（电磁场与微波技术专业论文）有源集成天线的分析与设计.pdf

摘要 摘要 本文重点研究了放大器型有源集成天线的理论和设计中的几个问题。 首先介绍了有源集成天线的发展历史、类型以及突出优点，接着分析了低噪 声放大器的稳定性、各种功率增益和噪声特性；结合微带贴片天线的传输线模型 理论和空腔模型理论，给出了微带贴片天线的尺寸与谐振频率和输入阻抗的关系。 根据这些理论，把低噪声放大器和微带天线结合起来，并考虑两者之间的匹配， 讨论了一种集成低噪声放大器的有源微带贴片天线的设计，得到了在给定工作频 率下的有源集成天线尺寸和低噪声放大器的电路结构。对于低噪声放大器的设计， 为改善驻波陛能，给出了平衡式低噪声放大器的设计。 最后，给出了有源集成天线的设计版图和仿真结果，并与无源天线进行了对 比，从而突出了有源集成天线的优点。 关键词：有源集成天线低噪声放大器微带贴片天线平衡式低噪声放大器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rg i v e se m p h a s i st ot h er e s e a r c ho fs o m ep r o b l e m sa b o u tt h et h e o r ya n d t h ed e s i g no f t h ea m p l i f i e rt y p ea o i v ei n t e g r a t e da n t e n n a f i r s t l y , t h eh i s t o r yo ft h ed e v e l o p m e n t ，t y p ea n de x t r av i m u e sa r ei n t r o d u c e d ，t h e n t h es t a b i l i t y ，a l lk i n d so fp o w e rg a j na n dn o i s ec h a r a c t e r i s t i co ft h el o wn o i s ea m p l i f i e r a r ea n a l y s e d ；a n dt h es a m et i m e ，t h et r a n s m i s s i o nl i n em o d e l i n gt h e o r ya n dt h ec a v i t y m o d e l i n gt h e o r yo ft h em i c m s t r i pp a t c ha n t e n n aa r es t u d i e d ，w h i c hg i v e st h er e l a t i o n b e t w e e nt h es i z eo ft h em i e m s t r i pp a t c ha n t e ：i l n aa n dt h er e s o n a n tf r e q u e n c ya n dt h a t b e t w e e nt h es i z ea n dt h ei n p u ti m p e d a n c eo ft h em i c m s t r i pp a t c hr n l n n a b a s e do n t h e s et h e o r i e s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h em e t h o do f t h ed e s i g no f t h el o wn o i s ea m p l i f i e r i n t e g r a t e da c t i v em i c r o s t r l pp a t c ha n t e n n a , w h i c hc o n s i d e r st h el o wn o i s ea m p l i f i e ra n d t h em i c r o s t r i pa n t e n n aa n dt a k e sb o t hm u t u a lm a t c h i n gi n t oa c c o u n t t h es i z eo ft h e a c t i v ei n t e g r a t e da n t e n n aa n dt h ec i r c u i tc o n f i g u r a t i o no ft h el o wn o i s ea m p l i f i e ra r e o b t a i n e da tt h es p e c i f i e do p e r a t i o nf r e q u e n c y a st ot h ed e f i g no f t h el o wn o i s ea m p l i f i e r , t h i sp a p e rp r e s e n t st h eb a