论文部分内容阅读
摘 要： 提出一种有源天线一体化设计的方法。利用HFSS仿真软件对微带天线进行建模仿真并计算S11及阻抗，用ADS软件对低噪声放大器进行初步设计，最后将天线的S11参数加载到ADS中，与放大器联合仿真。利用ATF-55143低噪放晶体管设计一个工作于WLAN频段的有源微带贴片天线，噪声系数F=0.911dB，增益12.21dB。
关键词： 有源天线；集成天线；低噪声放大器；最小噪声匹配；微带天线
近年来，通信技术的迅速发展使无线通信系统对射频前端的要求越来越高， 有源集成天线设计理念被越来越多地应用到现代微波毫米波结构设计中[1][2]。多技术融合的有源集成天线已经成为未来天线技术发展的一个重要方向，但是目前国内关于有源集成天线的设计都没有一个详细的思路方法[3-5]，针对这一问题，本文给出了一种有源微带贴片天线的一体化设计方法。
1 微带贴片天线的设计
微带天线与普通天线相比，易于设计制作，且重量轻体积小，因而被广泛地应用于各个领域。分析微带天线的理论大致可分为3类：传输线模型理论、空腔模型理论和积分方程法。微带天线的馈电方式通常有侧馈、背馈和缝隙电磁耦合等馈电形式。
本文所设计的是具有典型意义的矩形微带天线，馈电方式采用便于加工制作的侧馈形式，如图1所示。该天线介质基板选用FR4板材，相对介电常数εr=4.4，厚度h=1.6mm，f0=5.5GHz。
根据微带贴片天线公式粗略计算出贴片的尺寸，并通过在HFSS中建模仿真和扫频优化，最终得到优化后的结构尺寸为：W0=16.45mm，L0=12.6mm，W1=2.8mm，L1=14.6mm。
仿真结果如图2，谐振点f0=5.5GHz，其输出阻抗Zout=（52.567-j*61.412）Ohm，但该点的S11=-5.778，不符合通信系统要求。为了改进谐振点的反射系数S11，在天线的输出端加入有源网络，即低噪声放大器，这样不但能够改进反射系数，还能同时展宽天线的带宽。
2 低噪声放大器的设计
低噪放作为射频接收前端，其噪声性能对系统影响极大，而作为放大器又必须考虑其增益要求。因此，设计低噪放的基本方法是，在输入端使用噪声匹配，在输出端采用共轭匹配。
综合考虑成本与噪声系数，选择ATF-55143 LNA，该芯片属于低噪声增强型伪HEMT，其工作频带包含了设计目标的频段，且增益也较好。本文中，低噪放直流工作点取Vds=2.7V，Ids=20mA，Vdd=5V。偏置网络采用源极接地结构。放大器的稳定性分析，可以借助于ADS的“StabFact”控件测定稳定系数K，当K<1时，电路不稳定，这时可以在源极接反馈小电感或微带线来改善电路的稳定性。在该设计中，放大器在所需工作频率上绝对稳定，所以源极直接接地。
仿真结束后，在数据窗口中以Smith圆图呈现等增益圆和等噪声系数圆，具体如图3所示。根据前面的要求，输入端要优先考虑最小噪声，因此，等噪声系数圆中噪声系数最小的m2点，就是我们的最优输入端阻抗Zin=Z0*（1.098-j*0.993）Ohm，其中Z0定义为50Ohm。在输入端进行最小噪声匹配，再次运行仿真，端口2的噪声系数和Fmin图如下，噪声系数F=0.911dB。
3 有源集成天线仿真与结果分析
天线的仿真在HFSS环境中进行，而低噪放是在ADS环境中仿真，无法在同一软件环境下进行仿真，因此在有源天线仿真时，需要在ADS中低噪放输入端添加天线的等效端口。
3.1 导出S1P文件
在HFSS中，右键单击工程树下的Results節点，选择[Solution Data]，在弹出的对话框中选择[Matrix Data]标签项，里面列出了S、Y、Z等数据参数以及所需频率。本文选择S参数，单位dB/Phase（deg），全频率数据导出。导出的文件为S1P即一端口文件，其存放路径中不能有中文字符，否则在ADS中加载的时候，会造成不能识别，这是使用ADS仿真时需要特别注意的一点。
3.2 天线与低噪放联合仿真
