一種2.45 GHz 諧波抑制有源集成天線設計

四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064

近年來，有源天線已經(jīng)成為了人們越來越感興趣的領域。在5G 通信系統(tǒng)發(fā)展的驅動下，天線有源化、小型化和一體化趨勢越加明顯[1?3]。有源集成天線(active integrated antenna，AIA)是一種能與有源非線性射頻器件(如功率放大器、低噪聲放大器或振蕩器等)集成在一起的天線[2]。天線同時作為輻射器和放大器的匹配負載，在保證系統(tǒng)性能的前提下，大幅度減小了系統(tǒng)尺寸[3?4]。天線加入有源網(wǎng)絡可有效地拓展阻抗帶寬，改善穩(wěn)定性[5?7]，有源電路部分提供了功率增益，從而提高了天線的等效增益[8?9]；文獻[10?14]中的天線采用諧波抑制結構設計，不僅提高了系統(tǒng)的電磁兼容性，還提高了功放的功率附加效率(power added efficiency,PAE)，減小了系統(tǒng)總功耗。這些設計對諧波有較好的抑制效果，但結構相對復雜、不易加工。

本文提出一種簡潔的諧波抑制天線結構，有源天線整體結構緊湊，并且實現(xiàn)了良好的諧波抑制效果。功率放大電路基于小信號S 參數(shù)進行了匹配網(wǎng)絡設計。實驗測量了該有源天線輸入端口駐波比和輻射方向圖，驗證了其優(yōu)良的特性。

1 功率放大器設計

功率放大器是無線發(fā)射系統(tǒng)中的關鍵部分，它的功率輸出能力和穩(wěn)定性會影響到整個系統(tǒng)的傳輸性能。因此，有必要先對功放電路進行單獨設計驗證。本設計選用富士通公司的一款功率管，型號為FLL101ME。它是工作在L-S 波段的寬帶AB 類GaAs 場效應管，最大輸出功率典型值為29.5 dBm，效率為47%，適用于基站應用，符合設計要求。

在設計功放時為了得到最大功率輸出，通常讓功率管工作在飽和狀態(tài)。理想情況下，應該利用功率管的大信號非線性模型設計電路。然而該器件廠商并沒有提供大信號模型。因此需要根據(jù)功率管小信號S 參數(shù)進行功放電路匹配網(wǎng)絡設計。

1.1 功率管參數(shù)提取

首先需要確定功率管的輸出阻抗。為了準確計算出最佳輸出阻抗ZL，應該盡可能將管子的所有參數(shù)都計入,包括最佳輸出阻抗實部RL、與負載并聯(lián)的電容Cds和封裝產(chǎn)生的寄生參數(shù)Rdq、Ldq。參照該功率管數(shù)據(jù)手冊提供的I-V特性曲線，根據(jù)式(1)，可以確定管子的最佳輸出阻抗實部RL為45.5 Ω。

式中：Vd為漏極工作電壓；Vs為I-V特性曲線的拐點電壓；Idss為柵源電壓等于零時的漏極電流。將數(shù)據(jù)手冊提供的S 參數(shù)數(shù)據(jù)與MESFET 小信號等效電路模型進行擬合。經(jīng)過仿真優(yōu)化提取到寄生元件值Cds=1.1 pF，Rdq=0.5 Ω，Ldq=0.8 nH，最終確定該功率管最佳負載阻抗ZL約為(29+j9.7) Ω。

1.2 匹配網(wǎng)絡及穩(wěn)定性設計

功放的輸入匹配電路影響增益，輸出匹配電路影響輸出功率和效率。因此，設計輸出匹配電路要依據(jù)最大功率傳輸匹配的原則。先根據(jù)管子的最佳負載阻抗ZL設計輸出匹配電路，之后再設計輸入匹配電路。此時，輸出電路已經(jīng)滿足最大功率輸出匹配，后期在進行整體電路優(yōu)化時，輸出匹配電路的各項參數(shù)不再改變。

設計直流偏置電路時，應盡量減小其對主電路微波特性的影響,避免微波沿著偏置電路泄漏以及外界干擾進入主路。本設計采用四分之一波長短路微帶線來實現(xiàn)。微帶線終端通過去耦電容接地，有效地扼制了射頻信號泄漏到直流供電端口。

在設計功率放大器時，穩(wěn)定性系數(shù)K也是一個很重要的指標。當K＜1 時，功放電路不穩(wěn)定，可能會導致自激，嚴重情況會燒壞功率管。穩(wěn)定性設計有很多種形式，本設計采用輸入匹配電路并聯(lián)一條終端接10 Ω 電阻的λ/4 分支線來實現(xiàn)。加入穩(wěn)定性電路后的仿真結果如圖1、2 所示，中心頻率2.45 GHz 電路增益為14.6 dB，|S11|＜?51 dB。功放在整個S 波段內(nèi)穩(wěn)定性系數(shù)K＞1，電路絕對穩(wěn)定。

