C波段有源接收天线子阵的设计

孙竹竹，廖 欣

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541000)



C波段有源接收天线子阵的设计

孙竹竹，廖 欣

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541000)

随着无线技术的迅速发展，人们对无线设备的小型化要求日益提高，因此天线的小型化、宽带化和高增益成为了无线通信中的研究重点。有源天线由于其体积小、频带宽，受到广泛关注。针对这些发展要求，参考有源天线的2种形式，提出将二单元天线作为一个天线阵列的子阵，通过背馈方式与低噪声放大器集成形成一个有源接收天线子阵。测试结果表明，该有源子阵谐振频率在4.8 GHz，工作频段为4.6～5.0 GHz，在中心频率处回波损耗大于20 dB，增益大于15 dB，3 dB波束宽度为35.8°。与无源天线相比，同等尺寸下工作频带展宽得到拓展，增益得到明显提高。

无源天线；小型化；有源天线；低噪声放大器；有源子阵

0 引言

现代天线技术在许多场合对所用天线提出了更高的要求[1]，无源天线满足不了一些场合的应用要求时，人们开始将目光转向有源天线[2]。20世纪30年代末，德国慕尼黑工程学院的梅克教授就提出了有源天线的说法，并把有源器件加在天线上进行研究，但由于当时的有源器件只限于电子管，而电子管的特性以及电源供给等都存在着不少难以解决的问题，导致实验中断。直到20世纪60年代末，电子器件的集成化在很大程度上推动了有源天线的发展[3]。近年来，有源天线在军事上和民用上的用途越来越广泛，对天线的小型化要求也越来越高[4]。文献[5-7]设计了不同的有源相控雷达应用在火箭的制导、卫星的遥控和飞机空中交通控制中。本文主要研究的有源接收天线属于天线馈线输出端和有源网络连接，采用简单的贴片天线与有源天路合成方法实现了天线的宽频带高增益，在民用设备上具有广阔的应用前景。

1 C波段天线子阵设计

天线辐射单元采用嵌入式侧馈方式进行馈电，采用这种馈电方式不仅便于调节阻抗匹配，同时可以获得更好的带宽[8]。在理论计算的尺寸基础上调整边长L0和W0会改变单元的阻抗和谐振点。改变嵌入的槽宽WS和槽深度LS会影响馈电处的阻抗，进而影响匹配[9]。天线嵌入槽深对天线反射系数和阻抗的影响如图1所示。

天线子阵采用通过1/4波长阻抗变换进行匹配，匹配网络结构如图2所示。匹配网络馈电中心为50 Ω，采用背馈方式。左右两边微带线阻抗为100 Ω，通过70.7 Ω阻抗变换器变为50 Ω和辐射单元连接。这种馈电方式简单，各贴片等幅同相馈电[10]。

图1 LS对反射系数和阻抗影响

图2 天线子阵模型

经过不断仿真优化，确定W0=25 mm，L0=20.5 mm，WS=5.5 mm，LS=6.2 mm，L1=11 mm，L2=10.7 mm，W2=1.8 mm，W3=0.9 mm，天线阵谐振点在4.8 GHz并匹配良好，阻抗带宽内的回波损耗要大于10 dB。最终天线子阵设计选择介电常数为2.2，厚度为1 mm的Arlon DiClad880介质板。天线仿真结果如图3所示。

图3 二单元S参数

通过仿真得到该二单元天线谐振频率在4.8 GHz，阻抗带宽约为0.2 GHz，最大增益为10.9 dB。E面3 dB波束宽度约为37°。

2 C波段低噪声放大器设计

晶体管的选择是低噪声放大器设计的一个重要环节[11]。晶体管的电气性能直接决定低噪声放大器的设计指标能否实现。晶体管的选择要考虑其性能、工作条件及价格等。本文设计选用安华高(Avago)公司的高电子迁移率晶体管(PHEMT)ATF54143，该晶体管可以工作在450 MHz～6 GHz，具有高增益、高线性、低噪声及价格便宜等优点。

将Vds=3 V，Ids=60 mA确定为该晶体管的工作电压和电流，利用利用ADS仿真软件进行电压偏置电路设计。设计完成的电压偏置电路显示Vds=2.96 V，Ids=58.4 mA，与设计指标基本相同。

端口的输入输出端匹配是低噪声放大器设计的必不可少的要素，该部分设计对低噪声放大器的S参数及噪声系数等影响很大[12]。进行输入端口匹配时，一般最大增益的输入阻抗和最小噪声的输入阻抗不一定是重合的，这时候就需要在增益和噪声系数间进行一个综合考虑和权衡。对于低噪声放大器来说，尤其是作为第一级接收放大器，最先要考虑的就是最小噪声系数。4.8 GHz时噪声系数圆和增益圆图如图4所示。

图4 等噪声系数圆和等增益圆

m2点表示最大增益为13.8 dB时的输入阻抗，m1点表示取得最小噪声为0.73时的输入阻抗。因为要考虑最小噪声，这时最优的输入阻抗为50*(0.403+0.406j) Ω，使用Smith圆图完成匹配。同样在输出端口进行输出端的匹配，以求获得最大的输出增益。

经过计算晶体管稳定性，仿真比较了一般结构和RL负反馈电路的结构。RL负反馈调节使晶体管稳定系数变大，但是也导致噪声系数变大，增益稍微降低。反馈电路的引入并没有给电路整体性能带来提高，反而降低，也不方便加工。因此，最后就采用一般的设计方法。最终确定了低噪声放大器电路结构如图5所示。