在ADS中，删除低噪放原理图中的端口1，选择“Data Item”元件库中的一端口S1P控件，添加到原理图中原来端口1的位置，并加载之前由HFSS软件导出的S1P文件。同时修改端口2的名字“Term2”为端口1“Term1”，这是因为如果不作修改，仿真过程中会出现报错：缺失端口1，而不能继续仿真。此时，天线的输出阻抗为Zout=（52.567-j*61.412）Ohm，低噪放的输入阻抗Zin=Z0*（1.098-j*0.993）Ohm，通过微带线进行最小噪声匹配。输入端匹配完成后，求出此时输出端即端口1的阻抗，并将其与50Ohm负载进行最大增益匹配。联合仿真匹配电路如图4所示。
3.3 结果分析
联合仿真结果如图5所示。天线S11小于-10dB的频带为5.1-5.85GHz，共700MHz。可以明显地看出，有源网络的加入不仅改善了系统的反射系数，同时也增加了微带天线的带宽，很好地突破了微带天线是窄频带天线的限制。
4 结束语
本文设计了一种有源集成天线，仿真结果很好地证明了本文所提设计方法的可行性与准确性，同时也通过本次设计验证了有源天线的优越性。此外，整个系统工作在802.11a标准下的WLAN的频段（5.15-5.825GHz），单级电路增益达到了12.21dB，噪声系数为F=0.911dB。
参考文献：
[1]Kalialakis C，Cryan M J.Analysis and Design of Integrated Active Circulator Antennas [J].IEEE Trans.on MTT，2000，48（6）：1017-1023.
[2]Brauner T.5GHz-6GHz Low-Noise Active Antenna Array for Multi Dimensional Channel Sounding [C].In：IEEE MTTSIMOC 2003.297-301.
[3]康成斌、杜占坤、阎跃鹏、梁晓新，一种新型圆极化接收有源集成天线的设计[J].电波科学学报，2010，25（5）：947-952.
[4]郭陈江、马少鹏、丁君、罗杰，基于噪声匹配的有源接收天线设计[J].飞行器测控学报，2008，27（3）：15-18.
[5]张昕、张亮，微带有源天线设计[J].应用科技，2009，36（5）：35-38.
关键词： 有源天线；集成天线；低噪声放大器；最小噪声匹配；微带天线
近年来，通信技术的迅速发展使无线通信系统对射频前端的要求越来越高， 有源集成天线设计理念被越来越多地应用到现代微波毫米波结构设计中[1][2]。多技术融合的有源集成天线已经成为未来天线技术发展的一个重要方向，但是目前国内关于有源集成天线的设计都没有一个详细的思路方法[3-5]，针对这一问题，本文给出了一种有源微带贴片天线的一体化设计方法。
1 微带贴片天线的设计
微带天线与普通天线相比，易于设计制作，且重量轻体积小，因而被广泛地应用于各个领域。分析微带天线的理论大致可分为3类：传输线模型理论、空腔模型理论和积分方程法。微带天线的馈电方式通常有侧馈、背馈和缝隙电磁耦合等馈电形式。
本文所设计的是具有典型意义的矩形微带天线，馈电方式采用便于加工制作的侧馈形式，如图1所示。该天线介质基板选用FR4板材，相对介电常数εr=4.4，厚度h=1.6mm，f0=5.5GHz。
根据微带贴片天线公式粗略计算出贴片的尺寸，并通过在HFSS中建模仿真和扫频优化，最终得到优化后的结构尺寸为：W0=16.45mm，L0=12.6mm，W1=2.8mm，L1=14.6mm。
仿真结果如图2，谐振点f0=5.5GHz，其输出阻抗Zout=（52.567-j*61.412）Ohm，但该点的S11=-5.778，不符合通信系统要求。为了改进谐振点的反射系数S11，在天线的输出端加入有源网络，即低噪声放大器，这样不但能够改进反射系数，还能同时展宽天线的带宽。
2 低噪声放大器的设计
低噪放作为射频接收前端，其噪声性能对系统影响极大，而作为放大器又必须考虑其增益要求。因此，设计低噪放的基本方法是，在输入端使用噪声匹配，在输出端采用共轭匹配。
