一種改進的有源集成天線設計方法

楊思磊 金榮洪 耿軍平 柳良 王堃 丁子恒 周晗 樊婷婷

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

引 言

隨著通信技術的廣泛應用以及頻譜資源的日趨緊張，人們對高性能無線傳輸?shù)男枨笕找嫫惹?，急需高性能高集成的多頻多功能系統(tǒng).有源天線和傳統(tǒng)無源天線相比，具有寬頻帶、高增益和小型化等諸多優(yōu)勢，受到射頻研究者的廣泛關注.

目前已有很多人在有源集成天線方面做了很多有價值的研究和設計[1-8].文獻[4-5]中，通過多模塊化仿真，獨立設計了超寬帶天線和有源電路，實現(xiàn)了超寬帶有源集成天線設計，大幅提高了寬帶無源天線的增益和信噪比.文獻[6-8]采用一體化協(xié)同設計的方法，通過巧妙設計有源電路和天線的級聯(lián)端口阻抗，將天線和電路直接級聯(lián)，得到了緊湊的有源集成天線，并提升了系統(tǒng)的可靠性.上述設計中，由于有源電路的引入，使得有源集成天線的仿真設計方法變得更為復雜.目前有源集成天線的仿真設計方法主要包括：基于等效電路的場路協(xié)同仿真方法和基于多模塊散射參數(shù)的場路協(xié)同方法.基于等效電路的場路協(xié)同仿真方法借助等效電路模型能夠對有源集成天線在電路環(huán)境下進行全局求解，但是電路環(huán)境下不能對有源集成天線的遠場輻射特性進行驗證.基于多模塊散射參數(shù)的場路協(xié)同方法往往是把天線和無源電路等模塊在電磁場仿真軟件中計算，然后封裝成多端口網(wǎng)絡，再導入到電路仿真軟件(如ADS)中進行包含有源電路的系統(tǒng)級仿真設計.這個過程中很難把有源器件對無源部分的影響完整考慮進去，因此需要在場仿真和路仿真之間進行多次迭代才可能收斂，甚至還要通過實驗測試修正才能進行設計.顯然這些設計方法很難對其特性進行全面、精準的仿真計算，只有通過加工測試才能完整地驗證有源集成天線的諸多特性，最終的測試結果難免和設計指標存在一定的誤差[9].

電磁仿真軟件CST提供了設計工作室(design environment, DS)和微波工作室(microwave studio,MWS)的聯(lián)仿功能，能夠把有源器件的時域模型引入到有源集成天線三維電磁仿真環(huán)境中直接求解，得到有源集成系統(tǒng)的響應特性，無需多次迭代.在此基礎上，本文通過在有源集成天線模型中把有源模塊正反接入替換實現(xiàn)遠場輻射特性計算；并引入零阻抗的虛擬端口，實現(xiàn)有源集成天線的雙端口網(wǎng)絡模型等效變換，在電路仿真軟件ADS中更準確地計算有源電路的參數(shù)特性.解決了當前有源集成天線設計中難以對遠場輻射特性仿真和難以全面分析有源集成天線性能等問題.基于上述分析模型，本文提出一種改進的有源集成天線的設計方法，能夠仿真有源集成天線的輻射特性和較全面地分析設計有源集成天線的各項性能指標.

1 改進的有源集成天線設計方法

針對現(xiàn)有的仿真設計方法很難對有源集成天線特性進行全面、精準仿真計算的問題，本文通過建立兩種仿真分析模型，實現(xiàn)對有源集成天線的遠場輻射特性仿真和精準的有源電路特性參數(shù)仿真，在此基礎上，提出了一種改進的有源集成天線設計方法，設計中能實現(xiàn)快速收斂.

1.1 有源集成天線的輻射特性仿真

CST提供了電磁仿真的MWS模塊和電路仿真的DS模塊，如圖1中所示，DS和MWS兩者結合可以實現(xiàn)對有源集成天線系統(tǒng)的一體化時域瞬態(tài)場路聯(lián)合仿真.

