CN112490659B - 小型化低相噪自振荡有源天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型化低相噪自振荡有源天线，包括置于介质基板顶层的晶体管、直流电压源、偏置微带电路、电容、矩形微带天线、串‑并微带枝节匹配网络、传输线和置于介质基板底层的环形裂缝谐振器、金属地、接地板；顶层电路形成闭合回路，底层环形裂缝谐振器与顶层矩形微带天线中心相对。本发明结构简单、体积小，相位噪声低，便于设计和调试。

Description

小型化低相噪自振荡有源天线

技术领域

本发明属于有源天线技术领域，具体涉及一种加载环形裂缝谐振器结构的小型化低相噪自振荡有源天线。

背景技术

有源天线是有源电路与无源天线的集成，这种类型的集成可以实现更小的系统尺寸、更宽的工作频带、更高的增益和改进的噪声性能。自振荡有源天线用于激励射频信号，是常用的有源天线类型。在自振荡有源天线中，天线除了作为辐射元件，还起着谐振器的作用，振荡频率主要由天线的谐振频率决定，辐射元件可以是平面型天线、偶极子天线或缝隙天线等，并具备所需的辐射特性，如波束宽度、极化特性等。相位噪声从频域的角度表示信号的短期稳定度，相噪性能差会导致有用信号被其它信号干扰而难以被接收机获取。随着电磁环境的恶化，频率的稳定性在系统中起着越来越重要的作用，因此关注相噪性能十分必要。

在已实现的相位噪声抑制技术中，反馈环法以相对简单的结构提供了良好的相噪性能。2014年，SunHwaJeong等人通过增加开环振荡电路的群延时以提高有载品质因数减小了相位噪声。该设计使用高品质因数的缝隙贴片谐振器作为频率稳定器件，但在该设计中天线和谐振器处于同一平面，尺寸较大，且耦合结构多、难以调整环路相位，不便于设计调试。2018年，Mina Amiri等人研究了基于交叉耦合结构的自振荡有源天线，该设计中使用两个有源器件、两个贴片天线以改善环路增益和频率选择性，该设计虽然结构简单，但若想使用这种增加器件的方式进一步改善性能，必然会引起系统面积的增大，无法适应紧凑结构需求的RFID系统。除了反馈环法外，锁相环法和注入锁定法也可以实现相噪性能的改善，但是设计和制造的复杂性大大增加。总之，现有技术难以实现小型化、低相噪、结构简单易调整的自振荡有源天线设计，无法满足其在RFID系统、雷达系统、通信系统等领域的需求。

发明内容

本发明旨在提供一种小型化低相噪自振荡有源天线，解决现有技术在设计有源天线时相噪性能差、结构复杂的问题，并进一步减小系统尺寸。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种小型化低相噪自振荡有源天线，包括置于介质基板顶层的晶体管、直流电压源、偏置微带电路、电容、矩形微带天线、串-并微带枝节匹配网络、传输线和置于介质基板底层的环形裂缝谐振器、金属地、接地盘；

所述直流电压源与偏置微带电路的输入端相连，晶体管的基极和集电极分别与偏置微带电路的2个输出端连接，偏置微带电路的另外2个输出端分别与2个电容的一端连接，2个电容的另一端分别连接到串-并微带枝节匹配网络，矩形微带天线一端通过传输线连接到与集电极连接的串-并微带枝节匹配网络，另一端与连接到基极的串-并微带枝节匹配网络的耦合线相对，底层环形裂缝谐振器与顶层矩形微带天线中心相对。

优选地，所述偏置微带电路包括2个电阻、2条第一传输线、2个扇形微带线、2个四分之一波长高阻线、2条第二传输线；

2个电阻的一端均连接至直流电压源，另一端分别连接至2条第一传输线的一端，2条第一传输线的另一端均分别连接有1个扇形微带线，2个扇形微带线位于2条第一传输线的外侧，2个扇形微带线均分别与1个四分之一波长高阻线的一端连接，2个四分之一波长高阻线的另一端分别与一条第二传输线的一端相连，晶体管的基极连接到其中一条第二传输线的一端，集电极极连接到另一条第二传输线的一端；

