集成振荡器及天线设计

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随着科学技术的发展，越来越多的振荡器和天线集成在一起。小型化设计通常要求将多种器件集成到普通、紧凑的结构中。采用电压串联反馈来扩大有源器件的不稳定区，同时也将输入和输出反射最大化。在天线输入端的输出功率采用受特定相位噪声和谐波水平影响的约束进行优化。为了评价没有辐射特性干扰下的有源天线振荡特性，经过校准的传感器被放置在天线的辐射边沿，该天线具有最高电压。正如所示，在实现振荡频率调整后，满足了目标设计指标。
　　振荡器(英文：oscillator)是用来产生重复电子讯号(通常是正弦波或方波)的电子元件。其构成的电路叫振荡电路。能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路或装置。种类很多，按振荡激励方式可分为自激振荡器、他激振荡器;按电路结构可分为阻容振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等;按输出波形可分为正弦波、方波、锯齿波等振荡器。广泛用于电子工业、医疗、科学研究等方面。
　　振荡器式有源微带天线集成了具有微带天线的有源器件来产生稳态振荡。该振荡器采用有源器件的负阻特性将直流电源转换为射频功率。已经研制成功这种有源天线的集成版本来用于在低功率水平的传感器应用。进一步的研究已设法克服这种固态源设计的功率限制，这是因为结合空间电源技术。该振荡器包括了结合微带天线的有源器件，该天线同时既是确定振荡频率的负载，又作为向空间辐射产生射频功率的器件。适当选择有源器件的工作点对工作性能而言很重要。
　　对于振荡器式有源微带天线，有源器件可以是二端器件，例如，IMPATT器件和Gunn二极管，或者也可以是三端器件，例如金属-外延-半导体场效应管晶体管(MESFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)，以及异质结-双极晶体管(HBT)器件。一般来说，每类固态源有利也有弊。二端器件适合毫米波频率的高功率应用，但具有低直流到射频转换效率，需要在电路与系统设计中认真注意散热。另一方面，三端器件可以提供高的直流到射频转换效率和低噪音指数，但降低了功耗水平。
　　微带天线具有适度尺寸、小外形，以及平面形状的优势，造就了低生产成本。平面结构也适合于集成相关的电子电路，例如有源天线的形式。本论文报告了一项研发用于本地无线局域网(WLAN)以及蓝牙有源发射天线的实验。该天线是一个工作在2.45GHz附近的振荡器型微带有源天线，其连接到一个二端不稳定有源器件。该有源器件与矩形接线天线直接集成，除了一个在天线输入端口和用于测量的有源器件之间引入短微带线外。一般情况下，这种设计过程中，馈线损耗被认为是微不足道的，但它包括在本论文中。
　　所有接线天线以及振荡器的设计步骤都是并行执行的。在天线旁引入了天线馈线的辐射影响，并且在馈线处的输入阻抗变化作为振荡器设计的输入参数。采用电压串联反馈来将振荡器输出动态范围最大化，并保证保持工作在有源器件的最不稳定区，以满足振荡条件的需要。
　　天线被认为是一个单端输入，并且在所关心的频段上，对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。 两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子，。另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，首先利用现行仿真器实现设计来预测所需的振荡频率，然后再进行优化。此后，实现非线性仿真来预测振荡条件、相位噪声和功率性能。
　　采用安捷伦科技公司的先进设计系统(ADS)设计软件工具，对包括了馈线和振荡电路的天线特性进行仿真和分析。10应该指出的是，采用 Momentum软件包对天线进行建模，该软件已包括在ADS内。利用在GaAs MESFET有源器件的漏引脚插入一个电容器对振荡频率进行精细调节和控制，从而满足设计目标(见下表)。据观测，所获得的振荡频率范围偏离2.45 GHz中心频率的最大处约6.87%，具有低相位噪声和可接受的输出功率。
　　采用传感器校正因子来确定天线输入端口测量到的频率和正向功率，当天线与振荡器电路截断时，该校正因子被估算。传感器是一小块尺寸为3×5 mm的路径，置于天线边沿产生最高电压。包含的50-O电阻可以确保这种传感器功能正确，还保证了传感器的输出连接器作为一个相对良好匹配的源出现。这将减少将其连接到一个匹配很差的功率计或频谱分析仪所可能造成的误差。首先，当将天线与有源RF电路截断时，测量该校正因子：然后，重新连接来测量振荡器的输出功率。
　　
安捷伦科技公司的ATF-10136型GaAs MESFET在4 GHz下具有0.5 dB的噪声指数，其被选为用于集成天线/振荡器的不稳定二端有源器件。通过将开路传输线连接到FET源端口来代表电压串联反馈。对线性电路进行了优化，从而在2.45 GHz下将输入和输出端口的反射最大化。图 1表示了这些反射的响应。2.45GHz下S11和S22的峰值分别为1.9和1.3;这些值被认为在输入和输出稳定环路是可以接受的，该环路需要集成天线/振荡器设计。
　　

