集成振蕩器及天線設(shè)計

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的振蕩器和天線集成在一起。小型化設(shè)計通常要求將多種器件集成到普通、緊湊的結(jié)構(gòu)中。采用電壓串聯(lián)反饋來擴大有源器件的不穩(wěn)定區(qū)，同時也將輸入和輸出反射最大化。在天線輸入端的輸出功率采用受特定相位噪聲和諧波水平影響的約束進行優(yōu)化。為了評價沒有輻射特性干擾下的有源天線振蕩特性，經(jīng)過校準(zhǔn)的傳感器被放置在天線的輻射邊沿，該天線具有最高電壓。正如所示，在實現(xiàn)振蕩頻率調(diào)整后，滿足了目標(biāo)設(shè)計指標(biāo)。

　　振蕩器(英文：oscillator)是用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號(通常是正弦波或方波)的電子元件。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。能將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電信號輸出的電子電路或裝置。種類很多，按振蕩激勵方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器;按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等;按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等方面。

　　振蕩器式有源微帶天線集成了具有微帶天線的有源器件來產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)振蕩。該振蕩器采用有源器件的負(fù)阻特性將直流電源轉(zhuǎn)換為射頻功率。已經(jīng)研制成功這種有源天線的集成版本來用于在低功率水平的傳感器應(yīng)用。進一步的研究已設(shè)法克服這種固態(tài)源設(shè)計的功率限制，這是因為結(jié)合空間電源技術(shù)。該振蕩器包括了結(jié)合微帶天線的有源器件，該天線同時既是確定振蕩頻率的負(fù)載，又作為向空間輻射產(chǎn)生射頻功率的器件。適當(dāng)選擇有源器件的工作點對工作性能而言很重要。

　　對于振蕩器式有源微帶天線，有源器件可以是二端器件，例如，IMPATT器件和Gunn二極管，或者也可以是三端器件，例如金屬-外延-半導(dǎo)體場效應(yīng)管晶體管(MESFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)，以及異質(zhì)結(jié)-雙極晶體管(HBT)器件。一般來說，每類固態(tài)源有利也有弊。二端器件適合毫米波頻率的高功率應(yīng)用，但具有低直流到射頻轉(zhuǎn)換效率，需要在電路與系統(tǒng)設(shè)計中認(rèn)真注意散熱。另一方面，三端器件可以提供高的直流到射頻轉(zhuǎn)換效率和低噪音指數(shù)，但降低了功耗水平。

　　微帶天線具有適度尺寸、小外形，以及平面形狀的優(yōu)勢，造就了低生產(chǎn)成本。平面結(jié)構(gòu)也適合于集成相關(guān)的電子電路，例如有源天線的形式。本論文報告了一項研發(fā)用于本地?zé)o線局域網(wǎng)(WLAN)以及藍(lán)牙有源發(fā)射天線的實驗。該天線是一個工作在2.45GHz附近的振蕩器型微帶有源天線，其連接到一個二端不穩(wěn)定有源器件。該有源器件與矩形接線天線直接集成，除了一個在天線輸入端口和用于測量的有源器件之間引入短微帶線外。一般情況下，這種設(shè)計過程中，饋線損耗被認(rèn)為是微不足道的，但它包括在本論文中。

　　所有接線天線以及振蕩器的設(shè)計步驟都是并行執(zhí)行的。在天線旁引入了天線饋線的輻射影響，并且在饋線處的輸入阻抗變化作為振蕩器設(shè)計的輸入?yún)?shù)。采用電壓串聯(lián)反饋來將振蕩器輸出動態(tài)范圍最大化，并保證保持工作在有源器件的最不穩(wěn)定區(qū)，以滿足振蕩條件的需要。

　　天線被認(rèn)為是一個單端輸入，并且在所關(guān)心的頻段上，對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個半波對稱振子可簡單地單獨立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個半波對稱振子組成天線陣。 兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子，。另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩個端點相疊，這個窄長的矩形框稱為折合振子，首先利用現(xiàn)行仿真器實現(xiàn)設(shè)計來預(yù)測所需的振蕩頻率，然后再進行優(yōu)化。此后，實現(xiàn)非線性仿真來預(yù)測振蕩條件、相位噪聲和功率性能。

　　采用安捷倫科技公司的先進設(shè)計系統(tǒng)(ADS)設(shè)計軟件工具，對包括了饋線和振蕩電路的天線特性進行仿真和分析。10應(yīng)該指出的是，采用 Momentum軟件包對天線進行建模，該軟件已包括在ADS內(nèi)。利用在GaAs MESFET有源器件的漏引腳插入一個電容器對振蕩頻率進行精細(xì)調(diào)節(jié)和控制，從而滿足設(shè)計目標(biāo)(見下表)。據(jù)觀測，所獲得的振蕩頻率范圍偏離2.45 GHz中心頻率的最大處約6.87%，具有低相位噪聲和可接受的輸出功率。

