一种紧凑型双圆极化有源接收天线设计

2018-09-12陈义峰梁仙灵李建平王堃贺冲耿军平朱卫仁金荣洪

电波科学学报 2018年4期

陈义峰梁仙灵李建平王堃贺冲耿军平朱卫仁金荣洪

(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海 200240)

引言

随着无线通信系统的发展,小体积、轻重量和多功能集成已成为无线通信射频前端发展的一种必然趋势[1-3]. 因此,对有源集成天线的研究变得越来越重要. 为了减少射频电路与无源天线之间连接造成的损耗,提高系统的整体性能,一般通过调节无源天线的输出阻抗,使其直接与射频电路的输入端进行匹配,以满足射频电路的设计要求,从而简化传统设计中的复杂匹配网络[4]. 具体在接收系统中,与低噪声放大器(low noise facotry, LNA)集成的天线,可以有效改善接收系统的G/T值,提高其灵敏度.

近年来,已有诸多文献借助各种方法设计有源接收天线[5-8]. 文献[5]提出了一种新型的有源接收天线的设计方法,该方法在方向图和轴比性能基本相同的情况下,相对于传统设计方法,阻抗带宽改善了3%,输入端匹配损耗减小了0.3 dB,同时简化了电路结构;但由于其低噪声放大器的噪声系数较大,达到了3.5 dB,导致其G/T值仅为-18.7 dB/K. 文献[6]提出了一种有源接收天线,其无源天线采用螺旋天线的形式,通过集成LNA来抵消无源天线的虚部阻抗,使其能在三个频段实现较高的增益,但同文献[5]类似,因为LNA的噪声系数较大,使其G/T值仅为-30.7 dB/K. 文献[7]提出的一种有源接收天线,通过混合式正交馈电方式,将无源天线和两级低噪声放大器集成在高介电常数的介质板上,大大减小了天线的尺寸,但也因此牺牲了天线整体的效率,导致其无源增益仅为2.84 dBic,在噪声系数相比文献[5]和文献[6]较小的情况下,G/T值仅为-20.2 dB/K. 文献[8]提出的有源接收微带偶极子天线,使用MMIC工艺,其集成程度较文献[7]更高,并且通过引入空气层,改善了天线的辐射效率并提高了天线增益,但因为其与低噪声放大器的噪声匹配优化较差,导致其G/T值仅为-31.9 dB/K. 综上所述,现有的有源接收天线或由于天线效率和增益较低,或由于噪声系数较大,其单天线的G/T值往往较低. 在这种情况下,通常会通过增加天线数量组成有源天线阵来提高系统的G/T值[9-11],但此时无异于增加了接收系统的复杂程度. 另一方面,由于圆极化波在抗雨衰、抗多径等方面相比线极化波有很大优势. 因此,圆极化天线[12-14]在星间、星地等通信、数传中被广泛采用,同时星载天线对载荷要求非常苛刻,尤其是体积、重量和效率.

因此,本文研究了一种S频段紧凑型双圆极化有源接收天线,详细阐述了其设计原理,并完成了测试验证. 仿真和实验结果表明,该圆极化有源接收天线呈现出高增益、高效率、高G/T值、良好的圆极化和高极化隔离性能,且其结构简单.

1 双圆极化有源接收天线设计与分析

双圆极化有源接收天线的原理如图1所示. 该有源接收天线由辐射天线和接收射频电路两部分构成:其中辐射天线采用双点式正交馈电,输出为两路正交线极化波(垂直、水平),两路正交线极化波通过90°混合电桥合成后分别输出正交圆极化波(左旋、右旋),90°混合电桥两输出端连接两个低噪声放大器,分别对两路正交圆极化波小信号进行放大. 为实现紧凑的整体结构,减小天线尺寸,本文有源接收天线采用三维集成方式,辐射天线与接收射频电路位于不同的介质层上,并通过垂直过渡进行连接.

图1 双圆极化有源接收天线原理图Fig.1 Schematic diagram of a dual circular polarization active receiving antenna

1.1 双极化微带贴片天线设计

如图2所示,辐射天线采用圆形微带贴片天线,圆形贴片半径为r1,印刷在相对介电常数为2.95、厚度为0.762 mm的Arlon AD295介质板上. 为提高天线的阻抗带宽和效率,在介质板与金属地之间引入了一空气层,空气层厚度为h1,采用一近似圆形的金属双腔支撑. 圆形贴片通过两个位于正交位置的玻璃绝缘子(特性阻抗为50 Ω)从底部馈电,馈电点距离圆形贴片中心的间距为d1,通过调节d1可改变天线的馈电阻抗[15-16],从而实现端口的阻抗匹配. 图3给出天线的仿真端口反射系数和隔离系数.从图中可以看出,天线在2.2 ～ 2.3 GHz内,两个端口的反射系数均在-10.5 dB以下,两个线极化端口隔离系数大于24.0 dB,呈现出良好的隔离特性.