l a n c e dl o wn o i s ea m p l i f i e rf o ri m p r o v i n gt h es t a n d i n gw a v e p e r f o r m a n c e f i n m l gt h ep h o t o g r a p ho f t h ec i r c u i tb o a r da n dt h es i m u l a t e dr e s u l t sa r ep r o v i d e d ， a n dt h ea c t i v ei n t e g r a t e da n t e n n ag i v e sp r o m i n e n c et oi t sv i r t u e sb yc o m p a r i n gi tw i t h t h ep a s s i v em i c r o s t r i pa n t e n n a k e yw o r d s ：a c t i v ei n t e g r a t e da n t e n n a l o wn o i s ea m p l i f i e r m i c r o s t r i pp a t c ha n t e a n a b a l a n c e dl o wn o i s ea m p l i f i e r 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：与燃 日期沙穆- 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名：选塑敬， 导师签名 日期y 秽 日期砷r 2 足 第一章绪论 第一章绪论 1 1 有源集成天线的发展及应用 未来无线通信系统对射频前端的要求越来越高，不但要体积小、重量轻，而 且还要噪声低、功能强、能够长时间工作。提出有源集成天线概念以及将其应用 到现代微波毫米波结构设计中，正是顺应了这样一个趋势，为现代微波毫米波结 构设计提供了一种新的概念和思路。虽然对于有源集成天线( a c t i v ei n t e g r a t e d a n t e n n a ) 的研究和应用还处于初期阶段，但这个概念很早就被提出来了。有源集成 天线的发展与电子器件的发展紧密相关，可以分为三个阶段： ( 1 ) 电子管时代，有源天线的概念最早出现在1 9 2 8 年l ”，带有电子管的电小天 线被应用于频率为1 m h z 的无线通讯接收机中。但是当时的有源器件只限于电子 管，而电子管的特性以及电源供给等都存在不少难以解决的问题。 ( 2 ) 场效应管时代，由于电子管体积大，为了使有源天线结构更加紧凑，必须 实现固态有源器件的小型化。五十年代由于半导体器件的飞速发展i 2 】，1 9 5 8 年出 现了隧道二极管，1 9 6 0 年由于外延平面技术的成功，出现了场效应管，而晶体管 的噪声系数也由几十分贝下降到只有1 2 分贝，晶体管的工作频率由几千赫提高 到几十兆赫，上百兆赫或更高些。这样就给有源天线的研制提供了充分条件。2 0 世纪6 0 年代中期，有源集成天线的概念再次出现，几名学者阐述了集成二极管、 三极管的天线，有源天线最初定义为功率源或放大器非常紧密地与辐射单元联系 在一起的任何天线。1 9 7 4 年，出现了使用振荡器的注入锁定获得有源天线阵的定 向波束的概念f 3 1 。1 9 8 0 年a r m s t r o n g 等人提出了用于多普勒传感的有源天线1 4 j ， 这种有源天线将b a r i t t 二极管与微带贴片天线集成在一起，代表了最早使用微 带天线技术的有源天线。2 0 世纪8 0 年代，固态器件和集成电路技术的提高使得毫 米波频率可以被使用，电路开始微型化。1 9 8 5 年，t h o m a s 提出了一种集成g u n n 二极管的矩形有源微带贴片天线”1 ，这种天线被认为是第一个现代有源天线。1 9 8 6 年，p e r k i n s 提出了一种集成i m p a t t 二极管的圆形微带贴片天线，这种有源天线 可以降低交叉极化电平，并改善辐射特性。1 9 8 8 年，有人首先提出了集成f e t 的 有源微带贴片天线】。后来数年中，集成f e t 的有源天线得到了较大的发展 7 1 ，f 8 】，【9 】【l0 1 。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代m m i c ( 单片微波集成电路) 技术与微带天线技术的迅速 发展开辟了有源天线研究和应用的新时代。随着m i c ( 微波集成电路) 和m m i c 技术的成熟，近年来有源天线成为一个热门话题。 有源集成天线的分析与设计 二r 世纪八、九 年代，准光学技术促进了有源集成天线的发展”“。1 9 8 6 年， s t e p h a n 使用注入锁定振荡器进行了空间功率合成，并提出了一种控制波束扫描的 方法。