CN112640212B - 有源宽带天线 - Google Patents

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Abstract

一种宽带有源天线系统包括具有N个输出和标称带宽的天线，N个输出中的每一个直接耦合到相关联的缓冲放大器，其中，N个输出与各个相关联的缓冲放大器的第一有源级之间的距离优选地被维持为尽可能合理地短，并且优选地不大于宽带有源天线系统的宽带的任何发送和/或接收频率的1/4个波长，和/或优选地不大于在低于天线的标称带宽中的最低频率的扩展频带中的任何发送和/或接收频率的0.1个波长。

Description

有源宽带天线
【相关申请的交叉引用】
本申请要求2018年9月21日提交且标题为“Active Wideband Antenna”的美国临时专利申请号62/734,885的权益，此处据此以引证的方式将该申请的公开并入。
本申请还涉及在2018年9月21日提交且标题为“Active Vivaldi Antenna”的美国临时专利申请序列号62/734,881及其与本申请在同一天提交且标题也为“Active VivaldiAntenna”(代理人案号631582-7)的相关PCT国际申请序列号____，此处据此以引证的方式将该申请的公开并入。
【技术领域】
有源宽带天线
【背景技术】
无源、背腔、正弦和对数周期天线通常具有～10:1的带宽，并且需要较大的尺寸来达到较低的频率。这些天线并入有平衡-不平衡变换器(baluns) 和阻抗匹配网络以达到50欧姆的终端阻抗，用于连接到同轴电缆。目前市场上现有的产品是由例如加利福尼亚门洛帕克的L3 Randtron公司销售的。阻抗匹配带宽可以通过增加损耗而扩展到较低频率，这迅速劣化灵敏度。
反馈LNA在本领域中是已知的，但是通常匹配到50欧姆，并且没有集成到这些类型的天线中。相反，它们由需要50欧姆匹配的传输线与天线分开，以避免驻波及其在频率响应中的关联脉动。
本公开的技术涉及一种宽带接收天线，该宽带接收天线在操作的“传统频带”(其中尺寸在该频带的最小频率下＞＝1/2个波长(λ))以及低频“扩展频带”(其中天线尺寸＜λ/2)两者中操作。边界频率fc被定义为定义操作的“传统频带”与操作的“扩展频带”之间的边界的频率。本公开的天线是宽带天线(优选地是背腔正弦天线，但是其还涵盖对数周期天线和具有N 个臂、N个馈电端子的其它类型的天线、以及直接集成到天线的馈电点中或在天线的馈电点处的N个缓冲放大器的阵列。N大于1，并且N的典型值例如可以是2或4。N的其它值(＞1)也是可能的。“直接到馈电器或馈电点中”意味着用于将天线的辐射臂连接到缓冲放大器的晶体管输入元件(或者例如FET放大器的栅极)的任何传输线远短于扩展频带中的任何频率下的波长(优选地小于扩展频带中的任何频率下的0.1个波长)，而且优选地小于传统频带中的任何频率下的1/4个波长。缓冲放大器优选地被配置为当与天线阻抗Za(通常不同于50欧姆)噪声匹配时具有高增益和低噪声系数。Za 被选择作为传统频带中的天线臂的输入阻抗。缓冲放大器被系到相对于天线臂浮动的公共接地节点。这些缓冲器优选地包括GaN FET晶体管，并且优选地在单个半导体管芯或模块上实施。缓冲器输出优选地与接口阻抗(通常为 50、75或100欧姆)阻抗匹配，并且可以进一步耦合到组合网络或N个接收器。如将公开的，接收天线还可用作发送天线，尽管本公开主要致力于其接收功能。
本公开技术的目的是使接收天线具有比现有技术天线可能的带宽更宽的带宽，而不增加它们的尺寸。传统的宽带背腔天线在10:1带宽上操作，并且尺寸在其操作最小频率下在0.5λ至1λ之间。例如，操作在2-18GHz的天线的尺寸为～2.4英寸或更大。将带宽要求增加到0.5-18GHz将意味着将尺寸增加到～10英寸(并且将引入维持阻抗匹配的额外的设计挑战)，或者将迫使用户接受在0.5-2GHz扩展频带上的严重劣化的接收灵敏度(即，最小可检测信号)。本发明可以允许对于2.4英寸尺寸在0.5-18GHz上操作，而不会严重劣化灵敏度。