圖1 仿真模型Fig.1 Simulation model

但是當仿真有源接收天線時，接收通道的有源器件是低噪聲放大器(low noise amplifier, LNA)，如圖2(a)所示，由于單向因果特性，此時只能查看有源集成天線的輸出端口阻抗匹配特性，無法得到天線的輻射特性.如果想要得到有源集成天線的輻射特性，發(fā)射通道的有源器件為功率放大器(power amplifier, PA)，同樣因為單向因果特性，可以直接求解遠場輻射特性[8].因此當我們在仿真有源接收天線的輻射特性時，可以通過把有源器件的二端口網(wǎng)絡模型的兩個端口反向連接，如圖2(b)所示，并相應改變鏈路中的阻抗變換器設計，使有源模塊在接收和發(fā)射兩種情況下的工作狀態(tài)保持一致.此時有源器件工作在PA模式，可以求解輻射特性.

圖2 仿真有源接收天線時接收/發(fā)射等效變換原理圖Fig.2 Schematic diagram of receiving/transmitting equivalent transformation

1.2 有源電路特性的精準協(xié)同仿真

原有的單端口有源集成天線網(wǎng)絡是無法得到有源電路的噪聲系數(shù)和增益特性的.傳統(tǒng)的多模塊場路協(xié)同仿真中，為了獲取有源電路的增益和噪聲特性，通常是在場仿真中專門針對有源電路進行仿真，并將結果保存為SNP文件導入ADS中和有源器件S參數(shù)模型構成二端口網(wǎng)絡，然后采用固定的Term端口阻抗計算有源電路的噪聲和增益特性.但是由于端口阻抗設置和器件的實際情況不符，將在有源集成天線的整體設計過程中引入誤差，且在高集成化的多頻設計[9]中每個頻段的阻抗值可能不同，往往還需要反復設置Term端口阻抗來計算不同頻段的工作特性.

為了實現(xiàn)緊湊的多頻有源集成天線設計，需要對有源電路的整體噪聲特性和增益特性進行準確的仿真計算.首先，在ADS中通過給無源天線的S1P模型加入一個參考阻抗無窮小(約等于0)的參考端口，把無源天線的S1P模型改造成二端口網(wǎng)絡，如圖3所示.在ADS中仿真驗證表明，只要參考阻抗相比于天線本身端口阻抗足夠小(如參考阻抗/天線端口阻抗≤1/100)，這樣的改變對天線模型端口1阻抗特性的影響極為微小，在本文的應用中可以忽略.

圖3 二端口網(wǎng)絡構建過程Fig.3 Construction process of a two-port network

如圖4所示，通過上述改造的無源天線二端口網(wǎng)絡，在ADS中構建兩條計算鏈路，基于ADS中對雙端口鏈路的增益和噪聲系數(shù)的計算結果，進一步處理就可以更準確地輔助計算有源集成天線設計中的有源電路的噪聲和增益特性.

圖4 ADS中仿真分析原理圖Fig.4 Schematic diagram of simulation analysis in ADS

當仿真設計有源接收天線時可以通過下列公式計算有源電路的噪聲系數(shù)NAC和 增益GAC：

式中：Nf2和Nf4分別是圖4中的Term2和Term4端口在ADS中仿真得到的噪聲系數(shù)；S21和S43分別為圖4中無源天線和有源天線的正向傳輸系數(shù)，單位dB.

1.3 改進的有源集成天線設計方法

基于有源集成天線的輻射特性仿真和有源電路特性的精準協(xié)同仿真，下面介紹一種改進的有源集成天線設計方法.