1 9 9 3 年，y o r k 等人提出了新的准光学功率合成技术，使有源集成天线阵的 发展又上一个新台阶。从1 9 9 3 年到现在，涌现出大量的关于有源集成天线的理论 和技术1 1 2 ，1 1 3 l ，。 有源集成天线被广泛应用于军事和商业领域，如相控阵、毫米波功率合成、 无线传感器、个人移动通信等方面。有人提出一种新型的有源带状线圆形贴片天 线，实现空间的功率合成】。文献【1 6 1 设计了一种全双工的有源集成天线结构，还 可以组合成天线阵列，可用于高容量毫米波应用，如无线局域网，汽车防撞雷达 等方面。人们不断致力于有源集成天线的改进，提高其性能，并且不断开拓它的 新的应用领域。文献1 1 7 实现了一个两元的有源阵列，提出了一种无需移相器的扫 描技术，其中利用一个放大器来实现两个天线之间的信号耦合，通过改变放大器 的偏置电压来改变两个天线之间的相位差，从而完成波束扫描。文献【1 8 l 提出了一 种自谐振混频的有源集成天线，其中只用了一个双门f e t ，使体积更加紧凑，功 耗更小，而且可行性很好。不过这种单管的自谐振混频天线较之于用两个场效应 管的，噪声稍大。文献i l g l 设计了一种推挽功放集成天线，为了提高功放的 p a e ( p o w e r a d d e de f f i c i e n c y ) ，设计将推挽功率放大器的输出对微带天线进行双端 馈电，减少了功耗。人们总是从电路和天线两方面来提高有源集成天线的性能。 文献1 2 伽针对有源贴片天线谐波辐射的控制进行了一些探讨，它将矩形贴片做了一 些变形，对二次和三次谐波的抑制起到很好的效果。 目前有源集成天线主要朝着提高功率和频谱的利用率、改善噪声、减少损耗、 缩小体积和增强功能等方向发展。随着对有源集成天线研究的不断深入，比较系 统的理论方法也提出来了t 2 1 1 ，文献针对有源集成天线接收机前端设计中的阻抗 匹配问题进行了系统的阐述，并给出了具体的例子。 1 2 有源集成天线的分类及其电路结构 根据所集成的有源器件功能的不同，可把有源微带天线分为三种类型：振荡 器型，放大器型和频率变换型“”，分别用于激励r f 信号，放大r f 信号，改变 r f 信号频率。这三种有源天线也可以集成在一个模块上，完成两种以上功能，如 有源收发模块。 ( 1 ) 振荡器型有源微带天线 振荡器型有源集成微带天线由晶体管振荡器与微带辐射元组成，辐射元在振 荡器输出端，因为产生的射频能量辐射到自由空间，所以也叫准光振荡器。二端 第一章绪论 口器件以及三端口器件，都可以作为有源器件来使用。毫米波段的二端口器件集 成的有源天线很适合于高功率合成，但其d c r f 的效率低，在电路设计中热耗是 重要考虑的问题。三端口器件d c r f 的效率高，近几年来h b t 和h e m t 的最新 技术展示了它在毫米波段具有高增益、高d c r f 效率和低噪声系数的优良特性。 另外三端口器件可方便地用于平面电路，无论是混合电路还是单片电路中，这些 优点决定了三端口器件在有源集成天线中的重要地位。 辐射元一般用贴片天线或缝隙天线，它们不仅是振荡器的输出负载，而且也 是本地振荡器产生振荡频率的谐振器。一般来说，由于天线辐射元作为有源器件 的负载，有源天线的品质因子较低，使振荡器频率不稳定，加寄生元可以提高频 率稳定度，同时改善天线的方向图。 ( 2 ) 放大器型有源微带天线 放大器型有源集成微带天线是个二端口有源系统，无源天线在有源电路的 输入口或输出口，当天线仅放置在其输入口时，整个系统工作在接收状态，噪声 特性是设计的重要参数之一。现在低噪声放大器( l n a ) 设计技术已经应用于系统设 计上了。当天线仅放置在其输出口时，系统工作在发射状态。由于在无源天线结 构中引入了放大器，天线的增益和带宽得以提高，而噪声特性亦得到相应改善。 ( 3 ) 频率变换型有源微带天线 频率变换型有源微带天线最初出现在1 9 7 7 年【2 “。一个1 0 0 1 2 0 0 h z 的准光混 频器取代了波导混频器。准光学的方法促使了频率变换型有源天线的发展。一般 应用于准光混频上，也有一些应用于准光倍频的报道1 1 5 】 2 6 】。最近，随着智能高速 公路与不接触识别系统对简单、低成本元件的需求，如何将准光传输器用于自振 荡混频器与谐波泵清混频器中，成为一个令人感兴趣的话题。 ( 4 ) 有源集成微带天线的收发模块f 2 7 1 有源集成天线不仅可以应用予以上三种基本类型，一些振荡器型的有源集成 天线做一些轻微的改动后即可用作收发电路。在这些电路中f e t 担任双重任务， 一是作为发射信号源，二是作为接收信号的下变频的自振混频器。这种电路已被 应用于连续波的多普勒传输系统中。 1 3 有源集成天线的优点 ( 1 ) 增宽频带 无源天线的工作频带决定于天线的特性阻抗，而天线的特性阻抗又取决于天 线的尺寸和天线的结构。由于无源天线受到结构尺寸的限制，频带是无法做得很 宽的。当无源天线尺寸缩小后，它的辐射电阻就要下降，从而造成天线和传输线 有源集成天线的分析与设计 连接的失配，最终使频带变窄。