所述接地盘上有6个过孔打通介质基板接入底层的金属地，晶体管的发射极连接到接地盘。

优选地，第一传输线长a2＝5.44mm，宽b2＝3.84mm；扇形微带线角度phi＝66°，长a3＝12.77mm；四分之一波长高阻线长a4＝13.7mm，宽b4＝0.88mm；第二传输线长a5＝10.98mm，b5＝3.84mm。

优选地，所述串-并微带枝节匹配网络包括集电极串联枝节、集电极并联开路枝节、基极串联枝节、基极并联开路枝节；

所述集电极串联枝节、基极串联枝节均横向，所述集电极串联枝节、基极串联枝节分别通过一个电容与偏置微带电路的两个输出端连接，所述集电极并联开路枝节、基极并联开路枝节均纵向，且一端与对应串联枝节相连，另一端开路悬空。

优选地，所述矩形微带天线包括矩形贴片、馈电线；

矩形贴片中心开有一个纵向的矩形槽缝隙，一侧开有横向的矩形槽缝隙，馈电线通过横向开槽缝隙插入矩形贴片的内部，并距贴片中心的上下边缘有设定距离；矩形贴片的另一侧与耦合线间隔设定距离相对，通过耦合作用将信号反馈至电路输入端。

优选地，所述矩形贴片长a12＝23mm，宽b12＝23mm，中心开槽长a13＝13.02mm，宽b13＝4.34mm；馈电线长a14＝27.125mm，宽b14＝3.2mm，与矩形贴片上下边缘距离s3＝1.085mm。

优选地，所述耦合线长a15＝13mm，宽b15＝3.84mm，与矩形贴片距离s4＝0.5mm。

优选地，所述环形裂缝谐振器为2个开口方向相反的C字嵌套在一起。

优选地，开口向右的C字环形缝隙外径d1＝21.7mm，内径d2＝13.02mm，开口间距s5＝1mm；开口向左的C字形环形缝隙外径d3＝10.85mm，内径d4＝2.17mm，开口间距s6＝1mm；2个C字环形缝隙间距s7＝1.085mm。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、环形裂缝谐振器的引入一方面可以降低天线的谐振频率，减小天线尺寸，另一方面由于谐振器与天线位于介质基板的不同面上，进一步使得电路更加紧凑，实现了小型化的设计。

2、接地层加载了环形裂缝谐振器，提高了电路的有载品质因数，相位噪声性能优越，在100KHZ频率偏移处达-120dBc/Hz。

3、整体电路使用串-并微带线连接，方便调整环路相位和幅度以满足振荡条件。使用OSP工艺加工，M2螺丝固定，安装调试简单。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明小型化低相噪自振荡有源天线的顶层示意图。

图2是本发明小型化低相噪自振荡有源天线的底层示意图。

图3是图1中偏置微带电路和串-并微带枝节匹配网络的尺寸示意图。

图4是图1中矩形微带天线尺寸示意图。

图5是图2中环形裂缝谐振器尺寸示意图。

图6是加载谐振器的矩形微带天线S₁₁仿真图。

图7是本发明小型化低相噪自振荡有源天线的谐波频率仿真。

图8是本发明小型化低相噪自振荡有源天线的谐波功率仿真。

图9是本发明小型化低相噪自振荡有源天线的相位噪声仿真。

具体实施方式

如图1～2所示，一种小型化低相噪自振荡有源天线，包括设置在介质基板1的顶层的晶体管2、直流电压源3、偏置微带电路4、2个电容5、矩形微带天线6、串-并微带枝节匹配网络8、传输线9、接地盘11；在介质基板1的底层的环形裂缝谐振器7、金属地10。所述直流电压源3与偏置微带电路4的输入端相连，晶体管2的基极和集电极分别与偏置微带电路4的2个输出端连接，偏置微带电路4的另外2个输出端分别与2个电容5的一端连接，2个电容5的另一端分别连接到串-并微带枝节匹配网络8，矩形微带天线6一端通过传输线9连接到与集电极连接的串-并微带枝节匹配网络8，另一端与连接到基极的串-并微带枝节匹配网络8的耦合线63相对，底层环形裂缝谐振器7与顶层矩形微带天线6中心相对。