首先明了設計準則，并完成有源接收天線和等效反向有源發(fā)射天線共用的無源天線和有源模塊的設計.其次應當以有源模塊的工作特性一致為前提，分別設計接收和發(fā)射兩條不同鏈路所需的多頻阻抗變化器.然后在完成三大基本模塊設計以后，分別仿真有源接收鏈路和反向的有源集成發(fā)射天線的各項特性.其中仿真有源接收鏈路時，通過CST的時域瞬態(tài)仿真功能獲取有源集成天線整體的輸出端口阻抗特性，通過有源電路特性的精準協(xié)同仿真方法獲取有源電路參數(shù).同時同樣通過CST的時域瞬態(tài)仿真功能仿真反向有源集成發(fā)射天線，獲取遠場輻射特性.

在設計中，可以在電磁環(huán)境下仿真驗證有源集成接收天線中無源天線和阻抗變換器級聯(lián)后的輸出端端口阻抗ZRin，以及反向變換的有源集成發(fā)射天線中50 Ω特征阻抗值經(jīng)過阻抗變換器后的端口阻抗ZTin.ZRin和ZTin分別對應兩條鏈路中輸入信號到有源模塊輸入端的阻抗，它們的阻抗是否一致能夠反映有源模塊在兩個鏈路中工作狀態(tài)是否一致.但是僅僅使有源模塊的工作狀態(tài)在兩條鏈路中一致，并不能保證此時有源模塊的工作特性符合設計預期，只有當有源集成發(fā)射天線的增益特性與無源天線的增益和有源模塊選定的源端阻抗點對應的增益值(既有源模塊的增益預期值)之和是吻合的，此時反向變換的有源發(fā)射天線的輻射特性才能夠表征我們預期的有源接收天線的遠場輻射特性.

在仿真有源接收天線鏈路中的各項參數(shù)時，同樣需要不斷驗證仿真結果是否符合預期值，并向著預期值進行優(yōu)化.

在有源接收天線鏈路和反向變換的有源發(fā)射天線鏈路中的各項特性參數(shù)都符合設計預期以后，可以檢驗是否達到設計準則.如果達到，就完成設計；如果沒有達到，也可以通過上述的各部分特性仿真去查找問題所在，重新對阻抗變換器進行優(yōu)化設計，直至滿足設計準則.

上述改進的協(xié)同仿真設計方法，在仿真階段可對有源集成天線各項特性進行驗證分析，通過優(yōu)化設計實現(xiàn)不同準則要求下的有源集成天線設計.設計流程如圖5所示.

圖5 有源集成天線設計流程Fig.5 Active integrated antenna design process

2 基本模塊設計

如圖2中所示，有源集成天線主要由天線、有源模塊和阻抗變換器構成.首先對這三個基本模塊進行初步設計，后文中將在這些基本模塊的基礎上，對部分模塊做一定的改動來完成不同準則的有源集成天線設計，驗證本文改進的有源集成天線設計方法.

2.1 無源天線設計

本文采用一個簡單的多頻二元陣作為無源天線部分來驗證改進的設計方法.天線結構如圖6(a)～(d)所示.上邊三層印刷在介質(zhì)板上的金屬貼片依據(jù)堆疊法設計，之間通過直徑1.2 mm的探針耦合饋電[10-12].天線最終幾何結構參數(shù)如表1所示.其中層1和層4使用的是Rogers RO4350 B，介電常數(shù)為3.48，損耗角正切為0.003 7，厚度分別為H1和H4.層2和層3使用的是FR4，介電常數(shù)為4.3，損耗角正切為0.02，厚度分別為H2和H3.同時本文采用多頻阻抗變換原理將無源部分和有源部分進行高集成化的一體化設計，使用電磁仿真軟件CST仿真該天線，天線的端口阻抗隨頻率變化曲線如圖7(a)所示，天線的等效熱噪聲溫度和增益隨頻率變化曲線如圖7(b)所示.