据我们所知，预期本发明的现有技术中的装置并不存在。现有技术天线已经与低噪声放大器(LNA)结合，但是现有技术没有实现本发明发现的这种带宽扩展。
本公开的技术解决了对小天线中的宽带宽的长期需求。另外，本发明与教科书中关于天线和低噪声放大器设计的教导背道而驰。
【发明内容】
在一个方面，本公开的技术提供了一种宽带有源天线系统，该宽带有源天线系统包括具有N个输出的天线，N个输出中的每一个直接耦合到相关联的缓冲放大器，其中，N个平衡输出与各个相关联的缓冲放大器的第一有源级之间的距离优选地被维持为尽可能合理地短，并且优选地不大于天线系统的宽带的任何频率的1/4个波长。
在另一方面，本发明提供了一种用于扩展无源天线的有用频率范围的方法，天线具有远离中心位置延伸的多个臂，方法包括以下步骤：提供芯片，该芯片在内部具体实施有多个缓冲放大器，各个缓冲放大器具有信号输入端子；将芯片布置在所述中心位置；以及安排在所述芯片中具体实施的缓冲放大器的布局，使得(i)当所述芯片布置在所述中心位置时，所述芯片中的各个缓冲放大器的信号输入端子被布置为紧邻所述多个臂中的关联的一个臂的近端，并且(ii)所述芯片中的各个缓冲放大器的信号输入端子被布置为紧邻所述缓冲放大器中的关联的一个缓冲放大器的有源器件的控制元件。
在另一方面，本发明提供了一种用于扩展另外无源天线的有用频率范围的设备，天线具有远离中心位置延伸的多个臂，设备包括：芯片，该芯片在内部具体实施有多个缓冲放大器，各个缓冲放大器具有信号输入端子，芯片布置在所述中心位置，并且芯片具有在所述芯片中具体实施的缓冲放大器的布局，其中，(i)当所述芯片布置在所述中心位置时，所述芯片中的各个缓冲放大器的信号输入端子被布置为紧邻所述天线的所述多个臂中的关联的一个臂的近端，并且(ii)所述芯片中的各个缓冲放大器的信号输入端子被布置为紧邻所述缓冲放大器中的关联的一个缓冲放大器的有源器件的控制元件。
优选地，本公开的技术允许现有技术中的无源背腔天线设计成在一些传统操作频带(其中接收或发送元件的尺寸在该频带的最小频率处各自都>＝1/2 个波长(λ))中操作，以在包括低频“扩展频带”的更宽带宽上操作，在扩展频带中，接收或发送元件的尺寸在天线另外设计成操作的最小频率下 <1/2个波长(λ)。边界频率fc被定义为定义操作的“传统频带”与操作的“扩展频带”之间的边界的频率。本公开的有源天线是宽带天线(优选地是背腔正弦天线)，但是其还涵盖对数周期和其它类型的天线，所述对数周期和其它类型的天线具有N个臂、N个馈电端子、以及直接集成到天线的馈电点中或在天线的馈电点处的N个缓冲放大器的阵列，这允许以其它方式设计的无源天线在比无源天线被设计用于的频率低的频率下作为有源天线操作。
虽然本公开的技术可以扩展现有技术无源天线的带宽，但是相信它也可以用于扩展另外将具有相对较窄带宽的无源天线的未来天线设计的带宽。
【附图说明】
图1(a)至图1(c)描绘了根据现有技术的无源宽带背腔天线11，并且图1(d)描绘了其典型的性能图。这里描绘的是双极化的背腔正弦天线11，其中图1(a)示出了其顶视图，图1(b)示出了立体图，并且图1(c)以图1(a)的特写视图示出了图1(a)的中心部分，由此更详细。类似的天线由加利福尼亚门洛帕克的Randtron天线系统公司制造，零件编号为53640。宽带天线的其它示例包括背腔双极化对数周期和单极化正弦、对数周期和其它类型的天线。图1(b)的立体图示出了填充有多个吸收层的腔。这些层可以各自包括有损耗电介质，并且它们中的一个或多个可以包括低损耗电介质，诸如空气。