综合考虑成本与噪声系数，选择ATF-55143 LNA，该芯片属于低噪声增强型伪HEMT，其工作频带包含了设计目标的频段，且增益也较好。本文中，低噪放直流工作点取Vds=2.7V，Ids=20mA，Vdd=5V。偏置网络采用源极接地结构。放大器的稳定性分析，可以借助于ADS的“StabFact”控件测定稳定系数K，当K<1时，电路不稳定，这时可以在源极接反馈小电感或微带线来改善电路的稳定性。在该设计中，放大器在所需工作频率上绝对稳定，所以源极直接接地。
仿真结束后，在数据窗口中以Smith圆图呈现等增益圆和等噪声系数圆，具体如图3所示。根据前面的要求，输入端要优先考虑最小噪声，因此，等噪声系数圆中噪声系数最小的m2点，就是我们的最优输入端阻抗Zin=Z0*（1.098-j*0.993）Ohm，其中Z0定义为50Ohm。在输入端进行最小噪声匹配，再次运行仿真，端口2的噪声系数和Fmin图如下，噪声系数F=0.911dB。
3 有源集成天线仿真与结果分析
天线的仿真在HFSS环境中进行，而低噪放是在ADS环境中仿真，无法在同一软件环境下进行仿真，因此在有源天线仿真时，需要在ADS中低噪放输入端添加天线的等效端口。
3.1 导出S1P文件
在HFSS中，右键单击工程树下的Results節点，选择[Solution Data]，在弹出的对话框中选择[Matrix Data]标签项，里面列出了S、Y、Z等数据参数以及所需频率。本文选择S参数，单位dB/Phase（deg），全频率数据导出。导出的文件为S1P即一端口文件，其存放路径中不能有中文字符，否则在ADS中加载的时候，会造成不能识别，这是使用ADS仿真时需要特别注意的一点。
3.2 天线与低噪放联合仿真
在ADS中，删除低噪放原理图中的端口1，选择“Data Item”元件库中的一端口S1P控件，添加到原理图中原来端口1的位置，并加载之前由HFSS软件导出的S1P文件。同时修改端口2的名字“Term2”为端口1“Term1”，这是因为如果不作修改，仿真过程中会出现报错：缺失端口1，而不能继续仿真。此时，天线的输出阻抗为Zout=（52.567-j*61.412）Ohm，低噪放的输入阻抗Zin=Z0*（1.098-j*0.993）Ohm，通过微带线进行最小噪声匹配。输入端匹配完成后，求出此时输出端即端口1的阻抗，并将其与50Ohm负载进行最大增益匹配。联合仿真匹配电路如图4所示。
3.3 结果分析
联合仿真结果如图5所示。天线S11小于-10dB的频带为5.1-5.85GHz，共700MHz。可以明显地看出，有源网络的加入不仅改善了系统的反射系数，同时也增加了微带天线的带宽，很好地突破了微带天线是窄频带天线的限制。
4 结束语
本文设计了一种有源集成天线，仿真结果很好地证明了本文所提设计方法的可行性与准确性，同时也通过本次设计验证了有源天线的优越性。此外，整个系统工作在802.11a标准下的WLAN的频段（5.15-5.825GHz），单级电路增益达到了12.21dB，噪声系数为F=0.911dB。
参考文献：
[1]Kalialakis C，Cryan M J.Analysis and Design of Integrated Active Circulator Antennas [J].IEEE Trans.on MTT，2000，48（6）：1017-1023.
[2]Brauner T.5GHz-6GHz Low-Noise Active Antenna Array for Multi Dimensional Channel Sounding [C].In：IEEE MTTSIMOC 2003.297-301.
[3]康成斌、杜占坤、阎跃鹏、梁晓新，一种新型圆极化接收有源集成天线的设计[J].电波科学学报，2010，25（5）：947-952.
[4]郭陈江、马少鹏、丁君、罗杰，基于噪声匹配的有源接收天线设计[J].飞行器测控学报，2008，27（3）：15-18.
[5]张昕、张亮，微带有源天线设计[J].应用科技，2009，36（5）：35-38.