一款應(yīng)用于移動多媒體廣播(CMMB)的有源天線設(shè)計*

王善進，劉華珠

(東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院，廣東東莞523808)

低剖面、寬頻帶結(jié)構(gòu)天線的研究，一直以來都是天線研發(fā)人員的興趣所在。20世紀(jì)90年代，隨著各種寬帶天線設(shè)計技術(shù)和非頻變天線設(shè)計理論的提出，出現(xiàn)了平面雙錐天線、對數(shù)周期天線等寬頻帶天線。眾所周知，電磁波的空間波長是不能被壓縮的，天線的小型化設(shè)計，實際上從天線工作的物理層面上而言，它并非真正地把天線縮小了，而是巧妙地通過天線結(jié)構(gòu)上的改進，譬如貼片開槽等，有效延長了天線輻射體的表面電流，這樣對一定頻率而言，等效于天線物理尺寸得到了縮小。

有源天線則提供了另一條實現(xiàn)天線小型化的途徑，它是一種把無源電磁波輻射體與有源放大電路有機結(jié)合的信號接收(或發(fā)射)裝置。它利用了放大電路及輸入輸出匹配電路設(shè)計上的靈活性，通過信號的放大處理和電路阻抗變換技術(shù)，實現(xiàn)電路各部分之間的寬帶匹配，同時可提高系統(tǒng)增益和信噪比，進而實現(xiàn)天線的小型化和寬頻帶設(shè)計。為了達到天線某些特定參數(shù)的優(yōu)化，有源天線并非無源輻射體與有源電路間結(jié)構(gòu)上的簡單級聯(lián)，而必須是考慮到兩者之間互為對方電路后，整體層面上的全盤設(shè)計。

中國移動多媒體廣播系統(tǒng)(CMMB)的電磁波信號工作頻段為U波段的470 MHz～800 MHz，主要應(yīng)用在手機，筆記本，車載多媒體等移動終端系統(tǒng)。CMMB移動終端系統(tǒng)射頻前端模塊，主要包含無源天線、匹配電路、低噪聲放大器及收信機電路等。收信機電路的主要功能是接收來自發(fā)射臺的微弱UHF信號，并將其進行放大，送入解調(diào)芯片。射頻模塊的小型化是移動終端的基本要求之一。眾所周知，天線的阻抗取決于天線的尺寸和形狀結(jié)構(gòu)，CMMB移動終端的小型化要求，決定了其接收天線的尺寸范圍(拉桿天線影響終端的便攜性，與小型化有一定的沖突)不能太大。微帶天線具有剖面低、方便與其他電路集成，能有效縮小設(shè)備體積的優(yōu)點。但這類天線帶寬較窄，并且微帶天線尺寸的縮小，直接造成天線輻射電阻的減小，必將嚴(yán)重影響天線與50 Ω傳輸線和后端電路的匹配。有源接收放大天線可以有效改善這些失配問題，這類天線把無源天線作為低噪聲放大電路的負(fù)載，增加了多個可以調(diào)整的因子，給整體電路的優(yōu)化設(shè)計帶來了諸多便利。圖1為有源接收放大天線原理框圖，無源天線等效為信號電壓源UT和輸出阻抗ZT，如果ZT與后端收信機的輸入阻抗ZL在通信系統(tǒng)的工作頻段內(nèi)難以做到匹配，則無源天線接收到的電波信號需要通過低噪聲放大電路的優(yōu)化處理，使無源天線與收信機在整個頻段內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配，而且低噪聲放大電路的介入，系統(tǒng)的增益、信噪比、靈敏度也會得到進一步的提高。這里采用具有高輸入阻抗特性的Infineon BFR360芯片構(gòu)成低噪聲放大電路，當(dāng)無源天線尺寸的縮小導(dǎo)致輻射電阻減小時，顯然對高輸入阻抗的有源放大電路帶來的影響可以忽略不計。同時，在CMMB的工作頻段內(nèi)，利用輸出匹配網(wǎng)絡(luò)將BFR360構(gòu)成的有源電路的輸出阻抗設(shè)計成與后端電路良好匹配，這樣就可以實現(xiàn)天線的寬頻帶工作，從而滿足CMMB通信系統(tǒng)的要求。本文的CMMB有源接收放大天線，其中無源天線采用微帶“蛇形”蜿蜒天線，低噪放基于超小封裝BFR360芯片構(gòu)建，天線尺寸為4 cm×3 cm×0.8 cm左右。采用ADS軟件對整體電路進行了聯(lián)合仿真，天線的-10 dB阻抗帶寬覆蓋了470 MHz～800 MHz，表明天線能滿足CMMB通信系統(tǒng)的需求。

