背饋式矩形微帶天線與前級低噪聲放大器中間無匹配電路的有源集成天線的製作方法
2023-10-23 21:07:37 1
專利名稱：背饋式矩形微帶天線與前級低噪聲放大器中間無匹配電路的有源集成天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於無線通訊系統中天線與有源器件的匹配技術，特別的是指一種背饋式矩形微帶天線與前級低噪聲放大器中間無匹配電路的有源集成天線。
背景技術：
在傳統無線通訊的天線和有源電路的設計中，天線和有源電路部分是相互分離的，它們之間通過一個接口電路，通常是50歐姆的傳輸線或標準波導相連接。這樣可以分別對天線和電路進行設計，分別匹配至50歐姆，而在組成系統時再相互連接。這種設計可以加強不同天線和射頻前端電路的連接兼容性，而且設計方法比較簡單。但這種設計由於額外匹配電路的使用，增加了電路的體積和重量，以及能量的損耗。
隨著無線通訊技術的發展，對射頻(RF)前端的要求越來越高，不但要求體積小、重量輕，而且還要低噪聲、功能強，能夠長時間工作，提出了一種有源集成天線。有源集成天線將射頻前端的輻射單元(微帶天線)和有源器件集成在一起(通常在一塊介質板上)，它的最大特點是天線和有源器件被看作一個整體來進行設計，從整體的功能出發，而不是將電路和天線分別單獨考慮。
發明內容
本發明提出一種將有源集成天線和匹配電路作為一個整體來設計，既有源集成天線輸入信號端無匹配電路的結構形式的無匹配電路的有源集成天線。
本發明的一種矩形微帶天線與前級低噪聲放大器中間無匹配電路的有源集成天線，包括輸入信號源的天線，以及對天線信號進行放大處理的微波混合集成電路，所述的微波混合集成電路由HEMT管、兩個偏置電路、負反饋電路、輸出匹配電路組成，HEMT管接收天線信號，同時接收從偏置電路A輸出到HEMT管柵極的供電信號，從偏置電路B輸出到HEMT管漏極的供電信號，從負反饋電路輸出到HEMT管源極的整體電路輸出負反饋信號，經HEMT管放大處理後輸出至輸出匹配電路，再輸出至下位機；矩形微帶天線的信號輸出端與HEMT管柵極直接相連。
所述的無匹配電路的有源集成天線，其HEMT管選取型號為ATF34143管。
所述的無匹配電路的有源集成天線，其偏置電路A輸出的負電壓信號與HEMT管柵極相連，其負電壓為-0.3～-0.4V。偏置電路B輸出的正電壓信號與HEMT管漏極相連，其正電壓為3～5V。負反饋電路一端與HEMT管源極相連，另一端經過過地孔與交流地相連。HEMT管漏極與輸出匹配電路的輸入端相連，其輸出匹配電路的輸出端與標準50歐姆SMA接頭相連。
所述的無匹配電路的有源集成天線，其天線為背饋式矩形貼片天線，其相對介電常數εr＝2.55，厚度h＝1.5mm的微波介質板材。
所述的無匹配電路的有源集成天線，其微波混合有源集成電路的相對介電常數εr＝9.6，厚度h＝1mm的微波介質板材。
本發明的優點產生天線信號矩形微帶天線與HEMT管柵極直接相連，之間沒有任何匹配電路。可以使得天線電路系統的整體功率損耗降低，增益提高；並且，對於加工的一致性也有了很大的提高。
圖1是本發明的整體結構框圖。
圖2是本發明的電路原理圖。
圖3是有源集成天線的結構示意圖。
圖4是圖3的俯視圖。
圖5是傳統天線50歐姆輸出埠駐波比測量曲線圖。
圖6是本發明的駐波比測量曲線圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
微帶天線是在帶有導體接地板地介質基片上貼加導體薄片而形成的天線。它利用微帶線或同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，並通過貼片四周與接地板間地縫隙向外輻射。因此，微帶天線也可看作為一種縫隙天線。