圖6 無源天線結構不同方位視圖Fig.6 Views of passive antenna structure in different directions

表1 無源天線結構參數(shù)表Tab.1 Characteristic structure parameters of passive antenna mm

圖7 無源天線不同指標仿真結果Fig.7 Simulation results of different passive antenna parameters

2.2 有源模塊設計

本文采用MACOM公司的MAAL-011078低噪聲管設計有源模塊.在輸出端并聯(lián)有耗電路，通過選擇合適的L、C參數(shù)在不同頻段產(chǎn)生諧振點，結合合適的電阻R增加電阻性損耗，調(diào)諧有源模塊的工作特性，實現(xiàn)不同準則要求下的有源集成天線設計.有源模塊的原理圖如圖8.

圖8 有源模塊原理圖Fig.8 Active circuit schematic

設計中主要是通過改變有耗枝節(jié)數(shù)調(diào)整工作頻帶內(nèi)(L、S、C三個波段)的增益特性，通過微調(diào)有耗電路中電阻值對工作頻段的增益進行微調(diào).有耗電路枝節(jié)數(shù)是影響整體特性的主要因素，因此使用具有相同參數(shù)的枝節(jié)為初始值，其中C、L和R分別為100 nF、1.6 nH和66 Ω，對具有不同枝節(jié)數(shù)的有源模塊進行仿真，結果如圖9所示.可以看出，在輸出端增加不同數(shù)量的有耗枝節(jié)，能夠有效調(diào)節(jié)有源模塊的低頻增益，改善電路穩(wěn)定性且僅對輸出端的噪聲系數(shù)造成輕微影響.該仿真結果為下文設計中有源模塊的結構選擇提供了初始依據(jù)，簡化了設計過程.

圖9 不同枝節(jié)數(shù)有耗電路的參數(shù)隨頻率變化仿真結果Fig.9 Simulation results of different active modules with different branch numbers

2.3 多頻阻抗變換器設計

本文基于參考文獻[13-14]中多頻復阻抗變換原理和基于最小二乘法的多頻阻抗變換原理來設計多頻阻抗變換器，把無源天線和有源模塊的級聯(lián)端口良好匹配，實現(xiàn)整體化設計，提升有源天線的性能和集成度，并把有源模塊的輸出端匹配到50 Ω特征阻抗.

如圖2(a)所示，在有源接收天線的設計中，從天線接收信號到最終有源模塊輸出信號，鏈路一共設計兩個多頻阻抗變換器：無源天線的單端口阻抗Zant和有源模塊的輸入阻抗通過多頻復數(shù)-復數(shù)的阻抗變換器[14]，實現(xiàn)理想匹配；有源模塊輸出端采用基于最小二乘法的多頻阻抗變換原理設計一個多頻復數(shù)-實數(shù)的阻抗變換器，把有源模塊的輸出阻抗Zout變換到50 Ω的特征阻抗.

為了實現(xiàn)遠場輻射特性仿真，設計如圖2(b)中的等效反向發(fā)射鏈路中的兩個阻抗變換器.和上文接收鏈路中不同的是，這里是將天線的單端口阻抗Zant和有源模塊的輸出阻抗Zout通過多頻阻抗變換[14]實現(xiàn)理想匹配；而在有源模塊的輸入端則采用基于最小二乘法的多頻阻抗變換原理把50 Ω的特征阻抗變換到有源模塊的輸入阻抗

為了保證有源模塊在正向和反向接入時工作特性近似一致，圖2中的阻抗變換器1和阻抗變換器4，應當通過嚴格的解析計算(Matlab)和完善的場路聯(lián)合仿真驗證前級端口阻抗(無源天線端口阻抗、50 Ω標準特征阻抗)是否經(jīng)過阻抗變換器后一致變換到符合設計要求的源端阻抗

3 有源集成天線設計

在不同的應用領域里對有源集成天線有著不同的準則要求.某些應用中，對信號動態(tài)范圍有著較高的要求，而另一些應用中則對接收性能有著嚴格的要求.因此本文采用上文中的基本模塊，即在目前通信中比較常用的sub-6G頻段，分別設計滿足增益均衡和G/T值均衡的多頻有源集成天線來驗證本文的設計方法，中心頻點分別為L、S和C波段的1.2 GHz、2.4 GHz和5.8 GHz.

