一种2.45 GHz 谐波抑制有源集成天线设计

四川大学 电子信息学院，四川 成都 610064

近年来，有源天线已经成为了人们越来越感兴趣的领域。在5G 通信系统发展的驱动下，天线有源化、小型化和一体化趋势越加明显[1−3]。有源集成天线(active integrated antenna，AIA)是一种能与有源非线性射频器件(如功率放大器、低噪声放大器或振荡器等)集成在一起的天线[2]。天线同时作为辐射器和放大器的匹配负载，在保证系统性能的前提下，大幅度减小了系统尺寸[3−4]。天线加入有源网络可有效地拓展阻抗带宽，改善稳定性[5−7]，有源电路部分提供了功率增益，从而提高了天线的等效增益[8−9]；文献[10−14]中的天线采用谐波抑制结构设计，不仅提高了系统的电磁兼容性，还提高了功放的功率附加效率(power added efficiency,PAE)，减小了系统总功耗。这些设计对谐波有较好的抑制效果，但结构相对复杂、不易加工。

本文提出一种简洁的谐波抑制天线结构，有源天线整体结构紧凑，并且实现了良好的谐波抑制效果。功率放大电路基于小信号S 参数进行了匹配网络设计。实验测量了该有源天线输入端口驻波比和辐射方向图，验证了其优良的特性。

1 功率放大器设计

功率放大器是无线发射系统中的关键部分，它的功率输出能力和稳定性会影响到整个系统的传输性能。因此，有必要先对功放电路进行单独设计验证。本设计选用富士通公司的一款功率管，型号为FLL101ME。它是工作在L-S 波段的宽带AB 类GaAs 场效应管，最大输出功率典型值为29.5 dBm，效率为47%，适用于基站应用，符合设计要求。

在设计功放时为了得到最大功率输出，通常让功率管工作在饱和状态。理想情况下，应该利用功率管的大信号非线性模型设计电路。然而该器件厂商并没有提供大信号模型。因此需要根据功率管小信号S 参数进行功放电路匹配网络设计。

1.1 功率管参数提取

首先需要确定功率管的输出阻抗。为了准确计算出最佳输出阻抗ZL，应该尽可能将管子的所有参数都计入,包括最佳输出阻抗实部RL、与负载并联的电容Cds和封装产生的寄生参数Rdq、Ldq。参照该功率管数据手册提供的I-V特性曲线，根据式(1)，可以确定管子的最佳输出阻抗实部RL为45.5 Ω。

式中：Vd为漏极工作电压；Vs为I-V特性曲线的拐点电压；Idss为栅源电压等于零时的漏极电流。将数据手册提供的S 参数数据与MESFET 小信号等效电路模型进行拟合。经过仿真优化提取到寄生元件值Cds=1.1 pF，Rdq=0.5 Ω，Ldq=0.8 nH，最终确定该功率管最佳负载阻抗ZL约为(29+j9.7) Ω。

1.2 匹配网络及稳定性设计

功放的输入匹配电路影响增益，输出匹配电路影响输出功率和效率。因此，设计输出匹配电路要依据最大功率传输匹配的原则。先根据管子的最佳负载阻抗ZL设计输出匹配电路，之后再设计输入匹配电路。此时，输出电路已经满足最大功率输出匹配，后期在进行整体电路优化时，输出匹配电路的各项参数不再改变。

设计直流偏置电路时，应尽量减小其对主电路微波特性的影响,避免微波沿着偏置电路泄漏以及外界干扰进入主路。本设计采用四分之一波长短路微带线来实现。微带线终端通过去耦电容接地，有效地扼制了射频信号泄漏到直流供电端口。

在设计功率放大器时，稳定性系数K也是一个很重要的指标。当K＜1 时，功放电路不稳定，可能会导致自激，严重情况会烧坏功率管。稳定性设计有很多种形式，本设计采用输入匹配电路并联一条终端接10 Ω 电阻的λ/4 分支线来实现。加入稳定性电路后的仿真结果如图1、2 所示，中心频率2.45 GHz 电路增益为14.6 dB，|S11|＜−51 dB。功放在整个S 波段内稳定性系数K＞1，电路绝对稳定。

