振蕩器及天線的集成設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的振蕩器和天線集成在一起。小型化設(shè)計(jì)通常要求將多種器件集成到普通、緊湊的結(jié)構(gòu)中。采用電壓串聯(lián)反饋來擴(kuò)大有源器件的不穩(wěn)定區(qū)，同時(shí)也將輸入和輸出反射最大化。在天線輸入端的輸出功率采用受特定相位噪聲和諧波水平影響的約束進(jìn)行優(yōu)化。為了評(píng)價(jià)沒有輻射特性干擾下的有源天線振蕩特性，經(jīng)過校準(zhǔn)的傳感器被放置在天線的輻射邊沿，該天線具有最高電壓。正如所示，在實(shí)現(xiàn)振蕩頻率調(diào)整后，滿足了目標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　振蕩器(英文：oscillator)是用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號(hào)(通常是正弦波或方波)的電子元件。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。能將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電信號(hào)輸出的電子電路或裝置。種類很多，按振蕩激勵(lì)方式可分為自激振蕩器、他激振蕩器;按電路結(jié)構(gòu)可分為阻容振蕩器、電感電容振蕩器、晶體振蕩器、音叉振蕩器等;按輸出波形可分為正弦波、方波、鋸齒波等振蕩器。廣泛用于電子工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究等方面。

　　振蕩器式有源微帶天線集成了具有微帶天線的有源器件來產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)振蕩。該振蕩器采用有源器件的負(fù)阻特性將直流電源轉(zhuǎn)換為射頻功率。已經(jīng)研制成功這種有源天線的集成版本來用于在低功率水平的傳感器應(yīng)用。進(jìn)一步的研究已設(shè)法克服這種固態(tài)源設(shè)計(jì)的功率限制，這是因?yàn)榻Y(jié)合空間電源技術(shù)。該振蕩器包括了結(jié)合微帶天線的有源器件，該天線同時(shí)既是確定振蕩頻率的負(fù)載，又作為向空間輻射產(chǎn)生射頻功率的器件。適當(dāng)選擇有源器件的工作點(diǎn)對(duì)工作性能而言很重要。

　　對(duì)于振蕩器式有源微帶天線，有源器件可以是二端器件，例如，IMPATT器件和Gunn二極管，或者也可以是三端器件，例如金屬-外延-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管晶體管(MESFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)，以及異質(zhì)結(jié)-雙極晶體管(HBT)器件。一般來說，每類固態(tài)源有利也有弊。二端器件適合毫米波頻率的高功率應(yīng)用，但具有低直流到射頻轉(zhuǎn)換效率，需要在電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中認(rèn)真注意散熱。另一方面，三端器件可以提供高的直流到射頻轉(zhuǎn)換效率和低噪音指數(shù)，但降低了功耗水平。

　　微帶天線具有適度尺寸、小外形，以及平面形狀的優(yōu)勢(shì)，造就了低生產(chǎn)成本。平面結(jié)構(gòu)也適合于集成相關(guān)的電子電路，例如有源天線的形式。本論文報(bào)告了一項(xiàng)研發(fā)用于本地?zé)o線局域網(wǎng)(WLAN)以及藍(lán)牙有源發(fā)射天線的實(shí)驗(yàn)。該天線是一個(gè)工作在2.45GHz附近的振蕩器型微帶有源天線，其連接到一個(gè)二端不穩(wěn)定有源器件。該有源器件與矩形接線天線直接集成，除了一個(gè)在天線輸入端口和用于測(cè)量的有源器件之間引入短微帶線外。一般情況下，這種設(shè)計(jì)過程中，饋線損耗被認(rèn)為是微不足道的，但它包括在本論文中。

　　所有接線天線以及振蕩器的設(shè)計(jì)步驟都是并行執(zhí)行的。在天線旁引入了天線饋線的輻射影響，并且在饋線處的輸入阻抗變化作為振蕩器設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)。采用電壓串聯(lián)反饋來將振蕩器輸出動(dòng)態(tài)范圍最大化，并保證保持工作在有源器件的最不穩(wěn)定區(qū)，以滿足振蕩條件的需要。

　　天線被認(rèn)為是一個(gè)單端輸入，并且在所關(guān)心的頻段上，對(duì)稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對(duì)稱振子可簡單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個(gè)半波對(duì)稱振子組成天線陣。 兩臂長度相等的振子叫做對(duì)稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對(duì)稱振子，。另外，還有一種異型半波對(duì)稱振子，可看成是將全波對(duì)稱振子折合成一個(gè)窄長的矩形框，并把全波對(duì)稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長的矩形框稱為折合振子，首先利用現(xiàn)行仿真器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)來預(yù)測(cè)所需的振蕩頻率，然后再進(jìn)行優(yōu)化。此后，實(shí)現(xiàn)非線性仿真來預(yù)測(cè)振蕩條件、相位噪聲和功率性能。

　　采用安捷倫科技公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)設(shè)計(jì)軟件工具，對(duì)包括了饋線和振蕩電路的天線特性進(jìn)行仿真和分析。10應(yīng)該指出的是，采用 Momentum軟件包對(duì)天線進(jìn)行建模，該軟件已包括在ADS內(nèi)。利用在GaAs MESFET有源器件的漏引腳插入一個(gè)電容器對(duì)振蕩頻率進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)和控制，從而滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)(見下表)。據(jù)觀測(cè)，所獲得的振蕩頻率范圍偏離2.45 GHz中心頻率的最大處約6.87%，具有低相位噪聲和可接受的輸出功率。

　　采用傳感器校正因子來確定天線輸入端口測(cè)量到的頻率和正向功率，當(dāng)天線與振蕩器電路截?cái)鄷r(shí)，該校正因子被估算。傳感器是一小塊尺寸為3×5 mm的路徑，置于天線邊沿產(chǎn)生最高電壓。包含的50-O電阻可以確保這種傳感器功能正確，還保證了傳感器的輸出連接器作為一個(gè)相對(duì)良好匹配的源出現(xiàn)。這將減少將其連接到一個(gè)匹配很差的功率計(jì)或頻譜分析儀所可能造成的誤差。首先，當(dāng)將天線與有源RF電路截?cái)鄷r(shí)，測(cè)量該校正因子：然后，重新連接來測(cè)量振蕩器的輸出功率。