一种小型化高隔离度天线控制组件*

王郑力 田 雨 刘思杨

（1.四川省成都市金牛区营康西路85号 成都 610036）（2.电子科技大学自动化工程学院 成都 611731）

1 引言

随着MIMO系统朝着小型化、集成化发展，大幅压缩天线单元间的距离，会导致低隔离度[1]，包括多信道、多天线在内的多种技术受制于天线组件的隔离度[2]。文献[3]设计的天线前端滤波功分组件，将滤波器与功分网络相关联，适用于星载平台。文献[4]设计了一种高隔离度超宽带MIMO天线，隔离度小于-22dB。文献[5]研究了一种通过调整部件尺寸或相对位置的方式，以实现对天线隔离度提升。文献[6]提出了一种通过在适当位置增加虚元的方法，实现对连续波雷达天线隔离度的提升。文献[7]通过设计应用一种缝隙弯折线谐振器，提升了MIMO天线的隔离度。文献[8]通过一种电磁带隙结构的解耦方式，使天线间隔离度提高了21dB。文献[9]设计了一种应用于机载电子干扰设备的宽频段、大方位覆盖角的收/发天线组件，实现了较高的收/发隔离度。文献[10]设计了一种超宽带MIMO天线，形成了三个高阻带且隔离度高。文献[11]设计了一款L波段隔离滤波组件，有效抑制了谐波杂散。文献[12]分析了隔离度公式中各个变量在实际应用场景中的影响。文献[13]对常见提高天线隔离度的技术进行了分析。

天线控制组件是天线系统的重要组成部分，系统产品集成化后，对天线控制组件的体积和隔离度提出了很高的要求，特别是大功率产品应用背景下，传统天线控制组件已经难以同时满足大功率、小型化和高隔离度要求。本文设计了一种天线控制组件，解决了大功率条件下的高隔离度、小型化技术难题。

2 设计方案

2.1 总体设计

天线控制组件包括两路天线收发通道、自检单元以及电源和控制单元；每路天线收发通道由发射链路和接收链路组成，两路天线收发通道中的发射链路共用一个大功率开关；电源和控制单元与自检单元以及两路天线收发通道连接，自检单元的输出端与两路天线收发通道连接。

图1 天线控制组件组成框图

2.2 主要原理及设计要点

1）发射通道：将“功放组件”输出信号进行功率检测，后经天线选择大功率开关、环形器和带通滤波器将信号送到天线；发射通道特点：高功率，峰值≥600W。

2）接收通道：将天线接收到的有用信号经滤波、环形器、限幅器、低噪声放大器和滤波器送到“信道组件”；接收通道特点：动态范围宽（-15dBm～-95dBm），噪声要求低至：-4.0dB。

3）延时测量整形通道：将激励输入的信号耦合衰减送到“整形电路”；该通道特点：TTL电平，上升沿 ≤ 5ns，持续时间：10us±1us。

2.3 主要功能单元分析及设计

2.3.1 发射单元

发射单元分为检波、天线切换开关以及频段滤波部分。发射单元在通讯系统中，需要完成对大功率发射信号的传输和切换，发射链路包含了：环形器、大功率开关、耦合器等；还需要对微弱信号接收处理，接收链路包含了环形器、耦合器、限幅器、放大器等。由于产品同时集成了接收和发射功能，内部信号复杂多样。在设计过程中，需要充分考虑各个通道之间的合理布局，将各个通道之间的串扰尽可能减小。

2.3.2 接收单元

接收单元分为滤波、限幅、放大部分。采用限幅+低噪声放大器+滤波结构。

接收部分采用限幅接收，将接收信号控制在13dBm以内，使后面的低噪声放大器安全工作，接收灵敏度高，选择性好。低噪声放大器输出端是滤波器，滤除杂波和谐波分量。它的噪声系数、动态范围、互调失真、-1dB压缩点和三阶截获点等，都直接影响接收机的性能。

由图2可以看出，理论链路计算噪声可以设计在小于3dB，如果考虑高低温的影响，噪声会有一些恶化，结合以往的工程经验，该组件噪声做到小于4.0dB是合理的。

图2 天线控制组件接收通道链路

3 仿真及实测性能

通过对限幅器进行耐功率分析，选取合适的限幅二极管，利用二极管的结电容及导通电阻，对接收电路（限幅器）进行插入损耗和回波损耗仿真，结果如图3、图4所示，插入损耗小于0.2dB，回波损耗小于-20dB。

图3 接收电路（限幅器）插损仿真结果

图4 接收电路（限幅器）回波损耗仿真结果

对6只限幅器产品进行实测，结果如表1所示，驻波小于1.5，插损小于0.8dB，与仿真的差异主要原因是电路加工和限幅二极管的参数有所偏差。

表1 限幅器实测性能

通过对开关进行耐功率分析，选取合适的pin二极管，利用二极管的结电容及导通电阻，对开关进行插入损耗、隔离度和回波损耗的仿真，仿真结果如图5～图7所示，回波损耗小于-20dB，隔离度大于40dB，插入损耗小于0.3dB。

图5 大功率开关回波损耗仿真结果

图6 大功率开关隔离度仿真结果

图7 大功率开关插入损耗仿真结果

对2只开关进行实测，结果如表2所示，驻波小于1.2，插损小于0.6dB，单通道工作时隔离度大于42dB，双通道工作时隔离度大于29dB，与仿真的差异主要原因是电路加工和限幅二极管的参数有所偏差。

表2 开关实测性能

4 结语

设计了一种天线控制组件，克服了现有组件的技术缺点，解决了线之间大功率、高隔离和体积之间的矛盾。仿真及产品实测结果表明，与传统天线控制组件相比，满足大功率要求的同时，体积缩小了一半，实现了小型化，且隔离度提高了三倍。