線饋電端與低噪聲放大器的輸入端之間通過探針相連。低噪聲放大器芯片采用了16管腳的QFN封裝,它的輸入端應(yīng)盡量靠近探針位置,以減小傳輸線帶來的損耗與干擾。

3.2 有源集成天線的測試

采用比較法對天線的輻射特性進行了測試,其測試系統(tǒng)原理框圖如圖7所示。為了對比新型有源集成天線的性能,另外制作了結(jié)構(gòu)相同、輸出阻抗為50Ω的無源參考天線和按傳統(tǒng)設(shè)計方法將天線和低噪聲放大器分別匹配到50Ω的有源參考天線(使用相同結(jié)構(gòu)的天線和LNA芯片,為使有源參考天線的性能達到最優(yōu),匹配電路中選用了Q值較高的高頻繞線電感)。

測試在微波暗室中進行,并且收發(fā)天線間的距離L滿足遠場條件。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀 Agilent N5230A測得收發(fā)天線間的傳輸系數(shù)如圖8所示。可由下面公式計算出有源天線中低噪聲放大器的增益[14]

式中：GT為低噪聲放大器的功率增益;腳標a代表

有源集成天線;腳標p代表無源參考天線;Γp代表無源參考天線端口的反射系數(shù)。實際測得無源參考天線的反射系數(shù)|Γp|≈0.125,根據(jù)圖8的實測數(shù)據(jù)利用公式(2)可得新型有源集成天線中低噪聲放大器的增益在4.14 GHz時為10.5 dB。這一結(jié)果表明：新型有源集成天線的增益比無源參考天線提高了10.5 d B。另外,與有源參考天線相比,新型有源集成天線增益在整個工作頻帶上都有所提高,最小情況下提高了0.3 dB,這主要是因為后者在設(shè)計中省去了輸入匹配網(wǎng)絡(luò),減少了匹配網(wǎng)絡(luò)部分的損耗。由于輸入端匹配損耗越小天線接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)越低,因此可以推斷在輸入信號相同的情況下,采用新型有源集成天線將獲得更高的信噪比,從而提高接收機的靈敏度。

圖9為天線駐波比的測試曲線,以電壓駐波比VSWR＜2為參考,無源參考天線、有源參考天線和新型有源集成天線的阻抗帶寬分別為5%,9%和12%。晶體管的反饋作用使得有源天線的帶寬比無源天線有明顯的改善。新型有源集成天線與有源參考天線相比帶寬略有展寬,這是因為在新型有源集成天線中,輻射單元的輸出阻抗與低噪聲放大器的輸入阻抗在偏離匹配點后仍保持了相同的變化趨勢。

圖9 天線駐波比測試曲線

圖10給出了天線方向圖的測試結(jié)果,三種天線的方向圖基本吻合,說明圓極化天線饋電位置的小范圍變化對方向圖的影響不大,這種一體化設(shè)計并沒有對天線的輻射方向圖造成惡劣影響,從另一個方面說明了該設(shè)計思路的正確性和有效性。需要說明的是：測試中由于有源天線背面直流供電設(shè)備和線纜的影響,方向圖方位角度在±100°范圍之外出現(xiàn)了明顯的起伏,但這并不影響本文對設(shè)計方法的原理驗證。

圖11給出了三種天線軸比的測試曲線,可見在工作頻帶內(nèi)軸比小于3 dB,新型有源集成天線具有良好的圓極化特性。

4.結(jié) 論

本文介紹了一種新型圓極化接收有源集成天線的設(shè)計方法,通過將圓極化天線的輸出阻抗設(shè)計成低噪聲放大器所需的特定值,從而完全節(jié)省了天線與低噪聲放大器之間的匹配電路。通過C波段圓極化有源集成天線實例的研制結(jié)果表明：新型有源集成天線獲得了和參考天線比較一致的方向圖,在工作頻帶內(nèi)軸比小于3 dB,阻抗帶寬為12%。與采用傳統(tǒng)方法設(shè)計的有源參考天線相比,阻抗帶寬改善了3%,輸入匹配損耗減小了0.3 dB,改善了天線接收系統(tǒng)的噪聲性能,并且省去了復(fù)雜的匹配網(wǎng)絡(luò),降低了成本,減小了電路面積。因此,這種新型的圓極化接收有源集成天線設(shè)計方法是有效的和可行的,具有良好的工程應(yīng)用前景。

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