圖1 有源接收放大天線

1 理論

1.1 無源微帶蛇形天線

CMMB的移動終端工作在U波段的1 GHz以下，工作頻段寬度為330 MHz。鑒于頻率較低，波長較長，為了有效縮小天線體積，本文擬采用蛇形微帶天線，天線尺寸控制在1.5 cm×3 cm×0.8 cm范圍內(nèi)，如圖2所示。對于CMMB的信號而言，因為天線尺寸很小，根據(jù)天線的基本特點，這樣大小的天線根本無法與CMMB頻段的電磁波信號實現(xiàn)有效匹配，其回波損耗指標(biāo)見圖3所示，可見指標(biāo)很差，其性能無法直接滿足需要。天線的輸入阻抗曲線如圖4所示，在470 MHz～800 MHz的范圍內(nèi)，阻抗的實部或虛部變化劇烈，表明天線與50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗嚴(yán)重失配。

圖2 CMMB寬頻帶有源天線中的無源微帶蛇形天線

圖3 無源微帶蛇形天線的回波損耗

圖4 無源微帶蛇形天線的輸入阻抗

1.2 低噪聲放大電路

射頻前端是無線電接收機中關(guān)鍵的組成部分。為了滿足接收機性能指標(biāo)，中廣電要求CMMB系統(tǒng)解調(diào)芯片靈敏度全頻優(yōu)于-95 dBm，空間耦合靈敏度大于-80 dBm，以保證移動終端有效接收發(fā)射臺的廣播信號。鑒于增益可以通過放大器來滿足，在這里它并不是關(guān)注的因素，關(guān)鍵的問題是接收機前端的噪聲和寬頻帶(470 MHz～800 MHz)的匹配。為了滿足設(shè)備小型化的要求，前面已提到天線不能選擇太大，一般控制在1.5 cm×3 cm×0.8 cm范圍內(nèi)。但天線設(shè)計的基本原理表明，在如此小的面積上設(shè)計一款滿足CMMB(470 MHz～800 MHz)頻段需求的天線是非常困難的。因而考慮采用有源天線，通過有源放大電路和輸入輸出阻抗匹配電路的優(yōu)化設(shè)計等措施，實現(xiàn)工作帶寬的拓寬，降低接收機整體噪聲系數(shù)和提高靈敏度。本文側(cè)重噪聲系數(shù)的優(yōu)化，意在提升CMMB終端系統(tǒng)靈敏度。首先選擇Infineon BFR360放大管，建立合適的SPICE模型，再根據(jù)管子Q點的需求，設(shè)置偏置電路工作電壓為3 V，偏置電流為7 mA左右，圖5給出了優(yōu)化后的低噪放電路，注意到此時電路的輸入輸出阻抗是假設(shè)為50 Ω的。

圖5 優(yōu)化后的低噪聲放大電路

圖6 有源天線的回波損耗

1.3 有源電路與無源天線的聯(lián)合仿真

將無源微帶蛇形天線的S1P參數(shù)導(dǎo)入ADS，與前述的低噪聲放大電路進行聯(lián)合仿真和匹配優(yōu)化。圖6為得到的天線回波損耗，可見-10 dB阻抗帶寬很窄，不能滿足需要。原因在于電路的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是針對50 Ω端口優(yōu)化的，需重新優(yōu)化。經(jīng)反復(fù)優(yōu)化后得到最終的有源天線電路，參見圖7所示。圖8則給出了優(yōu)化后有源天線的回波損耗，可見有源天線電路輸出端達到良好輸出匹配，天線在整個CMMB工作頻帶內(nèi)S11小于-13 dB，圖9和10分別給出了天線在CMMB頻段內(nèi)的噪聲系數(shù)和增益，可見頻段內(nèi)噪聲系數(shù)小于1.1，增益平坦，表明天線可以滿足CMMB系統(tǒng)的需要。

圖7 低噪聲放大電路與無源微帶天線聯(lián)合仿真優(yōu)化后的電路

圖8 優(yōu)化后有源天線的回波損耗

圖9 優(yōu)化后有源天線在CMMB頻段內(nèi)的噪聲系數(shù)

圖10 優(yōu)化后有源天線在CMMB頻段內(nèi)的增益

2 結(jié)語

在無源微帶蛇形天線的基礎(chǔ)上，結(jié)合有源低噪聲放大電路，設(shè)計了一款滿足CMMB移動終端需求的小型接收放大天線。ADS仿真分析表明，該有源天線的回波損耗、噪聲系數(shù)以及增益等指標(biāo)均能滿足CMMB通信系統(tǒng)的要求。這種天線結(jié)構(gòu)簡單，尺寸為3 cm×4 cm×0.8 cm左右，對CMMB移動終端小型化的研究具有一定的現(xiàn)實意義。圖11和圖12給出了天線的實物照片和實測的回波損耗，對比圖12與圖8，可見在200 MHz～1 GHz的范圍內(nèi)，天線回波損耗的趨勢基本一致，但實際天線在頻點550 MHz左右略微高出-10 dB，提示在天線的結(jié)構(gòu)上還需作進一步的優(yōu)化，同時，SMA接頭的影響也許是另一個需要考慮的原因。

圖11 有源天線實物照片

圖12 天線的回波損耗

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