而有源天线不存在上述失配问题，这是因为作为 无源天线负载的有源网络，可以采用高输入阻抗的电子器件( 如场效应管等) ，这样， 当无源天线的尺寸缩小使辐射电阻减小时，高输入阻抗的有源网络的影响可以忽 略不计。如果再将有源网络设计成低阻抗输出，使之与同轴电缆有良好的匹配， 这就可以做到具有很宽的工作频带。 ( 2 ) 提高增益 有源天线的增益除了无源天线方向增益外，还有有源网络的增益。用式子表 示为g = k d ，其中k 为有源网络的增益，口为天线的方向性系数。 无源天线是通过方向性系数口的增大来提高增益的，虽然只有2 3 分贝，但 不引入新的噪声，所以信噪比可以获得较大的改善：有源天线的增益主要是通过 提高有源网络的增益k 来获得的，由于有源网络不但本身会产生噪声，而且它将 同时放大接收到的噪声，因此如果不采取特殊的措施，有源天线系统增益提高后 信噪比未必有所改善。 ( 3 ) 减小噪声 由于目前低噪声技术的飞速发展，低噪声晶体管的选用、集成化设计的实施、 功率匹配与噪声匹配技术的不断提高，使得有源天线的系统噪声可以做得低于所 选用晶体管的噪声。 1 4 本文内容安排 由于对有源集成天线单元的研究还处于初期阶段，本人仅对放大型有源集成 天线进行初步研究和设计，根据自己所作的具体工作，歹i j 出本文内容安排，如下： 第一章，回顾了有源集成天线的发展简史、类型及应用，阐述了它所具备的 突出优点和进行有源集成天线研究的重要性和必要性。 第二章，作为研究有源集成天线的理论基础，讨论了低噪声放大器的稳定 性，功率增益和噪声特性。 第三章，阐述了微带天线的传输线模型理论和空腔模型理论，给出了微带贴 片天线的谐振频率和输入阻抗等基本理论。 第四章，在前两章的基础上，阐述了集成低噪声放大器的有源集成天线的设 计。给出了平衡式低噪放的电路模型以及微带天线的尺寸，并考虑 了两者之间的匹配。 第五章对有源集成天线仿真和测试结果进行分析，并与无源天线进行对 比，有源集成天线频带增宽，增益提高。 第二章低噪声放大器的基本理论 第二章低噪声放大器的基本理论 有源集成天线的种类很多，其中有一类是放大器型的有源集成天线。本文主 要研究低噪放和微带天线集成的有源天线，因此放大器理论是研究这类有源天线 的基础。低噪声放大器在任何微波接收系统中都处于前端位置，这是因为微波系 统的噪声系数基本上取决于前端放大器的噪声系数，该有源电路的噪声、非线性、 匹配等性能对整个接收系统至关重要。对低噪声放大器的基本要求是：噪声系数 低，足够的功率增益，工作稳定可靠，足够的带宽和大的动态范围等。目前低噪 放还在向更高的工作频率，更低的噪声，更宽的频带，集成化和标准化方向发展。 下面对低噪放的稳定性，功率增益和噪声特性进行分析【2 8 】例，【3 ”。 2 1 稳定性分析 放大器电路必须满足的首要条件之一是其在工作频段内的稳定性，这一点对 于射频电路是非常重要的，因为射频电路在某些工作频率和终端条件下有产生振 荡的趋势。放大器的稳定性问题分为两大类：一类称为绝对稳定或无条件稳定， 这种情况下，对于所有的无源负载和信号源的阻抗，放大器都能稳定地工作；另 一类称为潜在不稳定或有条件稳定，这种情况下，负载阻抗和信号源阻抗不能任 意选取，要有一定的限铷，否则放大器不能稳定地工作。 本文设计的低嗓放选用晶体管f h x 0 4 l g ，放大器的系统框图如图2 1 所示。 图2 1 简化的单级放大电路 我们将放大器视为一个两端口网络，该网络由s 参量及外部终端条件r ，和r 。 确定。稳定性意味着反射系数的模小于1 。即 1 f 水1 h 1 (2_5)2s l2 马lj 、 1 - i s 。，1 2 l s l 2 s ：。i 1 一l 最：1 2 陬s ：，i 其中 a = s l s 2 2 一s 1 2 s 2 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 对式( 2 5 ) 至( 2 7 ) 进行变换得 f k 1 1 l ( 2 - 8 ) 1 ，源经过输入匹配网 丘 曼 墨点 墅h 显卜 第二章低噪声放大器的基本理论 络阻抗变换后反射系数为r 。，这时晶体管输入端口的归一化反射电压波为 岛= f 。a 1( 2 - 9 ) 经输入匹配网络再反射回的入射电压波为 4 j = f 。b l = f f 乌( 2 - 1 0 ) 如果这时的入射电压波a 比原来的入射电压波q 小，则接上匹配网络后的综合端 口是稳定的。因此，由上式可求得端口接匹配网络后的稳定条件为 h i ，一 l ( 2 - 1 t ) 同样分析，考虑到晶体管输出端口外按输出匹配网络的稳定条件为 l r 。甜r ，i 1 ( 2 1 2 ) 在己知r 。，f 。的情况下，总可以选择适当的匹配网络使二端口达到稳定。 下面讨论一下二端口网络稳定性判定的图示分析。 图2 3 二端口网络的稳定性 z 若图2 3 中的二端口网络是潜在不稳，其中存在r ，和f j 的值使得瓦和z o 。的实部 为正。这些r 。和f f 的值( 即s m i t h 圆图中的区域) 可以用图解法得到。 首先分别确定r ，和f ，的取值范围，使相对应的i r 。