　　天线和RF电路器件被安装在罗杰斯公司(Rogers)具有以下规格的Duroid电路板材料上。相对介电常数、损失角正切，以及衬底高度分别是 2.55、0.0018和1.524 mm。通路尺寸分别为长度36 mm，宽度为46mm，而馈线尺寸分别为长15 mm，宽2 mm。2.45 GHz下馈线输入端的回波损耗幅度和相位分别为0.299和-147度。
　　当天线与RF电路被截断时，天线馈线和输出传感器之间的二端S参数如图2所示。当传感器置于距离辐射路径末端2mm处时，来自实测数据相应的校准因子 S'21由公式1计算得到：
　　


　　

　　图3表示了从1.8至3.0 GHz校准系数的响应。然而，考察从2变化到4mm不同距离校正因子的变化，而这些测量表明，在2mm距离初读取的幅度约为0.25dB。还考察了在天线输入回波损耗处该传感器的影响，并发现小于0.01 dB，有赖于同轴馈线的使用。
　　

　　天线输入阻抗数据被变换到RF电路仿真器，并且观察了有源器件输入端口处的谐振条件。然后，使用有源器件的非线性模型对输入匹配电路进行了优化，分别如图4和图5所示。正如表中所示，由实测结果证明其满足了所有指定的设计目标。
　　电子电路等的输入端口所呈现的阻抗。实质上是个等效阻抗。只有确定了输入阻抗，才能进行阻抗匹配，从信号源、传感器等获取输入信号。阻抗是电路或设备对交流电流的阻力，输入阻抗是在入口处测得的阻抗。高输入阻抗能够减小电路连接时信号的变化，因而也是最理想的。在给定电压下最小的阻抗就是最小输入阻抗。作为输入电流的替代或补充，它确定输入功率要求。
天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比，随着天线长度及工作频率不同而发生变化。其值表征了天线与发射机或接收机的匹配状况，体现了辐射波与导行波之间能量转换的好坏。
　　


　　

　　图6表示了自由运行振荡的频谱分析图，标记在2.4240 GHz和-13.33dBm处。来自指定目标的实测振荡频率之间的差别大约是1.23%：这代表了与使用射频器件有关的误差。通过改变天线输入导纳的灵敏度，在目标输出功率附近实现了振荡频率的精细调节和控制。这已经通过将MESFET输出与5-pF可变电容连接来实现。振荡频率范围大约在目标值的 6.4%之内。
　　

　　总之，提出并设计了集成振荡器式有源天线，其采用正串联反馈并工作在约为2.45GHz的中心频率处。线天线和振荡器的设计步骤并行实现。采用经过校准的输出传感器，对天线输入端口处的实测频率和正向功率，给出了可靠的结果，而不影响天线和振荡器电路元件的辐射特性，已经满足所有标称的设计目标。