　　采用傳感器校正因子來確定天線輸入端口測量到的頻率和正向功率，當(dāng)天線與振蕩器電路截斷時，該校正因子被估算。傳感器是一小塊尺寸為3×5 mm的路徑，置于天線邊沿產(chǎn)生最高電壓。包含的50-O電阻可以確保這種傳感器功能正確，還保證了傳感器的輸出連接器作為一個相對良好匹配的源出現(xiàn)。這將減少將其連接到一個匹配很差的功率計或頻譜分析儀所可能造成的誤差。首先，當(dāng)將天線與有源RF電路截斷時，測量該校正因子：然后，重新連接來測量振蕩器的輸出功率。

　　
安捷倫科技公司的ATF-10136型GaAs MESFET在4 GHz下具有0.5 dB的噪聲指數(shù)，其被選為用于集成天線/振蕩器的不穩(wěn)定二端有源器件。通過將開路傳輸線連接到FET源端口來代表電壓串聯(lián)反饋。對線性電路進行了優(yōu)化，從而在2.45 GHz下將輸入和輸出端口的反射最大化。圖 1表示了這些反射的響應(yīng)。2.45GHz下S11和S22的峰值分別為1.9和1.3;這些值被認(rèn)為在輸入和輸出穩(wěn)定環(huán)路是可以接受的，該環(huán)路需要集成天線/振蕩器設(shè)計。

　　天線和RF電路器件被安裝在羅杰斯公司(Rogers)具有以下規(guī)格的Duroid電路板材料上。相對介電常數(shù)、損失角正切，以及襯底高度分別是 2.55、0.0018和1.524 mm。通路尺寸分別為長度36 mm，寬度為46mm，而饋線尺寸分別為長15 mm，寬2 mm。2.45 GHz下饋線輸入端的回波損耗幅度和相位分別為0.299和-147度。

　　當(dāng)天線與RF電路被截斷時，天線饋線和輸出傳感器之間的二端S參數(shù)如圖2所示。當(dāng)傳感器置于距離輻射路徑末端2mm處時，來自實測數(shù)據(jù)相應(yīng)的校準(zhǔn)因子 S'21由公式1計算得到：

　　圖3表示了從1.8至3.0 GHz校準(zhǔn)系數(shù)的響應(yīng)。然而，考察從2變化到4mm不同距離校正因子的變化，而這些測量表明，在2mm距離初讀取的幅度約為0.25dB。還考察了在天線輸入回波損耗處該傳感器的影響，并發(fā)現(xiàn)小于0.01 dB，有賴于同軸饋線的使用。

　　天線輸入阻抗數(shù)據(jù)被變換到RF電路仿真器，并且觀察了有源器件輸入端口處的諧振條件。然后，使用有源器件的非線性模型對輸入匹配電路進行了優(yōu)化，分別如圖4和圖5所示。正如表中所示，由實測結(jié)果證明其滿足了所有指定的設(shè)計目標(biāo)。

　　電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實質(zhì)上是個等效阻抗。只有確定了輸入阻抗，才能進行阻抗匹配，從信號源、傳感器等獲取輸入信號。阻抗是電路或設(shè)備對交流電流的阻力，輸入阻抗是在入口處測得的阻抗。高輸入阻抗能夠減小電路連接時信號的變化，因而也是最理想的。在給定電壓下最小的阻抗就是最小輸入阻抗。作為輸入電流的替代或補充，它確定輸入功率要求。
天線的輸入阻抗定義為輸入端電壓和電流之比，隨著天線長度及工作頻率不同而發(fā)生變化。其值表征了天線與發(fā)射機或接收機的匹配狀況，體現(xiàn)了輻射波與導(dǎo)行波之間能量轉(zhuǎn)換的好壞。

　　圖6表示了自由運行振蕩的頻譜分析圖，標(biāo)記在2.4240 GHz和-13.33dBm處。來自指定目標(biāo)的實測振蕩頻率之間的差別大約是1.23%：這代表了與使用射頻器件有關(guān)的誤差。通過改變天線輸入導(dǎo)納的靈敏度，在目標(biāo)輸出功率附近實現(xiàn)了振蕩頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)和控制。這已經(jīng)通過將MESFET輸出與5-pF可變電容連接來實現(xiàn)。振蕩頻率范圍大約在目標(biāo)值的 6.4%之內(nèi)。

　　總之，提出并設(shè)計了集成振蕩器式有源天線，其采用正串聯(lián)反饋并工作在約為2.45GHz的中心頻率處。線天線和振蕩器的設(shè)計步驟并行實現(xiàn)。采用經(jīng)過校準(zhǔn)的輸出傳感器，對天線輸入端口處的實測頻率和正向功率，給出了可靠的結(jié)果，而不影響天線和振蕩器電路元件的輻射特性，已經(jīng)滿足所有標(biāo)稱的設(shè)計目標(biāo)。