基于最小噪声匹配的有源集成天线的研究与设计

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随着无线通信技术的快速发展,人们对射频接收机前端的设计提出了越来越高的要求,有源集成天线的设计理念正不断地被引入到现代微波毫米波结构设计中,并广泛应用于通信、雷达和导航等各领域,现已成为未来天线技术的一个重要发展方向。有源天线将无源天线和有源电路集成在一起,将其看成一个整体,又或者将天线看成电路的一个组成部分来设计,不但简化了接收机前端的设计,也减少了损耗。本文基于最小噪声系数匹配,分别研究设计了两款工作于无线局域网WLAN2.4GHz和5.8GHz频段的集成低噪放的有源天线。在2.4GHz频段,使用ATF-54143低噪放芯片,而在5.8GHz频段则应用ATF-55143低噪放芯片,无源天线的设计均采用矩形微带贴片结构。首先,对低噪放有源电路进行静态工作点和稳定性的设计,采用单电源供电的自偏压电路,通过在低噪放的源极上添加负反馈,使其在工作频带内绝对稳定,并计算出最佳噪声输入阻抗Zopt。然后,在微带天线的设计中,通过优化馈电点的位置来改变天线的输出阻抗,使其等于或者近似于有源电路的最佳噪声输入阻抗。最后,在ADS软件中,将有源电路和无源天线直接匹配进行仿真,这样不仅省略了两者之间的匹配网络,减少了损耗,还降低了噪声系数,有利于提高接收机的灵敏度。仿真结果表明,与传统的匹配到50Ω的有源天线相比,直接匹配的有源天线的输出阻抗较为稳定,更有利于频带的展宽,而在较大的频率范围内,功率增益和噪声系数更为平稳。论文还对最大增益匹配进行了研究,相对于最小噪声匹配而言,噪声系数和增益都略有增大。在单级放大系统中,可用该匹配方式取代最小噪声匹配进行有源天线的设计,而在多级放大器级联电路中,则不宜采用。
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