如图1所示，进一步的实施例中，所述偏置微带电路4包括2个电阻41、2条第一传输线42、2个扇形微带线43、2个四分之一波长高阻线44、2条第二传输线45；

2个电阻41一端连接至直流电压源3，另一端分别连接至2条第一传输线42的一端，2条第一传输线42的另一端均分别连接有1个扇形微带线43，2个扇形微带线位于2条第一传输线42的外侧，2个扇形微带线43均分别与1个四分之一波长高阻线44的一端连接，2个四分之一波长高阻线44的另一端分别与1条第二传输线45的一端相连，晶体管2的基极连接到其中一条第二传输线45的一端，集电极极连接到另一条第二传输线45的一端；

所述接地盘11上有6个过孔111打通介质基板1接入底层的金属地10，晶体管2的发射极连接到接地盘11。

直流电压源3经偏置微带电路4分别连接到晶体管2的基极和集电极供电，使得晶体管2处于合适的静态工作点，晶体管2的发射极连接到接地盘11实现接地。

如图1所示，进一步的实施例中，所述串-并微带枝节匹配网络8包括集电极串联枝节81、集电极并联开路枝节82、基极串联枝节83、84、基极并联开路枝节85；其中一条第二传输线43的另一端通过1个电容5连接到基极串联枝节83、84。另一条第二传输线43的另一端通过另1个电容5连接到集电极串联枝节81；所述集电极串联枝节81、基极串联枝节83、84均横向放置，所述集电极并联开路枝节82、基极并联开路枝节85均纵向放置，且一端与对应串联枝节相连，另一端开路悬空。

如图1所示，进一步的实施例中，矩形微带天线6包括矩形贴片61、馈电线62。晶体管2集电极输出端经串-并微带枝节匹配网络8和主传输线9连接至馈电线62，矩形微带天线6的另一端通过耦合线63耦合至晶体管基极输入端的串-并微带枝节匹配网络8；

如图2所示，正对矩形微带天线6的下方，在介质基板1的底层放置环形裂缝谐振器7，其余部分放置金属地10。

优选地，所述介质基板1为FR4，其介电常数为4.4。

本发明的工作原理为：直流电压源3和偏置微带电路4使得晶体管2处在所需的静态工作点，实现基极输入信号到集电极输出信号的放大。串-并微带枝节匹配网络8将晶体管2的基极和集电极匹配至50ohm，调节传输线9的尺寸将其特性阻抗设计为50ohm，矩形微带天线6输入端阻抗也优化至50ohm，如此实现了电路各部分的阻抗匹配，减少信号反射。晶体管2集电极输出信号对矩形微带天线6进行馈电，矩形微带天线6由于底部加载了环形裂缝谐振器7具有更好的频率选择性，可以实现特定频率的信号传输，进而降低了相位噪声。耦合线63将通过矩形微带天线6的信号部分耦合至晶体管2的基极实现正反馈。进一步优化调节各微带线的尺寸来实现整体回路幅度等于1、相位为360°的整数倍以满足振荡条件。

图3是低相噪自振荡有源天线顶层中偏置微带电路和串-并微带枝节匹配网络的尺寸示意图，图4是低相噪自振荡有源天线顶层中矩形微带天线尺寸示意图，图5是低相噪自振荡有源天线底层环形裂缝谐振器的尺寸示意图。

作为实施例，在本发明中使用一款低噪声双极型晶体管设计了工作在2.4GHz下的小型化低相噪自振荡有源天线。

如图3所示，为了使直流源能够接入晶体管供电、而射频信号不会进入直流源，造成没有信号输出，在偏置电路中使用扇形微带线43和四分之一波长高阻线44抑制高频信号。连接到晶体管2集电极和基极的偏置电阻阻值分别为130ohm、56Kohm。偏置微带电路4中集电极和基极连接的微带结构完全相同，用于焊接电阻的焊盘长a1＝2mm，宽b1＝0.8mm；第一传输线42长a2＝5.44mm，宽b2＝3.84mm；扇形微带线43角度phi＝66°，长a3＝12.77mm，宽b3＝0.88mm；四分之一波长高阻线44长a4＝13.7mm，宽b4＝0.88mm；第二传输线45长a5＝10.98mm，b5＝3.84mm；用于放置电阻41的间隙s1＝0.635mm。

