一种新型圆极化接收有源集成天线的设计

康成斌 杜占坤 阎跃鹏 梁晓新

(中国科学院微电子研究所,北京100029)

1.引 言

随着天线和微波集成电路技术的快速发展,有源集成天线的概念被引入到现代微波以及毫米波系统设计中,并被广泛应用于雷达、通信、导航和电子战等各个领域[1-3]。多技术融合的有源集成天线已经成为未来天线技术发展的一个重要方向。有源集成天线将射频前端的辐射单元(天线)和有源器件(放大器、振荡器等)集成在一起,天线和有源器件被看作一个整体,或者可以将天线看作是整个电路的一部分来设计。相对于传统的分离式设计,集成化设计避开了50Ω阻抗匹配的限制,简化了天线与有源电路的连接转换部分。通过合理改变天线的阻抗,使其直接与有源电路的输入端(或输出端)阻抗匹配,省去了复杂的匹配网络,既降低了成本,减小了体积,又消除了匹配电路带来的损耗,提高了接收系统的性能[4]。目前,国内外对有源集成一体化设计的研究仍主要针对于线极化天线[5-10],而对圆极化天线的研究较少。

针对这一问题,给出了一种圆极化接收有源集成天线的一体化设计方法,并以C波段圆极化有源集成天线为实例,对该方法进行了实验验证。实测结果表明：该方法相对于传统方法,有效降低了天线前端的匹配损耗,改善了天线的性能,同时简化了电路设计,降低了天线成本和体积,有利于实际的工程应用。

2.接收型圆极化有源集成天线的设计原理

根据一体化的设计思想,对低噪声放大器(LNA)及辐射单元进行联合设计,其设计流程如图1所示。

图1 接收型圆极化有源集成天线设计流程

通过设计流程图可以看出整个有源集成天线的设计过程。首先,根据系统指标要求,确定低噪声放大器的增益、噪声系数和线性度等参数,选取合适的低噪声放大器结构。其次,根据设计方案,确定低噪声放大器输入端所需的匹配阻抗值,也即圆极化天线的目标设计阻抗值Zs,一般可按共轭匹配或最佳噪声匹配来选定。如果选取的Zs不易实现或不利于天线的辐射特性,则需要对低噪声放大器重新进行设计,直到取得合理的圆极化贴片阻抗值。然后进行圆极化贴片天线部分的设计。最后,在低噪声放大器与圆极化贴片分别实现的基础上,对圆极化有源天线进行集成(例如采用探针背馈、缝隙耦合等方式)。下面对低噪声放大器和圆极化贴片天线进行分别设计。

2.1 低噪声放大器的设计

低噪声放大器采用源简并电感型共源放大器结构,这种结构具有噪声系数低、增益高、线性度好并容易实现阻抗匹配等优点,因此,在无线收发机系统中得到了广泛应用[11]。本设计中,低噪声放大器采用TSMC 0.25μm CMOS工艺实现,电路结构如图2(a)所示。晶体管M1和电阻R1、R2组成电流镜电路,为放大器提供直流偏置;晶体管M2是主放大晶体管,为电路提供足够的增益;晶体管M3是Cascode管,它的作用是减小放大管Miller效应的影响,改善电路的反向隔离性能,提高电路的稳定性;电感Ld与电容C2组成负载网络,同时起到了输出匹配的作用;C1为输入端的隔直电容;Ls为源简并电感,由两根键合线并联实现;Cp为输入端寄生电容,包括ESD保护电路寄生电容、输入焊盘寄生电容以及由放大管的Miller效应引入的寄生电容。使用图2(b)所示低噪声放大器输入级小信号等效电路分析该电路的输入阻抗。图2中忽略了晶体管M2的输出阻抗ro和除栅源电容Cgs之外的其他寄生电容。由该小信号等效电路可以看出,低噪声放大器的输入阻抗为

式中：Zin为低噪声放大器的输入阻抗;Cgs为晶体管M2的栅源电容;gm为晶体管M2的跨导;Cp为输入端的寄生电容。

图3给出了低噪声放大器输入阻抗的仿真和测试结果。在4.14 GHz时,低噪声放大器的输入阻抗Zin=20.2-j24.7Ω。由等噪声系数圆可知,当取天线输出阻抗为Zs=31.6+j21.3Ω时,低噪声放大器可获得最小噪声系数NFmin=3.6 d B;而当取Zs==20.2+j24.7Ω时,天线与低噪声放大器之间为共轭匹配,达到最大功率传输,此时低噪声放大器的噪声系数约为3.8 dB。为了兼顾接收系统的噪声和增益性能,取Zs=25+j23Ω作为圆极化天线设计的目标阻抗值。

图3 LNA和圆极化天线的阻抗特性图

经过对放大器噪声和增益性能的综合优化[12],对低噪声放大器进行了版图设计,选取放大器中M2的栅宽为W2=200μm,M3的栅宽为W3=320 μm。为了提高芯片内部电路的可靠性,在芯片上设计了完整的ESD保护电路。整个低噪声放大器芯片的设计版图如图4所示。

图4 低噪声放大器的版图

2.2 圆极化微带贴片天线的设计

天线辐射部分采用方形切角圆极化贴片实现,如图5所示。这种贴片形式具有结构简单、易于加工调试等优点。介质基板的正面为方形切角的辐射单元,背面为地平面,馈电采用探针背馈的方式。其中,方形贴片的尺寸w主要决定了天线的谐振频率,调整切角的尺寸a可形成两个相互正交且相位相差90o的简并模以产生圆极化[13]。