圖1 優(yōu)化后的S 參數(shù)

圖2 優(yōu)化后的穩(wěn)定系數(shù)K

1.3 加工實測

功放加工實物如圖3 所示。測試時首先調整直流偏置,使功放工作在AB 類，此時管子的靜態(tài)工作點漏級電壓Vds=10 V，漏級電流Ids=0.12 A。

圖3 功放加工實物

圖4 為功放實測結果。最大輸出功率30.1 dBm，增益10.2 dB，功率附加效率(PAE) 57.4%。實測結果驗證了提取功率管參數(shù)的準確性，功放整體性能實現(xiàn)良好，為后面有源集成天線的匹配網(wǎng)絡設計提供了數(shù)據(jù)參考。

圖4 功放測試結果

2 諧波抑制天線設計

在有源天線設計中，有源非線性器件的引入會產(chǎn)生高次諧波輻射，從而影響系統(tǒng)性能。傳統(tǒng)解決方法是在天線與有源器件之間增加抑制諧波的濾波器。但這種結構會增加天線尺寸，并引入不必要的損耗[15]。

諧波抑制天線是將天線與濾波器合二為一，天線同時作為輻射器和諧波抑制濾波器，有效降低了系統(tǒng)設計的復雜度和損耗[16]。首先設計了一個中心頻率2.45 GHz 的正方形貼片天線。板材選用FR4，介電常數(shù)4.6，厚度1 mm。端口激勵阻抗設置為29 Ω 而不是傳統(tǒng)的50 Ω，接近功放的輸出最佳負載阻抗ZL，便于集成時進一步調匹配。最終得到輻射貼片尺寸為28.8 mm×28.8 mm。

通過仿真4.9 GHz 頻率處貼片表面電流分布，發(fā)現(xiàn)對角線是二次諧波電流流動的重要路徑。這表明對貼片對角線處電流進行適當?shù)母蓴_，可達到抑制二次諧波的目的。在貼片對角線上創(chuàng)建4 個狹縫，從而切斷二次諧波電流流向。通過對狹縫尺寸進行優(yōu)化，可達到最佳諧波抑制效果，而天線的基波電流分布幾乎不受影響。諧波抑制天線在4.9 GHz 頻率下的表面電流分布如圖5 所示。

圖5 二次諧波電流分布

諧波抑制天線輸入阻抗隨頻率變化曲線如圖6 所示。天線基波阻抗接近功放輸出最佳負載阻抗。在4.9 GHz 頻率附近的寬頻帶內(nèi)，阻抗實部接近于零，為放大器提供近似等于純虛部的負載阻抗，從而有效地抑制了二次諧波輻射[17]。

圖6 天線輸入阻抗隨頻率變化曲線

3 有源集成天線(active integrated antenna,AIA)設計

3.1 仿真設計與對比

將諧波抑制天線的S 參數(shù)導入仿真軟件，與功放輸出端連接，進行整體匹配網(wǎng)絡調節(jié)。圖7為有源集成天線的仿真原理圖。

諧波抑制天線與有源集成天線的S 參數(shù)仿真結果對比如圖8 所示。對比無源天線，加入有源網(wǎng)絡可進一步改善阻抗匹配[18?20]。有源天線2.45 GHz頻率處|S11|＜?47 dB，4.9 GHz 頻率處|S11|＞?1.2 dB，并且在4.68～5.25 GHz 范圍內(nèi)|S11|均高于?1.5 dB，二次諧波得到了較好的抑制效果。

3.2 加工實測

有源集成發(fā)射天線加工實物如圖9 所示。整個板子尺寸約100 mm×60 mm。圖10 是天線|S11|實測結果。實測天線基波諧振頻率為2.45 GHz，與仿真結果吻合。4.9 GHz 頻率處|S11|＞?8.1 dB，二次諧波得到了抑制。圖11 為有源集成天線的輻射方向圖。根據(jù)貼片天線增益和放大器的功率增益得到該有源天線增益為12.7 dB。

圖7 有源集成發(fā)射天線原理

圖8 S 參數(shù)仿真結果對比

圖9 AIA 加工實物

圖10 實測S 參數(shù)

圖11 實測輻射方向圖

4 結論

實現(xiàn)了一種工作在S 波段的有源集成發(fā)射天線。

1)功放輸出直接匹配天線，省去了傳統(tǒng)50 Ω連接線，無源天線同時作為輻射器和功放的輸出調諧網(wǎng)絡，整體有源集成天線結構緊湊。

2)有源部分提供了功率增益，從而提高了有源天線的等效增益，并有效改善了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3)天線的諧波抑制結構，提高了功放的PAE，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

將有源天線的輻射單元設計成圓極化結構，輸出匹配網(wǎng)絡加入三次諧波抑制結構，可進一步提高系統(tǒng)性能。這種有源集成發(fā)射天線在無線局域網(wǎng)(wireless local area network,WLAN)上有很好的應用前景。