l = 1 和n 。i - 1 。令式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 的幅值等于1 ，并从中解出r ，和l 的值。可以看出f ，和f ，n n n 在n 上 ( 称之为稳定圆) ，圆的方程由下面公式给出 r ， r 。一 箐并1 ：l 黼l刚2 一心瓯1 2 - l 2 l 萧并卜鼢l1 s ，1 2 1 1 2il l s ，f i 1 2i ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 在r ，和r ，的平面上，使r ，。卜1 , n l r 。j = 1 的圆半径和圆心，分别由式( 2 1 3 ) 有源集成天线的分析与设计 和( 2 - 1 4 ) 得到，即在史密斯圆图上，输入稳定性判别圆的孙0 坐标和圆半径分别为 ( 即使l i _ 。l = 1 的r 、的值) ： 牛箫并 输出稳定性判别圆的圆心坐标和圆半径分别为( 即使l r 。卜1 的r ，的值) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 将二端口器件在某一频率的s 参数代入式( 2 1 5 ) 至( 2 1 8 ) ，可以算出半径和圆心 并在s m i t h 圆图上画出该圆，能使f 。卜1 和i r 。卜1 的r ，和r 。的取值就可以很清 楚地看出来。图2 4 表示i r 。| = 1 和i f 。f | = 1 的稳定圆。在1 1 ，的平面上，稳定圆边界 的某一边，有1 r 。i l 。同理，在r ，的平面上，稳定圆边界的某一 边，有1 f 。l 1 。 还需要在s m i t h 圆圈上确定哪一部分代表稳定区，换句话说，r 。在哪些区域 取值( 其中nj 1 ) 使得l r 。i 1 。为此，可以看出如果五= 磊，那么r ，= 0 ，此 时有i r 。l - 悔。f 。如果s 。的幅值小于1 ，而r ，= 0 时，| r 。f 1 ，s m i t h 圆圈的中心处代表非稳定工作 点。图2 5 表示所讨论的两种情况，阴影部分表示r ，的稳定工作取值。 ( a ) r ，平面 图2 4s m i t h 圆图上的稳定圆 ( b ) f 。平面 第二章低噪声放大器的基本理论 ( a )( w 瞄2 5 蛐豳上说朗l 辅的靛殛藏 对于绝对稳定的器件，网络中的任何无源负载和信号源必定得到稳定条件。 从作图的观点看，对于旧，l 1 ，网络的绝对稳定是不可能的，因为，f 。= 0 和r ，= 0 的 置端条件将使l r 。| 1 或旷。，l 1 。 同样，图2 6 表示r 。的稳定区和非稳定区。 n 。 ( a ) 圈2 6s m i t h 暇圈上说明r 。平丽驰稳定遐域 有源集成天线的分析与设计 2 2 i 1 ( a ) r ，平面( b ) r ；平面 图2 7 绝对稳定条件 用m i c r o w a v eo f f i c e 仿真软件很容易作出晶体管f h x 0 4 l g 的稳定性判别圆。 图2 8 和图2 9 分别是管子f h x 0 4 l g 自身在f ，和r ，复平面上的稳定性判别圆，频 率为1 1 8 g h z 。 图2 8 f ，平面上的输入稳定性判别圆 图2 9 f ，平面上的输出稳定性判别圆 2 2 功率增益 首先分析放大器的几种不同功率增益的定义。单级放大器的简化电路形式如 图2 1 0 所示，图中假设输入输出匹配网络分别包含在信号源和负载阻抗中，则负 载端与信号源端的反射系数分别为 p 缓 ( 2 1 2 1 ) 第二章低噪声放大器的基本理论 z s a j r ：强 3 z ；+ z 只：p ，屹：p z ( 2 - 2 2 ) z 。为特性阻抗，由图可知，当晶体管2 - 2 端口接负载互时，r ，= a ：，如，于是 佳蛩+s22s,2b呱2f,b2 ( 2 z s ) 【= 是r 口i + s 2 2 6 2 r ， 、7 可求得输入端反射系数 l 2 鲁铽+ 两s , 2 s = i , g ( 2 2 4 ) ql 一6 ，l7 对应的输入阻抗为 z 。= z 。l l + 一f r ：t ( 2 2 5 ) 同理当晶体管l 一1 7 端口接信号源阻抗互时，可求得输出端口反射系数 r 。r = s 2 2 斗l 。q _ 一r s i r f , ， ( 2 - 2 6 ) 对应的输出阻抗为 z o o , = 磊慧 ( 2 - 2 7 ) 为了分析功率增益，下面从概念上给出微波网络的入射功率，反射功率，输 入功率和资用功率的定义以及采用波参数的表示式。对于图2 1 0 的1 1 端口，有 以下各式 入射功率 最。= b 1 2( 2 2 8 a ) 反射功率 = | 6 1 2( 2 2 8 b ) 放大器的输入功率 岛= l a 。1 2 一i b , 1 2 = 川2 ( 1 一l r 。1 2 )( 2 2 8 c ) 有源集成天线的分析与设计 信号源资用功率 由图可知 所以 只2 只。b ，： 。