图5 圆极化微带贴片天线结构示意图

根据腔模理论分析可知[13],天线的输出阻抗受天线馈电点的位置影响较大。理论上,可以通过调节天线馈电点的位置来获得所需的输出阻抗值,这里通过有限元法对天线在4.14 GHz工作时的部分阻抗特性做了仿真分析。表1给出了仿真结果,对比馈电位置(0,2)、(0,3)、(0,4)可知,调整馈电点沿y轴的位置主要对天线输出阻抗实部的影响较大,而且越靠近天线中心位置,输出阻抗的实部越小,虚部略有增大;对比馈电位置(-1,3)、(0,3)、(1,3)可知,调整馈电点沿x轴的位置主要对天线输出阻抗虚部的影响较大,实部略有改变。由于天线建模的过程中考虑了馈电探针寄生电感的影响,所以表1中天线的阻抗呈感性。需要说明的是,由于馈电点位置变化范围过大将引起天线圆极化特性的恶化,反过来又会影响到天线的阻抗特性,所以以上的分析结果仅适用于馈电位置小范围变化的情况(如在(0,3)点附近)。

表1 天线馈电位置与阻抗关系仿真结果

设计中采用法国Neltec NY9220板材制作微带天线(介电常数εr=2.2,厚度h=1.5 mm,介质损耗角正切tanδ=0.0009),天线的馈电点位置为x=0、y=3,方形贴片尺寸w=23.4 mm,切角a=3 mm。圆极化天线的输出阻抗测试结果如图3所示。天线工作于4.14 GHz时,Zs=26.2+j21.9Ω,接近目标阻抗值。

3.有源集成天线的实现及测试

3.1 有源集成天线的实现

根据上述仿真与设计结果,实际制作了接收型C波段圆极化有源集成天线,以验证设计方法的有效性和正确性,有源集成天线实物如图6所示。圆极化辐射贴片和低噪声放大器分别制作在不同介质材料的基板上(εr1=2.2,h1=1.5 mm;εr2=3.2,h2=0.5 mm)。微带贴片位于有源天线的顶层,低噪声放大器位于底层,中间有一层接地金属进行隔离,微带天线馈电端与低噪声放大器的输入端之间通过探针相连。低噪声放大器芯片采用了16管脚的QFN封装,它的输入端应尽量靠近探针位置,以减小传输线带来的损耗与干扰。

3.2 有源集成天线的测试

采用比较法对天线的辐射特性进行了测试,其测试系统原理框图如图7所示。为了对比新型有源集成天线的性能,另外制作了结构相同、输出阻抗为50Ω的无源参考天线和按传统设计方法将天线和低噪声放大器分别匹配到50Ω的有源参考天线(使用相同结构的天线和LNA芯片,为使有源参考天线的性能达到最优,匹配电路中选用了Q值较高的高频绕线电感)。

测试在微波暗室中进行,并且收发天线间的距离L满足远场条件。利用网络分析仪 Agilent N5230A测得收发天线间的传输系数如图8所示。可由下面公式计算出有源天线中低噪声放大器的增益[14]

式中：GT为低噪声放大器的功率增益;脚标a代表

有源集成天线;脚标p代表无源参考天线;Γp代表无源参考天线端口的反射系数。实际测得无源参考天线的反射系数|Γp|≈0.125,根据图8的实测数据利用公式(2)可得新型有源集成天线中低噪声放大器的增益在4.14 GHz时为10.5 dB。这一结果表明：新型有源集成天线的增益比无源参考天线提高了10.5 d B。另外,与有源参考天线相比,新型有源集成天线增益在整个工作频带上都有所提高,最小情况下提高了0.3 dB,这主要是因为后者在设计中省去了输入匹配网络,减少了匹配网络部分的损耗。由于输入端匹配损耗越小天线接收系统的噪声系数越低,因此可以推断在输入信号相同的情况下,采用新型有源集成天线将获得更高的信噪比,从而提高接收机的灵敏度。

图9为天线驻波比的测试曲线,以电压驻波比VSWR＜2为参考,无源参考天线、有源参考天线和新型有源集成天线的阻抗带宽分别为5%,9%和12%。晶体管的反馈作用使得有源天线的带宽比无源天线有明显的改善。新型有源集成天线与有源参考天线相比带宽略有展宽,这是因为在新型有源集成天线中,辐射单元的输出阻抗与低噪声放大器的输入阻抗在偏离匹配点后仍保持了相同的变化趋势。

图9 天线驻波比测试曲线

图10给出了天线方向图的测试结果,三种天线的方向图基本吻合,说明圆极化天线馈电位置的小范围变化对方向图的影响不大,这种一体化设计并没有对天线的辐射方向图造成恶劣影响,从另一个方面说明了该设计思路的正确性和有效性。需要说明的是：测试中由于有源天线背面直流供电设备和线缆的影响,方向图方位角度在±100°范围之外出现了明显的起伏,但这并不影响本文对设计方法的原理验证。

图11给出了三种天线轴比的测试曲线,可见在工作频带内轴比小于3 dB,新型有源集成天线具有良好的圆极化特性。

4.结 论

本文介绍了一种新型圆极化接收有源集成天线的设计方法,通过将圆极化天线的输出阻抗设计成低噪声放大器所需的特定值,从而完全节省了天线与低噪声放大器之间的匹配电路。通过C波段圆极化有源集成天线实例的研制结果表明：新型有源集成天线获得了和参考天线比较一致的方向图,在工作频带内轴比小于3 dB,阻抗带宽为12%。与采用传统方法设计的有源参考天线相比,阻抗带宽改善了3%,输入匹配损耗减小了0.3 dB,改善了天线接收系统的噪声性能,并且省去了复杂的匹配网络,降低了成本,减小了电路面积。因此,这种新型的圆极化接收有源集成天线设计方法是有效的和可行的,具有良好的工程应用前景。

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