3.1 基于增益均衡的多頻有源天線設計

本文依據(jù)低噪聲模塊和無源天線參數(shù)特性，設計了增益值在多個頻帶內(nèi)滿足25 dB的高性能有源接收天線.把圖7(b)中的無源天線增益和圖9(a)中的有源模塊的增益分別疊加，比較不同枝節(jié)數(shù)時的增益和，最終選擇使用2枝節(jié)有耗電路來均衡三個頻段的增益特性，同時使有源電路達到穩(wěn)定狀態(tài).

首先，依據(jù)選定的有源模塊的端口阻抗，設計反向接入所需的多頻阻抗變換器，并將完整的等效反向發(fā)射有源集成天線結構在電磁仿真軟件CST的DS和MWS中仿真，對有耗電路中的電阻值進行參數(shù)分析.仿真結果如圖10(a)所示，當R1=66 Ω、R2=43 Ω時，在1.2 GHz、2.4 GHz和5.8 GHz處增益分別達到了26.6 dB、25.8 dB和25.8 dB，工作頻帶內(nèi)呈現(xiàn)出增益均衡特性，因此選定該有源模塊.

圖10 基于增益均衡的多頻有源集成天線設計和仿真結果Fig.10 Design and simulation results of the multi-frequency active integrated antenna based on gain equalization

根據(jù)選定的有源模塊設計正向接收時的阻抗變換器，構成完整的有源電路.如圖10(d)中結構所示，底部有源電路中引入共面波導結構減小耦合的影響，并基于改進的有源電路特性協(xié)同仿真方法進行仿真分析，結果如圖10中(b)和(c)所示.把圖10(b)中的有源電路和無源天線的增益相加計算有源接收天線的增益，可見該增益和圖10(a)中等效發(fā)射有源集成天線增益吻合，驗證了輻射特性的有效性.

在電磁仿真軟件CST中對有源接收天線的完整結構進行仿真，回波特性如圖10(d)所示，在三個工作頻帶內(nèi)回波特性良好.基于增益均衡的有源集成天線特性參數(shù)如表2所示.

表2 基于增益均衡的有源集成天線特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of the active integrated antenna based on gain equalization

其中在計算該天線的G/T值時，因為本文采用了高集成化的設計方法，將其視作一個整體，文中重新定義了G/T值[15]:

式中：NF是 整個有源電路的噪聲系數(shù)，單位dB；Ta是無源天線的輻射熱噪聲溫度，TAIA是有源集成天線的整體噪聲溫度，單位都是K；GAIA是有源集成天線的增益.

3.2 基于G/T值均衡的多頻有源天線仿真設計

同樣使用上文中的二元陣結構來設計基于G/T值均衡的多頻有源接收天線.考慮到有源器件通常在高頻處增益特性和噪聲特性最差，因此本文以高頻5.8 GHz處的G/T值為標準，設計G/T值均衡的多頻有源接收天線.

使用上文中的兩種分析模型，按照本文改進的設計方法，分析具有不同有耗枝節(jié)數(shù)的等效發(fā)射有源集成天線的整體增益特性，并計算對應的有源接收天線中有源電路的噪聲系數(shù)，使用這些參數(shù)結合無源天線的噪聲特性對不同枝節(jié)數(shù)時的有源接收天線設計的G/T值進行計算，計算結果如圖11(a)所示.最終選擇3枝節(jié)有耗電路來均衡三個頻段的G/T值并使電路穩(wěn)定，其中有耗電路的參數(shù)為初始值.

圖11 基于G/T值均衡的多頻有源集成天線設計和仿真結果Fig.11 Design and simulation results of the multi-frequency active integrated antenna based on G/T value equalization

根據(jù)選定的有源模塊完成正向接收的有源電路設計和有源接收天線設計，如圖11(d)中結構所示，底部有源電路中引入共面波導結構減小耦合的影響，有源接收天線的回波特性如圖11(d)所示，在三個工作頻帶內(nèi)回波特性良好，在1.2 GHz、2.4 GHz和5.8 GHz處計算的G/T值依次為4.8 dB/K、5.1 dB/K和4.8 dB/K，滿足設計要求.有源集成天線特性參數(shù)如表3.