【= a ，+ b t f ，= a ，十以1 r 。r ， 吼。高a y ( 2 2 8 d ) f 2 2 9 ) 式中a ，是信号源电动势的等效电源波，其物理意义是信号源接匹配负载时的归一 化入射波，由此可见入射功率不仅与信源有关，还与信源和负载之间的匹配情况 有关。 将式( 2 2 9 ) 代入式( 2 2 8 ) ，得 耻持 p 3 0 ) 可见资用功率仅取决于信号源，而与负载无关。 同理对于图2 1 0 的2 2 端1 ：3 ，类似有以下各式 对负载互的输入功率异= 1 6 2 1 2 一l a , | 2 = l b ：1 2 ( 1 一i r 斤)( 2 - 3 1 a ) 放大器输出端的资用功率 屹2 # b ( 2 _ 3 l b ) 由式( 2 2 3 ) 可得 口 也= 急1f = 盎i 丧i p ，z ， 2 一s 2 ，一是2 r ，一r 。r 。 、 7 若从放大器输出端口向放大器看去的等 效输出波为口。，输出阻抗为z 0 可用图2 i i 来表示放大器在输出端1 ：3 的波的等效电路，用 一 求式( 2 - 2 9 ) 1 司样的方法可得 图2 1 1 输出端口等效波源 也= l( 2 3 3 ) i f 。f f 、 铲毒i 篇ff 铲器1 f 江s 。，。 ( 一曼：，) ( 1 一1 1 。) 5一s ；， 、 耻研a o 2 而睾酾2 甜( 2 - 3 5 ) 第二一章低噪声放大器的基本理论 由以上分析，即可进行放大器各种功率增益的分析。 2 2 1 工作功率增益 放大器的工作功率增益g ，是指放大器输出端口实际传送给负载乙的功率# 与信号源实际传送到放大器输入端口的功率己之比值。它是放大器在实际工作中 提供的真实功率增益的量度。其计算式为 q 2 每2 南蹦 g 。也可写成 其中 g p = 驴爵= 蕊 式中c ：= s ：一瓯。 ( 2 - 3 6 ) = l 是。f g ， ( 2 3 7 ) ! 二e ! e 1 一i s , ，m r 斤( 陔| 2 _ | 陪2 r e ( i ，c 2 ) ( 2 3 8 ) 可见，放大器的g p 或乳除了与放大器件的s 参量有关外，仅与负载反射系数 r ，有关。因此通过g ，( 或岛) 可以研究负载对功率增益的影响。 式( 2 3 8 ) r ，的数值给出g 。为常数，在图上是一个圆，称之为工作功率增益圆。 在i _ ，平面上，以g 。为参数，工作功率增益圆的方程是 r ，一c p l = ，p ( 2 3 9 ) 其中圆，t i , c ，和半径0 分别为 ( 2 4 0 ) l慧 有源集成天线的分析与设计 ( 2 - 4 1 ) 对于f h x 0 4 l g 在2 g h z 时的等g 。圆画在史密斯圆图上如图2 1 2 所示。可见 输出匹配网络的反射系数决定了唯一的工作功率增益，为获得理想的功率增益， 需要设计合理的输出匹配网络。 2 2 2 资用功率增益 放大器的资用功率增益g 。是指放大器输出端口的资用功率圪与信号源的资 用功率只之比值。它不是放大器的实际工作功率增益。其计算式为 q = 鲁= 器阻1 2 击 任4 z ， 推导等资用功率增益圆与推导工作功率增益圆的方法相同， 益圆的圆心e 和半径如下 e 2 褊 0 = i 二型墨! 圣! 区坐! ! 剑望e 1 1 + g 。( | s 1 2 一i a l 2 ) i 可得到等资用功率增 ( 2 - 4 3 ) ( 2 4 4 ) 其中c - = s l 一丛；2 可见，瓯除与放大器件的s 参量有关外，仅与l 有关。因此通过e 可以研究 信号源对功率增益的影响。 对于f h x 0 4 l g 在2 g h z 的等g 。圆画在史密斯圆图上如图2 1 2 所示。可见输 入匹配网络的反射系数决定了唯一的资用功率增益，为获得理想的功率增益，需 要设计合理的输入匹配网络。 2 2 3 转换功率增益 放大器的转换功率增益g ，是指放大器输出端口实际传送到负载的功率p 与信 号源的资用功率只之比值。它也是放大器输入端口共轭匹配时的g 。其计算式为 一 剑邶糕 生卜 卜 第二章低噪声放大器的基本理论 g ，= 鲁= 器b f 出 p 。s ， 可见，g ，除了与放大器件的s 参量有关外，与f 。和f ，都有关。因此可以通过 g ，来研究信号源和负载对功率增益的影响。 为得到最大增益，需要把f h x 0 4 l g 的输入和输出端口设计成共轭匹配，即使 夸r 。铺+ 黼 ( 2 - 4 6 ) 联立求解两式，得 其中 申f 矿鼢黼 r ，：r 。：兰呼 r ，= r 。= 8 2 - + 网_ 五三一 b 1 = 1 + 刚2 一刚2 一婶 b 2 = 1 + 嘲2 刚2 一婶 c i = s 。一峨 c 1 = s 、文 ( 2 - 4 7 ) ( 2 4 8 a ) ( 2 - 4 8 b ) 以上给出了双口共轭匹配要求的信号源和负载反射系数。只有在j r 。：i 1 和 l r 。 i 时才能实现。式中根号前的符号取决于马和b ：的符号。当且 1 时， 才符合放大器的稳定条件。因此共轭匹配的反射系数为 r ，：r 。