(a) 俯视图(实心点为馈电探针,空心点为短路探针)(a) Top view (the solid point is the feed probe, and the hollow point is a short circuit probe)

(b) 剖视图(b) Dissection view图2 双极化微带贴片天线(r1=30.6 mm,d1=12.1 mm,d2=7 mm,h1=7 mm)Fig.2 Dual polarized microstrip patch antenna (r1=30.6 mm, d1=12.1 mm, d2=7 mm, h1=7 mm)

图3 天线仿真端口反射系数和隔离系数Fig.3 Reflection coefficient and isolation coefficient of antenna simulation port

由于双点式正交馈电的不对称性以及两馈电点间的耦合引起的高次模辐射,导致天线E面方向图的不对称. 为此,在两个馈电点的对角位置引入两个短路探针[17],短路探针距离圆形贴片中心距离为d2,采用近似半差分的方式来改善天线的E面方向图的对称性. 如图4所示,可以看出:无接地探针时(常规设计),其E面增益在-120° ～ 0°内相比0° ～ 120°下降较快,方向图对称性较差;在引入接地探针后,两边增益下降幅度趋于一致,E面方向图的对称性有了较好的改善, 从而在合成圆极化方向图时,可以有效改善圆极化的轴比性能.

(a) 2.2 GHz

(b) 2.25 GHz

1.2 接收射频电路设计

接收射频电路的版图如图5所示,其中90°混合电桥采用带线耦合线设计以减小射频接收电路整体体积. LNA的输入和输出端分别采用T型匹配网络匹配到50 Ω;并在匹配电路里适当地增加电阻,在降低匹配电路Q值展宽工作带宽的同时,保持LNA的低噪声系数. 而且为了实现天线整体的小型化,简化电路结构,将LNA的直流偏置和射频端口集成在一个端口处,并使用一个扼流电感L3和一个隔直电容C5分别实现射频和直流之间的隔离. 其中端口1和端口2与天线相连,作为接收射频电路的输入端口,其输入阻抗为50 Ω;端口3和端口4作为输出端口,其输入阻抗也为50 Ω. 通过计算和仿真优化,各集总元件参数如表1所示,其中R3作为偏置电阻,其阻值由具体的偏置电压决定.

接收射频电路的仿真结果如图6所示,在2.2 ～ 2.3 GHz范围内,仿真的S31、S32、S41和S42幅度差别较小,为20.7 ～ 20.9 dB,带内波动小于0.2 dB. 仿真的3端口和4端口噪声系数也近似,为0.62 ～ 0.66 dB,带内波动小于0.05 dB. 输入端口驻波比均小于1.1,输出端口驻波比均小于1.27.S31和S32相位差为89.6° ～ 89.8°,S41和S42相位差为-90.1° ～-90.3°,误差均在0.5°以内.

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图5 接收射频电路版图Fig.5 Receiving radio frequency circuit layout

集总元件取值集总元件取值C1/pF4.5L1/nH4C2/pF1.1L2/nH1.9C3/pF4L3/nH31C4/pF2.8R1/Ω2C5/pF20R2/Ω15C6/pF20R3/Ω200C7/μF 0.1

(a) 仿真增益系数和噪声系数(a) Simulation gain coefficient and noise coefficient

(b) 仿真端口驻波比(b) Standing-wave ratio of simulation port

2 双圆极化有源接收天线测试与分析

根据上述设计和仿真,实际制作了一个有源接收天线(实物如图7所示),其尺寸为75 mm×75 mm×25 mm,接收射频电路大小为35 mm×35 mm. 该有源接收天线的测试主要分为三个步骤,分别为无源辐射天线测试、接收射频电路测试以及有源接收天线测试.

图7 有源接收天线实物图Fig.7 Physical map of active receiving antenna

2.1 无源辐射天线测试

图7左图所示为天线实物,测试时将辐射天线装配在天线盒体焊接,并通过带有同轴接头的测试夹具连接微带贴片天线的两个输入端口,测试二个端口的反射系数和隔离系数,并测试天线在主要频点的增益.