图2(a)和图2(b)呈现了当与双极化背腔正弦天线11(诸如图1(a) 至图1(c)描绘的天线)一起使用时的本公开技术的实施方式的示意图。图2(a)和图2(b)描绘了背腔天线的中心馈电区域(对于图1(a)至图1(c) 的背腔天线的馈电区域的表示，请参见图1(c))，应当理解，为了利用本公开技术，不需要修改图1(a)和图1(b)所表示的背腔天线的馈电区域之外的区域。
图2(a)和图2(b)呈现了本公开技术的基本实施方式，其中N个缓冲放大器的阵列连接到位于天线的臂的近端的N个天线端子。
图2(c)示出了图2(a)和图2(b)的天线，其中集成电路(IC)芯片布置在其顶面上。
图2(d)是稍微不同的图2(c)的天线的实施方式的侧立面图，在该实施方式中，IC芯片布置在天线的顶面之下，与如图2(c)的实施方式中在顶面上相反。
图2(e)是安装到天线的顶面的下侧的IC芯片的一部分的分解图。
图2(f)是侧立面图，而图2(f)-l是图2(f)的一部分的分解图，示出了另一实施方式，其中IC芯片在附加的印刷电路板上安装在天线的顶面的下侧附近，各个印刷电路板承载单独的IC芯片。
图2(g)类似于图2(a)，但是缓冲放大器的电路被省略，而附加的印刷电路板用虚线示出，各个印刷电路板承载单独的IC芯片(各个印刷电路板具体实施图2(a)的一个缓冲放大器)。
图2(h)和图2(i)呈现了当与对数周期的背腔天线一起使用时的本公开技术的示意图(类似于图2(a)至图2(g)的实施方式)。
图3(a)至图3(d)呈现了缓冲放大器电路的简化示意图。图3(a) 示出了并入有反馈的基本缓冲器组成部分。图3(b)示出了提供更高增益和频率均衡的两级设计，并且图3(c)示出了操作被分为高频带和低频带的频带切换缓冲器。图3(d)示出了缓冲放大器可以与也能够用作发送天线的天线一起使用的实施方式。
图4描绘了用于模拟GaN缓冲器对接收灵敏度的影响的模型。天线的全波模拟用于组成直接用于电路模拟器的2端口S参数模型。
图5描绘了有源缓冲正弦(具有电阻反馈)天线与无源正弦天线的模拟比较的曲线图。S21是天线增益(包括任何放大器增益和衰减器的5dB损耗) 与天线方向性的比值。噪声系数的参考平面是入射波。注意：1/f噪声不包括在模型中。
图6描绘了当使用衰减器将输出与-8dB反射系数规范相匹配并且接收器(RX)噪声系数(NF)为15dB时的模型性能的曲线图。
【具体实施方式】
以下描述被提出为使得本领域普通技术人员能够进行并使用本发明，并且将本发明并入在特定应用的语境中。各种修改以及在不同应用中的各种用途将对本领域技术人员容易地清晰，并且这里所定义的一般原理可以应用于宽范围的实施方式。由此，本发明不旨在限于所提出的实施方式，而是符合与这里所公开的原理和新型特征一致的最宽范围。
在以下详细描述中，为了提供本发明的更彻底理解，阐述了大量具体细节。然而，将对本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在不必限于这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免使本发明模糊，以框图形式而不是详细地示出公知结构和装置。
读者的注意力被引导到(i)与本说明书同时提交的所有文件和文献，文件和文献与本说明书一起对公众审查开放(此处以引证的方式将所有这种文件和文献的内容并入)和(ii)此处以引证的方式另外并入的(但不是在物理上与本说明书一起提交的)所有文件和文献。
在本说明书中公开的所有特征(包括任意所附权利要求、摘要以及附图) 可由用于相同、等效或类似目的的另选特征来替换，除非另外明确陈述。由此，除非另外明确陈述，否则所公开的每个特征仅是通用的一系列等效或类似特征的一个示例。
此外，未明确陈述用于执行指定功能的“装置”或用于执行具体功能的“步骤”的权利要求中的任意元素不被解释为如在35U.S.C第112节第(f) 段落中指定的“装置”或“步骤”条款。具体地，这里权利要求中“的步骤”或“的动作”的使用不旨在调用35U.S.C第112节第(f)段落中的规定。
