集成式振荡器/天线的设计
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2020-10-26
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集成式振荡器集成式振荡器/天线的设计天线的设计
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。铭记这一目标，作者追求集成振荡器的有源天线
设计，其标称工作频率为2.45 GHz。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。该设计包括了带状线馈入接线天线作为不稳定有源器件的输出端元件，在天线和忽略的有源RF电路之
间具有耦合效应。
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。铭记这一目标，作者追求集成
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
天线被认为是一个单端输入(也可以认为有两个或两个以上的输入端口)，并且在所关心的频段上，所有与此相关的结果被
变换到RF电路仿真器。然而，忽略了在天线和其它RF电路元件(如匹配器件和直流馈线)之间的耦合效应。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
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。2.45
GHz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。
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