本發明是一種背饋式矩形微帶天線與前級低噪聲放大器中間無匹配電路的有源集成天線，採用了微波混合集成電路來實現有源低噪聲放大器(LNA Lownoise amphifier)電路的匹配設計，其包括對天線信號進行放大處理的微波混合集成電路，所述的微波混合集成電路由HEMT(High Electron MobilityTransistor，高電子遷移率電晶體)管、偏置電路A、偏置電路B、負反饋電路、輸出匹配電路組成，HEMT管接收天線信號，同時接收從偏置電路A輸出到HEMT管柵極G的供電信號，從偏置電路B輸出到HEMT管漏極D的供電信號，從負反饋電路輸出到HEMT管源極S的整體電路輸出負反饋信號，經HEMT管放大處理後輸出至輸出匹配電路，再輸出至下位機，請參見圖1、圖2所示。
在本發明中有源低噪聲放大器電路選取了Aglient公司出品的型號為ATF34143的HEMT管(High Electron Mobility Transistor，高電子遷移率電晶體)。在溫度為25℃條件的部分參數見下表所示
從上表可以看出，有源低噪聲放大器電路工作頻帶恰好包含了設計所需的工作頻率2.48GHz，且帶寬足夠大，此外在增益，噪聲係數，以及線性度上都有很好的性能。經過靜態工作點掃描，這裡選用的靜態工作點是Vds＝3V，Ids＝40mA。採用相應的進行軟體(Ansoft公司的serenade 8.7)分析，管子的模型選用的是這個工作點的S參量模型。對管子進行有關的匹配的設計，利用穩定係數圓，噪聲係數圓，等增益圓特性從阻抗圓圖上綜合考慮LNA的穩定性，噪聲係數，以及增益的性能，可以得到電路前端需要的輸入阻抗約為20+5j歐姆，此時預計LNA電路的噪聲係數為0.3dB，增益為12.5dB。對輸出端進行阻抗匹配，利用一段微帶線移相使得電路輸出阻抗虛部為零，之後加入一段1/4λ用於阻抗變換的微帶線，將電路的輸出阻抗變為標準的50歐姆，其中為了避免電路後級的直流幹擾，1/4λ阻抗變換線採用了偶合線的結構。這種輸出匹配方式相對於一般採用的枝節匹配方式結構更加緊湊。電路偏饋網絡，為了避免電源的耦合，採用了扇形短枝節結構，這種結構相對於普通的矩形短枝節微帶線帶寬更寬。從電路原理圖(圖2所示)上可見HEMT管的輸入端沒有加任何匹配電路。為保證管子在整個工作頻段絕對穩定，兩個源極在接地過孔之前分別加了一段微帶線。有源電路部分採用的是相對介電常數εr＝9.6，厚度h＝1mm的微波介質板材。
本發明的電路原理圖只包含有源電路部分，天線部分為背饋矩形微帶貼片天線。在圖2中輸入端為電路與天線連接部分。天線信號通過軟體來設定該處的輸入阻抗值，默認為標準的50歐姆阻抗值(可根據要求設定所需的阻抗數值，並可在IMPDATA模塊中對應不同的頻點設定不同的輸入阻抗值)。天線信號經輸入端進入HEMT管(這裡採用的為ATF34143的小信號模型)的柵極(G極)，經過它的放大後，由漏極(D極)輸出至輸出匹配電路，本發明的微波混合集成電路採用微帶線的結構，微帶線的界面尺寸由所需模型設定。輸出匹配電路採用對稱耦合線，並用1/4λ線進行匹配，匹配到50歐姆。最終由輸出端輸出至下位機，輸出端設定的阻抗值為50歐姆。另外分別與柵極和漏極相連的兩個相同的微帶線電路，是作為ATF34143的直流供電偏置，採用1/4λ高阻抗線，並聯1/4λ扇形短枝節的結構，並與帶有過空的焊盤相連。與源極(S極)相連的兩段微帶線，是作為維持電路穩定的負反饋，並經過過孔與地直接相連。圖中FREQ模塊為進行頻率掃描的模塊。STAT模塊為進行monta carlo產量分析的模塊。
下面列舉背饋式矩形貼片天線所需信號及電路進行說明。
背饋式矩形貼片天線的理想輸出阻抗應在20+5j歐姆。由於矩形微帶天線的工作頻點應為2.48GHz，這可以通過調整天線垂直邊的長度來實現，但天線饋電點位置對於天線諧振點幾乎無影響，所以應先考慮天線的頻率諧振點，再考慮天線的輸出阻抗。本發明用矩量法對天線進行場結構分析，其中對天線尺寸、饋電點進行計算，採用Ansoft公司的ensemble 8.0軟體。通過優化設計後得出最佳的結構尺寸。背饋天線部分採用的是相對介電常數εr＝2.55，厚度h＝1.5mm的微波介質板材。得到天線的尺寸為a＝38.9mm，b＝36.18mm(其中a為矩形微帶天線的水平寬度，b為其垂直寬度)饋電點距離垂直底邊的距離為15.2mm，同時，在2.48GHz時，得到此時的VSWR＝1.654，輸出阻抗為18.98+4.276j歐姆。