图1 优化后的S 参数

图2 优化后的稳定系数K

1.3 加工实测

功放加工实物如图3 所示。测试时首先调整直流偏置,使功放工作在AB 类，此时管子的静态工作点漏级电压Vds=10 V，漏级电流Ids=0.12 A。

图3 功放加工实物

图4 为功放实测结果。最大输出功率30.1 dBm，增益10.2 dB，功率附加效率(PAE) 57.4%。实测结果验证了提取功率管参数的准确性，功放整体性能实现良好，为后面有源集成天线的匹配网络设计提供了数据参考。

图4 功放测试结果

2 谐波抑制天线设计

在有源天线设计中，有源非线性器件的引入会产生高次谐波辐射，从而影响系统性能。传统解决方法是在天线与有源器件之间增加抑制谐波的滤波器。但这种结构会增加天线尺寸，并引入不必要的损耗[15]。

谐波抑制天线是将天线与滤波器合二为一，天线同时作为辐射器和谐波抑制滤波器，有效降低了系统设计的复杂度和损耗[16]。首先设计了一个中心频率2.45 GHz 的正方形贴片天线。板材选用FR4，介电常数4.6，厚度1 mm。端口激励阻抗设置为29 Ω 而不是传统的50 Ω，接近功放的输出最佳负载阻抗ZL，便于集成时进一步调匹配。最终得到辐射贴片尺寸为28.8 mm×28.8 mm。

通过仿真4.9 GHz 频率处贴片表面电流分布，发现对角线是二次谐波电流流动的重要路径。这表明对贴片对角线处电流进行适当的干扰，可达到抑制二次谐波的目的。在贴片对角线上创建4 个狭缝，从而切断二次谐波电流流向。通过对狭缝尺寸进行优化，可达到最佳谐波抑制效果，而天线的基波电流分布几乎不受影响。谐波抑制天线在4.9 GHz 频率下的表面电流分布如图5 所示。

图5 二次谐波电流分布

谐波抑制天线输入阻抗随频率变化曲线如图6 所示。天线基波阻抗接近功放输出最佳负载阻抗。在4.9 GHz 频率附近的宽频带内，阻抗实部接近于零，为放大器提供近似等于纯虚部的负载阻抗，从而有效地抑制了二次谐波辐射[17]。

图6 天线输入阻抗随频率变化曲线

3 有源集成天线(active integrated antenna,AIA)设计

3.1 仿真设计与对比

将谐波抑制天线的S 参数导入仿真软件，与功放输出端连接，进行整体匹配网络调节。图7为有源集成天线的仿真原理图。

谐波抑制天线与有源集成天线的S 参数仿真结果对比如图8 所示。对比无源天线，加入有源网络可进一步改善阻抗匹配[18−20]。有源天线2.45 GHz频率处|S11|＜−47 dB，4.9 GHz 频率处|S11|＞−1.2 dB，并且在4.68～5.25 GHz 范围内|S11|均高于−1.5 dB，二次谐波得到了较好的抑制效果。

3.2 加工实测

有源集成发射天线加工实物如图9 所示。整个板子尺寸约100 mm×60 mm。图10 是天线|S11|实测结果。实测天线基波谐振频率为2.45 GHz，与仿真结果吻合。4.9 GHz 频率处|S11|＞−8.1 dB，二次谐波得到了抑制。图11 为有源集成天线的辐射方向图。根据贴片天线增益和放大器的功率增益得到该有源天线增益为12.7 dB。

图7 有源集成发射天线原理

图8 S 参数仿真结果对比

图9 AIA 加工实物

图10 实测S 参数

图11 实测辐射方向图

4 结论

实现了一种工作在S 波段的有源集成发射天线。

1)功放输出直接匹配天线，省去了传统50 Ω连接线，无源天线同时作为辐射器和功放的输出调谐网络，整体有源集成天线结构紧凑。

2)有源部分提供了功率增益，从而提高了有源天线的等效增益，并有效改善了系统稳定性。

3)天线的谐波抑制结构，提高了功放的PAE，提高系统的电磁兼容性。

将有源天线的辐射单元设计成圆极化结构，输出匹配网络加入三次谐波抑制结构，可进一步提高系统性能。这种有源集成发射天线在无线局域网(wireless local area network,WLAN)上有很好的应用前景。