图5 匹配后的电路结构

原理图仿真过程中采用微带线取代连接线，这样不仅方便后期的版图设计，同时也能降低联合仿真的误差。最后仿真结果得到4.7～4.9 GHz频段内噪声系数小于0.9 dB，输入输出端口反射系数均小于-10 dB，增益大于13 dB。

3 有源天线的集成

将无源天线和有源电路集成为接收前端，集成方式如图6所示。天线单元馈电点和有源电路输入端通过同轴探针连接，同直接采用金属探针比，采用同轴探针的连接可以更好地使天线和有源电路匹配。电路部分制作在介电常数为2.2、厚度为1 mm的Arlon DiClad880介质板上。将信号线输出端口和直流偏置电流线端口引出。

图6 有源天线单元结构

集成之后的天线整体尺寸为100 mm×40 mm，有源天线并没有改变整体天线的尺寸。

4 测试结果分析

4.1 天线子阵测试

考虑到易集成性，同时后期要进行对比和分析，最终天线子阵采用背馈方式馈电[13]。完成了实物制作，并进行了测试。实物如图7(a)所示，测试的S参数如图7(b)所示。通过实测和仿真比较，可以看到实测S参数略大了一点，频点稍微往低频端有一些飘移，但是在工作频带内回波损耗大于10 dB，满足应用要求。

图7 背馈天线单元实物和测试结果

4.2 C波段低噪放大器测试

完成的放大器实物首先应测试其静态工作点电压是否正确，考虑到走线及焊接影响，工作电压和电流肯定有些许变化。同时，输入输出端匹配电路也要调整。最终低噪声放大器实物图如图8所示，增益测试结果如图9所示。

图8 低噪声放大器实物

图9 低噪声放大增益测试结果

测试结果表明，在4.7～4.9 GHZ频段内输入输出端口反射系数均小于-10 dB，增益约为7 dB。经调试后仿真结果和实测基本相同，但是增益比仿真低约4 dB。因为设计的频率较高，版图设计的精度，加上手工焊接等原因都会导致实测结果的性能降低。但是最终各项结果符合设计指标。

4.3 C波段有源接收子阵测试分析

接收子阵的测试结果如图10所示。由图10(a)中曲线可以看到，在加入有源电路，整个有缘天线的带宽变宽。相比与无源天线，带宽从4.7～4.9 GHz展宽为4.6～5.0 GHz。在一定程度上拓展了工作带宽。

采用NSI2000近场测试系统可以直接测出子阵E面方向图，以及天线增益等参数。将测得的方向图反归一化处理，可以都得到有源子阵和无源子阵的E面方向图的对比结果，如图10(b)所示。测试结果显示，有源子阵比无源子阵增益高将近7 dB，3 dB波束宽度为35.8°，和无源子阵基本相同。最后通过比较法可以得到，无源天线子阵的增益为10.2 dB,有源天线子阵增益为16.7 dB，测试结果符合设计指标。

图10 有源天线单元实测结果

通过对无源子阵天线、有源低噪声放大器以及有源子阵的测试，天线子阵和仿真结果几乎一致，低噪声放大器比仿真略差，考虑到加工制作的精度，误差在可接受范围内。有源天线单元测试和仿真分析结果相吻合，拓展带宽的同时，提高增益约7 dB，整体增益大于15 dB，与设计指标吻合。

5 结束语

根据设计的有源天线子阵，可以发现同等尺寸的情况下，有源贴片天线可以在一定程度上实现宽带化，高增益，同时提高了接收机的灵敏度，性能良好。相比与单独的无源天线，带宽展宽0.3 GHz左右，增益提高7 dB，方向图无恶化。为以后有源相控阵列天线的设计提供一条可实施的思路。

相比于现在天线的应用发展的要求，普通的贴片天线结构简单，但是天线本身却没有实现小型化。后期可以通过改变天线的结构设计实现无源天线的小型化，同时使整个有源天线阵列体积减小。采用高集成化的有源电路也是提高有源天线稳定性和小型化的方法之一，这些改进将会使有源天线得到更广泛的应用。

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孙竹竹 男，(1990—)，硕士研究生。主要研究方向：微波技术与天线。

廖 欣 男，(1968—)，工程师。主要研究方向：微波光电。

Design of C-band Active Receiving Antenna Subarray

SUN Zhu-zhu,LIAO Xin

(SchoolofInformationandCommunication，GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541000,China)

With the rapid development of wireless technology,the demand for the miniaturization of wireless devices is increasing,miniaturized and broadband antenna becomes a focus of research in wireless communications.Active antennas attract extensive attention because of their small size and wide band.According to the development requirements,the paper proposes,on the basis of two forms of active antenna,that a two-element antenna can be taken as a subarray of anantenna array,and the subarray can be integrated with a low noise amplifier through back-feed mode to form an active receiving antenna subarray.The measurement results show that the resonance frequency of the active subarray is 4.8 GHz,the operating band is 4.6 to 5.0 GHz,the return loss is more than 20 dB within the center band,the gain is greater than 15 dB,and the 3 dB beam width is 35.8°.As compared with passive antenna,the proposed active antenna’s operating band is broadened,and its gain is obviously improved under the same size.

passive antenna;miniaturization;active antenna;low noise amplifier;active subarray

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.15

孙竹竹,廖 欣.C波段有源接收天线子阵的设计[J].无线电工程,2016,46(12):58-62.

2016-08-19

桂林科技攻关基金资助项目(20130102-5)。

TN820.1+5；TN827+.2

A

1003-3106(2016)12-0058-05