VSWR＜2的帶寬為18.3MHz，相對帶寬為0.738％。將天線的輸出阻抗值反代回微波混合集成電路，再次查看輸出阻抗值對於整個電路的影響。這裡仍舊利用了Serenade 8.7軟體進行分析。把天線的輸出阻抗當作微波混合集成電路的天線信號輸入端輸入阻抗，為使結果更加精確，這裡在不同頻率點分別進行設定對應的阻抗數值，軟體(Serenade 8.7)通過算法對應插入其它頻率點阻抗數值。對應的電路特性是2.468～2.486GHz，NF＝0.4～0.8dB，GA＝12.53～13.38dB，GP＝12.8～12.92dB，S21＝12.05～12.86dB，可見電路的結果仍滿足最初的設計要求。
傳統50歐姆天線埠處的駐波比的測量曲線如圖5所示，若以駐波比2.5以下作為天線的帶寬標準，則可得天線的相對帶寬為1.85％。與此相對，有源集成天線的埠處的駐波比的測量曲線如圖6所示，可得天線的相對帶寬為21.7％。從圖中可見無匹配的有源集成天線比傳統天線的帶寬提高了近20倍，使下位機的接收頻帶帶寬提到了提高。
本發明成功實現一個背饋結構的矩形貼片天線與前級低噪放中間無匹配電路的有源集成，整體電路工作於中心頻點2.48GHz。文中給出了最終的測試結果，電路中單級低噪放增益為15.87dB，在駐波比2.5以下的天線相對帶寬為21.7％，比單獨的無源微帶天線的1.85％的相對帶寬提高了近20倍。
權利要求
1.一種背饋式矩形微帶天線與前級低噪聲放大器中間無匹配電路的有源集成天線，包括輸入信號源的天線，其特徵在於還包括對天線信號進行放大處理的微波混合集成電路，所述的微波混合集成電路由HEMT管、兩個偏置電路、負反饋電路、輸出匹配電路組成，HEMT管接收天線信號，同時接收從偏置電路A輸出到HEMT管柵極的供電信號，從偏置電路B輸出到HEMT管漏極的供電信號，從負反饋電路輸出到HEMT管源極的整體電路輸出負反饋信號，經HEMT管放大處理後輸出至輸出匹配電路，再輸出至下位機；矩形微帶天線的信號輸出端與HEMT管柵極直接相連。
2.根據權利要求1所述的無匹配電路的有源集成天線，其特徵在於所述的HEMT管選取型號為ATF34143管。
3.根據權利要求1所述的無匹配電路的有源集成天線，其特徵在於所述的偏置電路A輸出的負電壓信號與HEMT管柵極相連，其負電壓為-0.3～-0.4V。
4.根據權利要求1所述的無匹配電路的有源集成天線，其特徵在於所述的偏置電路B輸出的正電壓信號與HEMT管漏極相連，其正電壓為3～5V。
5.根據權利要求1所述的無匹配電路的有源集成天線，其特徵在於所述的負反饋電路一端與HEMT管源極相連，另一端經過過地孔與交流地相連。
6.根據權利要求1所述的無匹配電路的有源集成天線，其特徵在於所述的HEMT管漏極與輸出匹配電路的輸入端相連，其輸出匹配電路的輸出端與標準50歐姆SMA接頭相連。
7.根據權利要求1所述的無匹配電路的有源集成天線，其特徵在於所述的天線為背饋式矩形貼片天線，其相對介電常數εr＝2.55，厚度h＝1.5mm的微波介質板材。
8.根據權利要求1所述的無匹配電路的有源集成天線，其特徵在於所述的微波混合有源集成電路的相對介電常數εr＝9.6，厚度h＝1mm的微波介質板材。
全文摘要
本發明公開了一種背饋式矩形微帶天線與前級低噪聲放大器中間無匹配電路的有源集成天線，其包括背饋式矩形微帶天線和對天線信號進行放大處理的微波混合集成電路，所述的微波混合集成電路由HEMT管、兩個偏置電路、負反饋電路、輸出匹配電路組成，HEMT管接收天線信號，同時接收從偏置電路A輸出到HEMT管柵極的供電信號，從偏置電路B輸出到HEMT管漏極的供電信號，從負反饋電路輸出到HEMT管源極的整體電路輸出負反饋信號，經HEMT管放大處理後輸出至輸出匹配電路，再輸出至下位機。
文檔編號H03F1/26GK1558569SQ200410000699
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月16日 優先權日2004年1月16日
發明者蘇東林, 肖永軒, 王桂珍, 廖安謀, 翟禹 申請人:北京航空航天大學