表3 基于G/T值均衡有源集成天線特性參數(shù)表Tab.3 Characteristic parameters of the active integrateed antenna based on G/T value equalization

4 G/T值均衡的有源天線驗證

加工實物如圖12所示，并測試有源集成天線的參數(shù)特性.在測試過程中，使用四塊高頻吸波板搭建了一個底部鋪設和三面環(huán)繞的開放式的測試環(huán)境.

圖12 有源天線實物圖Fig.12 Prototype of the active antenna

圖13(a)～(c)為測試的多頻有源接收天線的增益方向圖，由于測試環(huán)境不理想，可以看到每個頻點的方向圖都有一定偏差，1.2 GHz和2.4 GHz偏差較大，而在5.8 GHz偏差較小.這主要是由于吸波板是針對Ku波段定制的，其低頻吸收特性不佳，在1.2 GHz和2.4 GHz多徑效應明顯，同時環(huán)境中Wi-Fi信號也對2.4 GHz和5.8 GHz的測試帶來一定干擾，但是因為使用的吸波材料對高頻吸收特性更好，因此在5.8 GHz受到的影響也最小.

圖13 多頻有源接收天線方向圖測試結果Fig.13 Multi-frequency active receiving antenna pattern test results

由圖14(a)可知，在1.2 GHz和2.4 GHz，多頻有源接收天線的增益和G/T值與仿真設計結果基本吻合，分別為25.9 dB、24.8 dB和4.3 dB/K、3.7 dB/K，而在5.8 GHz增益和G/T值與仿真預期相比偏差較大.考慮可能是由于所選用的晶體管工作范圍為700 MHz～6 GHz，5.8 GHz處于晶體管芯片工作區(qū)的邊緣，因此特性不好，趨于上限.后期通過測試發(fā)現(xiàn)有源電路在5.8 GHz處匹配良好的情況下，增益為12～13 dB，與使用廠家提供器件的S參數(shù)模型仿真結果16.4 dB相比，減小了約4 dB，同時噪聲系數(shù)接近2.6 dB，比仿真結果惡化了1 dB以上，如果加上這大約4 dB的損失，有源接收天線在5.8 GHz的增益約等于26.9 dB增益；考慮晶體管本身在工作頻段的邊緣由于特性不佳對噪聲帶來的惡化，有源接收天線在5.8 GHz的G/T值應當是大于3，且如圖14(b)所示，回波特性良好，測試和仿真總體趨勢是一致的.將其G/T值性能和文獻中的幾種設計在同樣的計算方式下進行比較，結果如表4所示.可以看出，本文基于改進仿真方法設計的有源接收天線性能表現(xiàn)良好，具有高的增益、高的頻帶利用率和高的G/T值.

表4 與其他文獻計算結果比較Tab.4 Comparison with other literatures

圖14 多頻有源接收天線實測結果Fig.14 Multi-frequency active receiving antenna measured results

5 結 論

本文基于CST的DS和MWS模塊提供的時域瞬態(tài)場路協(xié)同仿真平臺，通過在有源集成天線模型中把有源模塊正反接入替換實現(xiàn)遠場輻射特性計算；通過引入零阻抗的虛擬端口，實現(xiàn)有源集成天線的雙端口網(wǎng)絡模型等效變換，并在此基礎上改進了有源集成天線設計方法.用此方法分別設計了基于增益均衡和G/T值均衡的多頻有源集成天線，并對后者進行了加工測試驗證.測試結果和仿真結果趨勢一致，表明改進的有源集成天線仿真設計方法能夠在不同約束準則下高效快捷準確地設計有源集成天線.