晶体管的发射极接入接地盘11，接地盘11长a6＝5.1mm，宽b6＝2.9mm；6个过孔111半径r1＝2mm，圆心间距s2＝1.3mm。

偏置微带电路4中2条第二传输线45另一端分别和串-并微带枝节匹配网络8中串联枝节81、83通过隔直电容5连接，容值为1pF，微带线间距s3＝0.635mm。集电极串联枝节81长a7＝31.64mm，宽b7＝3.84mm，并联开路枝节82长a8＝19.4mm，宽b8＝2.24mm；基极串联枝节83长a9＝34mm，宽b9＝3.3mm，串联枝节84长a10＝5mm，宽b10＝3.84mm，并联开路枝节85长a11＝10.5mm，宽b11＝2.24mm。

矩形微带天线6采用50ohm的标准激励，中心开槽可以改善匹配情况。利用HFSS软件仿真优化尺寸，实现天线端口和电路中50ohm传输线的阻抗匹配，如图4所示天线各部分尺寸为：矩形贴片61长a12＝23mm，宽b12＝23mm，中心开槽长a13＝13.02mm，宽b13＝4.34mm；馈电线62长a14＝27.125mm，宽b14＝3.2mm，与贴片上下边缘距离s3＝1.085mm；耦合线63长a15＝13mm，宽b15＝3.84mm，与矩形贴片61距离s4＝0.5mm。

金属地上的环形裂缝谐振器7正对矩形微带天线的中心下方，如图5所示，谐振器形如2个开口方向相反的C字。开口向右的C字环形缝隙外径d1＝21.7mm，内径d2＝13.02mm，开口间距s5＝1mm；开口向左的C字形环形缝隙外径d3＝10.85mm，内径d4＝2.17mm，开口间距s6＝1mm；2个C字环形缝隙间距s7＝1.085mm。

整体电路面积为

图6是利用HFSS仿真软件，谐振频率在2.38GHz处，本发明实施例中加载环形裂缝谐振器的矩形微带天线的反射系数S₁₁。由图可知，此时天线在2.34GHz～2.42GHz范围内的S11均小于-10dB，符合一般的应用需求。

图7～9是利用ADS仿真软件，将HFSS中仿真结果导入与有源电路联合仿真的结果。图7是本发明实施例中小型化低相噪自振荡有源天线的谐波频率仿真结果，可知本发明实例成功起振，且振荡频率为2.41GHz，符合设计目标。图8是本发明实施例中小型化低相噪自振荡有源天线的谐波功率仿真结果，振荡频率处功率为11.50dBm，二次谐波功率为-22.60dBm，二次谐波抑制度达-34dB，抑制度优良。图9是本发明实施例中小型化低相噪自振荡有源天线的相位噪声仿真结果，可知本发明实例在频率偏移100KHz处相噪为-122.37dBc/Hz，在频率偏移1MHz处相噪为-141.65dBc/Hz，相噪性能十分优越。

Claims (8)

1.一种小型化低相噪自振荡有源天线，其特征在于，包括置于介质基板(1)顶层的晶体管(2)、直流电压源(3)、偏置微带电路(4)、电容(5)、矩形微带天线(6)、串-并微带枝节匹配网络(8)、传输线(9)、接地盘(11)和置于介质基板(1)底层的环形裂缝谐振器(7)、金属地(10)；