图1(a)至图1(c)示出了根据现有技术的背腔宽带天线。该实施方案是双极化正弦天线。四个臂从天线顶层上的中心馈电点向外延伸。当第一对相对的臂被差分地馈电时，天线辐射出线性极化。当第二对相对的臂被差分地馈电时，天线辐射与来自第一对馈电器的辐射正交的线性极化。该天线的一种变型是单极化正弦天线(未示出)，其中只存在两个臂。辐射层位于腔的顶部，该腔装载有吸收材料，以便为下行行波提供宽带终端。天线的典型尺寸是直径为2.4英寸，以便在2-18GHz上操作。馈电点位于辐射层的中心，并包括四个端子1-4。典型的馈电配置是以平衡方式(即，利用平衡-不平衡变换器)对两个相对的馈电端子组进行馈电。另选配置是使用另选的模式形成器来生成双圆极化。该行为类似于其它天线，例如对数周期天线。
我们模拟了具有跨越天线11的两个相对臂13(参见图2(c))之间的间隙的平衡馈电(即总端口)的双极化天线的单极化性能。参见图1(d)。这示出了在2.2-6GHz上对350欧姆的良好阻抗匹配；假定6-18 GHz也与350欧姆匹配，但是我们没有对此进行模拟，因为它没有帮助指出在本文公开的实施方式中的新内容。在2GHz以下，天线效率(即增益与方向性的比)迅速下降。注意，效率降低主要是由于阻抗失配。
图2(a)和图2(b)呈现了本公开技术的基本实施方式，其中N个缓冲放大器的阵列连接到位于天线11的臂13的近端的N个天线端子。缓冲放大器12优选地共享相对于天线11浮动的公共接地端子12G。各个缓冲放大器12具有RF输出端口20，该端口优选地与参考或系统阻抗Z0阻抗匹配。建立在图2(a)的实施方式之上，N个缓冲放大器12还可以耦合到N个传输线141-N，然后耦合到组合网络17，该组合网络组合输出以在端口A和B 处生成波束(例如，水平和垂直或RHCP和LHCP)，如图2(b)的实施方式所示，其中N＝4。
图2(a)至图2(e)是本公开技术的一个实施方式的示意图。这些视图中的天线11是双极化、背腔、正弦天线。各个馈电端子1、2、3和4被布置在天线11的臂13的近端或与其相邻，并且各个馈电端子直接耦合(参见传输线101和104)到单独的低噪声缓冲放大器121和124。注意，在四个端子1、 2、3和4与四个缓冲放大器121和124的输入(通常为FET栅极)之间没有平衡-不平衡变换器或其它匹配网络。在该实施方式和其它公开的实施方式中，通过将包含四个缓冲放大器121-124的一个或多个芯片16布置为紧邻天线11 的臂13的近端，天线端子1、2、3和4与缓冲器121-124之间的传输线101-104被制作得尽可能短，该天线又可以由基板15支撑。具体参见图2(c)至图2 (e)，其中具体实施四个缓冲放大器121-124的单个芯片16直接耦合(并且优选地黏结)到天线11的金属臂13(在一些视图中单独标记为131-134)，其中这些金属臂靠近天线11的中心。在其它实施方式中，芯片16可以用多个芯片16代替。而且，天线端子可以经由实现等于Za的模态阻抗、传统频带中天线的阻抗的波导结构耦合到一个或多个芯片16，或者耦合到承载芯片 16的其它电路板(参见下面讨论的图2(f)和图2(g)的实施方式)。例如，对于单极化天线，其两个端子可以耦合到具有特性阻抗＝Za的平衡传输线14。对于双极化天线，存在四条传输线141-144，其中对应于两个线极化的模式具有特性阻抗＝Za～350欧姆。该引导结构的长度优选地应当最小化。
图2(f)、图2(f)-l和图2(g)描绘了具有腔18的背腔天线的腔19 的实施方式，其中不是将芯片16直接黏结到天线的臂13，而是将各个缓冲放大器121-12N具体实施在单独的芯片161-16N中。各个芯片优选地安装在单独的印刷电路板231-23N上。为了清楚地表示，在图2(f)和图2(f)-l中仅示出了两个芯片161和162及其对应的电路板231和232，而在图2(g)中示出了四个电路板(但是为了清楚地表示，从图2(g)省略了对应的芯片16)。印刷电路板231-23N优选地以直角安装到背腔天线11的印刷电路板或其他电介质基板15承载臂13，如下面更详细描述的。印刷电路板231-23N可以与相邻的板23成直角地布置，如图2 (g)描绘的。