：兰l 二牲( 2 - 4 9 a ) o l p k ：生蝼( 2 - 4 9 b ) 如果按r 。和r 。，的值设计输入和输出匹配网络，则可得到共轭匹配，即得到 最大功率增益，其中r ；= t = r 。，和f ，= r ：。= rm ，代入式( 2 4 5 ) 可得到 有源集成天线的分析与设计 g 。= 雨1 段，1 2 亡持 陋s g 。也可以表示为卜列形式 = 剐( k 一厨) 因为同时共轭匹配条件，有g ，= g ，= g ，可以得出g r ，。= g p ，。= 瓯，。a 最大稳定增益定义为，k = 1 时的g ，即 吒。= 斟 p s ， 当源反射系数和负载反射系数不满足共轭匹配要求时，放大器增益将下降。 对于潜在不稳的晶体管，g 是一个优值参数。所用晶体管f h x 0 4 l g 在2 g h z 时是不稳定的，将管子2 g h z 时的s 参数代入式( 2 5 1 ) ，计算得g l = 2 1 3 7 d b 。 图2 1 2 f h x 0 4 l g 的等功率增益圆( 户2 g h z ) 2 3 噪声特性 对于任意二端口网络，其噪声系数的计算公式为 f = f m i n + 高卜| 2 其中 。二端口网络的最小极限噪声系数。 ( 2 5 2 ) 第二章低噪声放大嚣的基本理论 r 。是二端口嗍络的等效噪声电阻。 y 。= g ，+ 弘、表示网络所接信号源的导纳。 k = g ，+ 妒。，表示获取最小( 或最佳) 噪声系数的源导纳。 晶体管f h x 0 4 l g 在f = 2 g h z 时的相关噪声参数为 由于 表lf h x 0 4 l g 的噪声参数 f h x 0 4 l g m a g n o 9 9 f 印r a n g l e ( d e g ) 2 9 0 。( 拈) 0 3 3 墨5 0 ( f ! ) 0 + 4 3 p 矗( y )2 1 d s ( 批4 ) 1 0 炉毒= 器，寺= 甓 任s s ， 儿2 芎2 焉w2 霄。瓦i 但。3 ) 其中虼= ( 1 5 0 ) f ) ，儿，y 。为归化导纳。 f = 坻裂呀：+ 锚警错陪s 4 ， 又 咄h 降 ：嵩 代入式f 2 5 4 ) ，可得 肚n “隅揣4 - p s s ， ( 1 _ 旺川1l 。l f m m ，r 。，统称为噪声参数，由晶体管生产厂家提供，或由实验决定。当l = 时，即可得到最小噪声系数。将式( 2 5 5 ) 整理得 错= 掣4 r p s 6 ， l 一叫2。k 一1 有源集成天线的分析3 笈计 ! ! 二墨趔型： 4 心y o 式中氏。f o p ，r 。，y o 都为定值，若要f 不变，则n 为常数，所以有 睦婪：常数 ( 2 - 5 7 ) 1 一阱 。 可以看出，当n 为常数( 即f 为常数) 时，l 的轨迹是一个圆，称之为等噪声系 数圆，其圆心和半径为 c f = 南( 2 - 5 8 ) 。= 南f 而( 2 - s 。， 图2 1 3 f h x 0 4 l g 的等噪声系数圆( 户2 g h z ) 由式( 2 5 8 ) 和( 2 5 9 ) 可以看出，等噪 声圆的圆心处在史密斯圆图原点 与k 的连线上，o 越小，噪声系 数也越小，当囊= 0 时，f = ， 此时有l = k 。f h x 0 4 l g 在 产2 g h z 时的等噪声系数圆族表示 在图2 1 3 。 2 4 平衡式低噪声放大器分析 2 4 1 稳定性 平衡式放大器可以采用3 d b l a n g e 耦合器或混合耦合器，3 d b 分支耦合器以及 3 d b w i l k i n s o n 耦合器。本文设计的平衡放大器采用3 d b 分支耦合器。如图2 1 4 所 示的电路框图a 放大器a 的s 参量标记为s 。，s ：。，是。s ：。，放大器b 的s 参量标 记为s 。s ：。，是。，整个放大器的s 参量与各个支路上的s 参量之间的关系为 第二章低噪声放大器的基本理论 s 1 1 ：_ e - j x ( s 1 。一s ) 是。= 兰芸( 最一 s j 2 = 丁e - j z l 2 ( s ：。+ s l ：。) 口一j f 岛2 = 二_ ( 是：。一是：6 ) ( 2 - 6 0 ) ( 2 - 6 1 ) ( 2 6 2 ) ( 2 6 3 ) 出 选取性能相同的两个低噪放，则s 。= & ，= 0 ，可知 1 - i s , ，f = 1 按2 。是。i ( 2 6 4 a ) 1 - i s 2 ：f = 1 慨2 。足。i ( 2 6 4 b ) 如= 出掣= 帮= 糍斟 陋s t c ， 式中= s l 。是：一s ：是。，如是平衡式低噪放的稳定系数。可见，只要两个 低噪放的特性相同，平衡式低噪放就可以满足绝对稳定条件，所以平衡式低嗓放 总是绝对稳定的。 2 4 2 功率增益 当两个低噪放的特性完全相同时，并且平衡式低噪放的信源和负载端口都是 匹配的，即源反射系数和负载反射系数均为零，则平衡式低嗓放的最大功率增益 为 g 。；j 是，i = 1 s 。l = 1 是，。