所述直流电压源(3)与偏置微带电路(4)的输入端相连，晶体管(2)的基极和集电极分别与偏置微带电路(4)的2个输出端连接，偏置微带电路(4)的另外2个输出端分别与2个电容(5)的一端连接，2个电容(5)的另一端分别连接到串-并微带枝节匹配网络(8)，矩形微带天线(6)一端通过传输线(9)连接到与集电极连接的串-并微带枝节匹配网络(8)，另一端与连接到基极的串-并微带枝节匹配网络(8)的耦合线(63)相对，底层环形裂缝谐振器(7)与顶层矩形微带天线(6)中心相对；

所述接地盘(11)上有6个过孔(111)打通介质基板(1)接入底层的金属地(10)，晶体管(2)的发射极连接到接地盘(11)；

所述串-并微带枝节匹配网络(8)包括集电极串联枝节(81)、集电极并联开路枝节(82)、基极串联枝节(83、84)、基极并联开路枝节(85)；

所述集电极串联枝节(81)、基极串联枝节(83、84)均横向，所述集电极串联枝节(81)、基极串联枝节(83、84)分别通过一个电容(5)与偏置微带电路(4)的两个输出端连接，所述集电极并联开路枝节(82)、基极并联开路枝节(85)均纵向，且一端与对应串联枝节相连，另一端开路悬空。

2.根据权利要求1所述的小型化低相噪自振荡有源天线，其特征在于，所述偏置微带电路(4)包括2个电阻(41)、2条第一传输线(42)、2个扇形微带线(43)、2个四分之一波长高阻线(44)、2条第二传输线(45)；

2个电阻(41)的一端均连接至直流电压源(3)，另一端分别连接至2条第一传输线(42)的一端，2条第一传输线(42)的另一端均分别连接有1个扇形微带线(43)，2个扇形微带线(43)位于2条第一传输线(42)的外侧，2个扇形微带线(43)均分别与1个四分之一波长高阻线(44)的一端连接，2个四分之一波长高阻线(44)的另一端分别与一条第二传输线(45)的一端相连，晶体管(2)的基极连接到其中一条第二传输线(45)的一端，集电极连接到另一条第二传输线(45)的一端。

3.根据权利要求2所述的小型化低相噪自振荡有源天线，其特征在于，第一传输线(42)长a2＝5.44mm，宽b2＝3.84mm；扇形微带线(43)角度phi＝66°，长a3＝12.77mm；四分之一波长高阻线(44)长a4＝13.7mm，宽b4＝0.88mm；第二传输线(45)长a5＝10.98mm，宽b5＝3.84mm。

4.根据权利要求1所述的小型化低相噪自振荡有源天线，其特征在于，所述矩形微带天线(6)包括矩形贴片(61)、馈电线(62)；

矩形贴片(61)中心开有一个纵向的矩形槽缝隙，一侧开有横向的矩形槽缝隙，馈电线(62)通过横向开槽缝隙插入矩形贴片(61)的内部；矩形贴片(61)的另一侧与耦合线(63)间隔设定距离相对，通过耦合作用将信号反馈至电路输入端。

5.根据权利要求4所述的小型化低相噪自振荡有源天线，其特征在于，所述矩形贴片(61)长a12＝23mm，宽b12＝23mm，中心开槽长a13＝13.02mm，宽b13＝4.34mm；馈电线(62)长a14＝27.125mm，宽b14＝3.2mm，与矩形贴片(61)一侧开设的横向矩形槽缝隙的上下边缘距离s3＝1.085mm。

6.根据权利要求4所述的小型化低相噪自振荡有源天线，其特征在于，所述耦合线(63)长a15＝13mm，宽b15＝3.84mm，与矩形贴片(61)距离s4＝0.5mm。

7.根据权利要求1所述的小型化低相噪自振荡有源天线，其特征在于，所述环形裂缝谐振器(7)为2个开口方向相反的C字嵌套在一起。

8.根据权利要求7所述的小型化低相噪自振荡有源天线，其特征在于，开口向右的C字环形缝隙外径d1＝21.7mm，内径d2＝13.02mm，开口间距s5＝1mm；开口向左的C字形环形缝隙外径d3＝10.85mm，内径d4＝2.17mm，开口间距s6＝1mm；2个C字环形缝隙间距s7＝1.085mm。

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