测试结果如图8所示,测试数据表明在2.2 ～ 2.3 GHz内,天线的反射系数保持在-10.5 dB以下,隔离系数保持在20.5 dB以上. 无源天线的左旋圆极化增益在2.2 GHz、2.25 GHz和2.3 GHz分别为7.08 dBic、7.63 dBic和7.41 dBic;右旋圆极化增益在2.2 GHz、2.25 GHz和2.3 GHz分别为7.24 dBic、7.93 dBic和7.75 dBic. 无源天线增益的测试结果比仿真结果低约0.5 dB,主要由于测试夹具引入的额外插损导致,但二者趋势基本相同.

(a) 测试反射系数和隔离系数(a) Test reflection coefficient and isolation coefficient

(b) 测试增益(b) Test gain图8 无源贴片天线测试性能Fig.8 Test performance of passive patch antenna

2.2 接收射频电路测试

在接收射频电路的测试中,将射频电路焊接在天线外壳中并配合天线夹具进行测试. 图9给出了接收射频电路的测试现场图.

图9 射频电路测试现场图Fig.9 Field map of radio frequency circuit test

对两个射频通道的增益、驻波比和噪声系数分别进行了测试,具体结果如图10所示. 在2.2 ～ 2.3 GHz内,两路通道的增益系数均在22 dB左右,其中左旋圆极化通道的增益为22.2 ～ 22.5 dB,右旋圆极化通道的增益为21.8 ～ 22.0 dB;两路的通道增益系数相差约为0.5 dB,但带内波动均小于0.3 dB,增益稳定度较好. 两通道的输出端口驻波比和噪声系数一致性很好,在2.2 ～ 2.3 GHz内,驻波比为小于1.35;噪声系数最大值为0.73 dB,最小值为0.69 dB,比仿真噪声系数约增加了0.5 dB.

(a) 测试增益系数(a) Test of gain coefficient

(b) 测试噪声系数(b) Test of noise coefficient

2.3 有源接收天线测试

将辐射贴片天线与射频电路组装焊接后,如图11所示,在微波暗室里对有源天线的辐射特性进行了测试. 天线圆极化方向图的测试使用宽带螺旋圆极化天线和标准增益喇叭天线.

图11 有源接收天线测试图Fig.11 Test chart of active receiving antenna

图12给出了有源天线的整体测试结果.如图12(a)所示,有源天线的输出端口驻波比在2.2 ～ 2.3 GHz内小于1.47. 图12(b)～(c)给出了φ=0°时,有源天线在三个主要频点的左旋和右旋圆极化测试方向图与轴比,3 dB主瓣波束宽度约为70°,其中左旋圆极化主瓣内轴比为小于2.4 dB,右旋圆极化主瓣内轴比为小于2.3 dB,且轴比方向图的对称性较好.

(a) 测试端口驻波比(a) SWR of test port

(b) 左旋圆极化(b) Left circular polarization

基于上述测试结果,根据式(1)对该有源接收天线的G/T值进行计算[18]:

G/T=GA-10×lg(TA+290×(10FN/10-1)).

(1)

式中:GA为无源天线增益;TA为天线噪声温度,取80 K[19];FN为接收射频电路的噪声系数.

在2.2 GHz、2.25 GHz和2.3 GHz,该有源接收天线G/T值分别为-13.9 dB/K、-13.4 dB/K和-13.6 dB/K. 将其性能与文献中的几种有源接收天线进行比较,结果如表2所示,表中λ0为自由空间波长. 可见,本文中的有源接收天线在保持天线结构紧凑的同时,具有较高G/T值,比所引文献中G/T值高出5 ～ 16.8 dB/K.

表2 与其他文献比较Tab.2 Comparison with other literatures

3 结论

本文设计了一种工作在S波段的双圆极化有源接收天线,该有源接收天线将圆形微带贴片天线、90°混合电桥、低噪声放大器等射频器件通过三维集成进行设计. 并通过引入空气层以增加天线的辐射效率. 该有源接收天线尺寸仅为0.55λ0×0.55λ0×0.18λ0,既实现了天线整体的小型化又提高了天线各器件之间的连接效率. 实测和仿真结果表明,该有源接收天线在2.2 ～ 2.3 GHz内驻波比为小于1.47,噪声系数最大为0.73 dB,且其射频通道增益系数的带内波动很小,整体稳定性好. 该有源接收天线的G/T值在工作频带内大于-13.9 dB/K. 并且作为双圆极化天线,能同时满足各种极化方向要求,适用于各种在星载、星地等通信、数传领域中的应用.