f ( 2 6 5 ) 有源集成天线的分析与设计 这时、t 衡式低噪放的g 。等于单个低噪放在丽端接参考阻抗时的功率增益。【】j 以看 出，平衡式低噪放的功率增益与低噪放a 和b 的匹配网络无关。当同时改变低喋 放a 和b 的直流工作状态时，只要它们的相应s 参量同时发生等量变化，就町以 方便地在大范围内实现手动或自动增益控制，而不改变平衡式低噪放两个端口的 良好匹配性。 2 4 3 噪声性能 平衡式低噪放的噪声主要来源于两个微波晶体管和两个终端匹配负载。如果 两个管子的噪声系数分别为e 和e ，则平衡式低噪放的噪声系数为 f = ( e + 只) 2( 2 - 6 6 ) 可见，平衡式低噪放的噪声系数是两个微波晶体管的噪声系数的算术平均值， 若两个管子的噪声系数相同，由上式可得f = f o = 只，这时平衡式低噪放的噪声系 数等于同样工作状态下单端放大器的噪声系数。 2 4 43 d b 分支耦合器 3 d b 分支耦合器是一个四端口弼络，如图2 1 5 。端口l 的输入功率等分于端口 2 和端口3 ，并且端1 34 为零功率( 即端1 2 14 被隔离) 。将5 0 q 阻抗的信号源加载于 端1 3l ，而端口2 ，3 ，4 接5 0 q ，l 端口的入射波为q ，则2 端口出现口e j t r ”2 ， 而端口3 出现a l e l 4 4 2 。端1 5 1l 看成输入阻抗匹配( 即5 0 f 2 ) ，而端口2 和端1 2 13 之间有相移。从耦合器的对称性，还应有如下性质，激励端1 2 12 ，信号功率分配并 耦合到端口l 和4 ；激励端口3 ，信号功率分配并耦合到端口4 和1 ；激励端1 2 14 ， 信号功率分配并耦合到端口3 和2 。当其它端口置端于各自的匹配阻抗上时( 即 5 0 q ) ，驱动端口看成是阻抗匹配。 端口1 端口4 耦台器的s 参数矩阵是 图2 1 53 d b 分支耦合器 端口2 端口3 第二章低噪声放大器的基本理论 0 e j ”721 2 ej “l2 o p j ”72 2 0 0 e 叫4 2 一j ”2 0 0 e 一2 2 0 e 一”2 e 一”72 2 o ( 2 - 6 7 ) 当3 d b 耦合器用于平衡放大器中，端口4 置端于z o = 5 0 q 。那么，该耦合器 成为一个三端口的分配合成器，其s 参数为 0e 一，：压p 一压 嘲= p 川2 压 oo l( 2 。6 8 ) le 一压 oo j 该耦合器的s 参数表示：当作为分配器使用时，应以入射波在端口1 为d 、， 而在端口2 和端口3 为a ：= d ，= 0 ，则出射波在端口2 、3 分别为6 2 = q e ”2 和 玩= 1 e 1 5 2 。这种出射波具有相等的幅度和万2 的相移。因此释放到端口2 和 端口3 的功率是盹j 2 = 慨1 2 = 2 2 。也就是说，输出功率是输入功率的一半( 即 一个3 d b 的耦合) 。 当作为合成器应用时，入射波从端口2 、3 以相等的幅度而相位差r e 2 即 ( a 3 = a 2 e 川2 ) ，则端口1 的出射波为 岛= 警( a 2 + a 3 e - ) r 1 2 ) = 鲁，) ( 2 - 6 9 ) 因此，在端口12 = 5 0 f 2 置端释放的功率是| 6 1 1 2 = 2 i 以：卜即端1 ：32 ( 或者端口3 ) 入射功率的两倍。端口l 被激励，端口4 接5 0 q 电阻，而端口2 和端口3 分别连 接输入反射系数为墨。和s 。的放大器时，端口2 和端口3 分别产生反射电压 d 】e ”“1 4 2 s , 】。和口1 e 4 2 s , 这些信号还会传输回端口l 。所以，端口1 的反射 信号为 岛= 鲁e 一”s l a + 鲁s ，。= 了a lc - i x ( s 。一s 1 ，。) ( 2 - 7 0 ) 而且端口1 的s 参数为 s l 】= 二_ ( s 1 。一墨1 6 )( 2 - 7 1 ) 2 4 5 平衡式低噪声放大器的优缺点 1 输入，输出端口( 要求两个支路放大器具有相同的特性) 的阻抗匹配都非常好。 2 可以按独立放大器进行设计，以获得平坦的增益，噪声系数等( 即使单个放大器 的v s w r 比较高) ，而平衡放大器的输入和输出v s w r 取决于耦合器。 有源集成天线的分析与设计 3 具有较高的稳定度。 4 输出功率是单一放大器的两倍。 5 如果其中一个放大器失效，平衡放大器单元将以降低增益仍然工作( 即功率增益 下降6 d b ) 。 6 平衡放大器单元容易实现级连，因为每个单元由耦合器相互隔离。 7 平衡放大器的主要缺点是电路尺寸增加和由于耦合器带宽造成的频率响应劣 化。 第三章微带天线的基本理论 第三章微带天线的基本理论 在过去的几十年中，出现了大量不同结构的有源集成天线。有源集成天线实 际上是一种将有源器件集成于辐射器上，以提供多种功能的天线。为了便于集成， 微带天线被广泛应用于有源集成天线。微带天线有多种形式，包括微带贴片天线、 印刷振子、微带缝隙天线等。本章主要论述了集成低噪放的有源微带贴片天线，