一種小型化高隔離度天線控制組件*

王鄭力 田 雨 劉思楊

（1.四川省成都市金牛區營康西路85號 成都 610036）（2.電子科技大學自動化工程學院 成都 611731）

1 引言

隨著MIMO系統朝著小型化、集成化發展，大幅壓縮天線單元間的距離，會導致低隔離度[1]，包括多信道、多天線在內的多種技術受制于天線組件的隔離度[2]。文獻[3]設計的天線前端濾波功分組件，將濾波器與功分網絡相關聯，適用于星載平臺。文獻[4]設計了一種高隔離度超寬帶MIMO天線，隔離度小于-22dB。文獻[5]研究了一種通過調整部件尺寸或相對位置的方式，以實現對天線隔離度提升。文獻[6]提出了一種通過在適當位置增加虛元的方法，實現對連續波雷達天線隔離度的提升。文獻[7]通過設計應用一種縫隙彎折線諧振器，提升了MIMO天線的隔離度。文獻[8]通過一種電磁帶隙結構的解耦方式，使天線間隔離度提高了21dB。文獻[9]設計了一種應用于機載電子干擾設備的寬頻段、大方位覆蓋角的收/發天線組件，實現了較高的收/發隔離度。文獻[10]設計了一種超寬帶MIMO天線，形成了三個高阻帶且隔離度高。文獻[11]設計了一款L波段隔離濾波組件，有效抑制了諧波雜散。文獻[12]分析了隔離度公式中各個變量在實際應用場景中的影響。文獻[13]對常見提高天線隔離度的技術進行了分析。

天線控制組件是天線系統的重要組成部分，系統產品集成化后，對天線控制組件的體積和隔離度提出了很高的要求，特別是大功率產品應用背景下，傳統天線控制組件已經難以同時滿足大功率、小型化和高隔離度要求。本文設計了一種天線控制組件，解決了大功率條件下的高隔離度、小型化技術難題。

2 設計方案

2.1 總體設計

天線控制組件包括兩路天線收發通道、自檢單元以及電源和控制單元；每路天線收發通道由發射鏈路和接收鏈路組成，兩路天線收發通道中的發射鏈路共用一個大功率開關；電源和控制單元與自檢單元以及兩路天線收發通道連接，自檢單元的輸出端與兩路天線收發通道連接。

圖1 天線控制組件組成框圖

2.2 主要原理及設計要點

1）發射通道：將“功放組件”輸出信號進行功率檢測，后經天線選擇大功率開關、環形器和帶通濾波器將信號送到天線；發射通道特點：高功率，峰值≥600W。

2）接收通道：將天線接收到的有用信號經濾波、環形器、限幅器、低噪聲放大器和濾波器送到“信道組件”；接收通道特點：動態范圍寬（-15dBm～-95dBm），噪聲要求低至：-4.0dB。

3）延時測量整形通道：將激勵輸入的信號耦合衰減送到“整形電路”；該通道特點：TTL電平，上升沿 ≤ 5ns，持續時間：10us±1us。

2.3 主要功能單元分析及設計

2.3.1 發射單元

發射單元分為檢波、天線切換開關以及頻段濾波部分。發射單元在通訊系統中，需要完成對大功率發射信號的傳輸和切換，發射鏈路包含了：環形器、大功率開關、耦合器等；還需要對微弱信號接收處理，接收鏈路包含了環形器、耦合器、限幅器、放大器等。由于產品同時集成了接收和發射功能，內部信號復雜多樣。在設計過程中，需要充分考慮各個通道之間的合理布局，將各個通道之間的串擾盡可能減小。

2.3.2 接收單元

接收單元分為濾波、限幅、放大部分。采用限幅+低噪聲放大器+濾波結構。

接收部分采用限幅接收，將接收信號控制在13dBm以內，使后面的低噪聲放大器安全工作，接收靈敏度高，選擇性好。低噪聲放大器輸出端是濾波器，濾除雜波和諧波分量。它的噪聲系數、動態范圍、互調失真、-1dB壓縮點和三階截獲點等，都直接影響接收機的性能。

由圖2可以看出，理論鏈路計算噪聲可以設計在小于3dB，如果考慮高低溫的影響，噪聲會有一些惡化，結合以往的工程經驗，該組件噪聲做到小于4.0dB是合理的。

圖2 天線控制組件接收通道鏈路

3 仿真及實測性能

通過對限幅器進行耐功率分析，選取合適的限幅二極管，利用二極管的結電容及導通電阻，對接收電路（限幅器）進行插入損耗和回波損耗仿真，結果如圖3、圖4所示，插入損耗小于0.2dB，回波損耗小于-20dB。

圖3 接收電路（限幅器）插損仿真結果

圖4 接收電路（限幅器）回波損耗仿真結果

對6只限幅器產品進行實測，結果如表1所示，駐波小于1.5，插損小于0.8dB，與仿真的差異主要原因是電路加工和限幅二極管的參數有所偏差。

表1 限幅器實測性能

通過對開關進行耐功率分析，選取合適的pin二極管，利用二極管的結電容及導通電阻，對開關進行插入損耗、隔離度和回波損耗的仿真，仿真結果如圖5～圖7所示，回波損耗小于-20dB，隔離度大于40dB，插入損耗小于0.3dB。

圖5 大功率開關回波損耗仿真結果

圖6 大功率開關隔離度仿真結果

圖7 大功率開關插入損耗仿真結果

對2只開關進行實測，結果如表2所示，駐波小于1.2，插損小于0.6dB，單通道工作時隔離度大于42dB，雙通道工作時隔離度大于29dB，與仿真的差異主要原因是電路加工和限幅二極管的參數有所偏差。

表2 開關實測性能

4 結語

設計了一種天線控制組件，克服了現有組件的技術缺點，解決了線之間大功率、高隔離和體積之間的矛盾。仿真及產品實測結果表明，與傳統天線控制組件相比，滿足大功率要求的同時，體積縮小了一半，實現了小型化，且隔離度提高了三倍。