在图2(h)和图2(i)中，双极化背腔天线替代地被具体实施为对数周期天线。顶部金属臂13(在这些视图中以黑色出现)代替图2(a)至图2(c) 的正弦模式，但是保留了图1(b)中示出的背腔结构。由此可见，制造该实施方式的天线11的无源部分的方法将基本上与图1(a)至图1(c)相同。该实施方式与图1(a)至图1(c)的现有技术之间的区别在于芯片16(包含有源元件，即缓冲放大器121-124)直接放置在天线11上或与其紧邻，从而使传输线101-104尽可能地短，由此长度远小于四分之一波长(该波长对应于天线标称操作的最高频率)。图2(g)描绘了图2(f)的天线11的实施方式的中心处的细节。芯片16被描绘为沿着缓冲放大器布置在天线的臂13 的近端处或其附近的芯片并根据缓冲放大器示意性地描绘。
在图2(a)至图2(i)的实施方式中，对于天线11描绘了四个天线端子1、2、3和4。但是在给定的天线实施方式中可以有更多或更少的端子。因此，概念上，N个缓冲放大器121-12N的阵列连接到N个天线端子1-N，其中在图2(a)至图2(c)和图2(f)以及图2(g)所描绘的天线11的实施方式中，N＝4，并且在其它实施方式中N可以等于2。这N个缓冲器121-12N共享相对于天线端子1-N浮动的公共接地端子12G(也参见图3(a)至图3 (c))。各个缓冲器12具有优选地与参考阻抗Z0阻抗匹配的RF输出端口 20。N个缓冲器12的输出可以进一步分别耦合到N个传输线141-14N，然后耦合到组合网络17，该组合网络组合输出，以在端口A和B处生成波束(优选地，例如，利用水平和垂直极化或R1TCP和L1TCP极化)。
背腔天线11的臂13可以由布置在印刷电路板或其它电介质基板15上的金属限定，如图2(c)至图2(g)所示，其中一个或多个集成电路芯片 16直接布置在基板15上或布置在与印刷电路板或其它电介质基板15相邻 (并且优选地成直角)布置的电路板23上，集成电路芯片16具有优选地单独定位在芯片16上的缓冲放大器12，以便使它们(经由传输线101-10N)到臂13的连接尽可能合理地短。芯片16包括N个缓冲器12(具有FET放大器，优选地如图3(a)至图3(d)描绘)，借此，芯片16上的触点16c(也参见图2(e))直接黏结到背腔天线11的臂13的末端(在其一些实施方式中)，由此，臂13的末端相对于缓冲器12中的放大器非常紧密地布置，使得通过形成紧邻前述芯片触点16c的FET缓冲放大器的栅极21，在背腔天线 11的臂13的末端与缓冲放大器12的输入(典型地为FET栅极21)之间的导体(传输线101-10N)优选地维持尽可能合理地短。这里的目的是保持缓冲放大器的栅极21与天线11的关联臂13的近端之间的物理距离尽可能合理地短。如果FET放大器具有多于一个级，那么优选地将各个缓冲放大器的第一级的栅极布置在上述触点附近。芯片16优选地布置在基板15的支撑天线臂 13的一侧上，由此面向腔19(参见图2(e))。由于图2(a)、图2(c) 和图2(g)的实施方式具有四个臂13(因此N＝4)，于是优选地在单个芯片16中具体实施四个缓冲放大器12。腔19通常装载有填充有碳的泡沫材料。
在具有N个缓冲放大器(一个放大器用于天线11的N个臂13中的一个) 的实施方式中，各个缓冲放大器具有一个RF输出端口20，该输出端口优选地与指定的特性阻抗Z0(例如50、75或100欧姆)阻抗匹配。在图2(a) 和图2(b)以及图2(g)所示的优选双极化实施方式中，N＝4，但是N＝2 (单极化天线11)也是期望的实施方式(例如参见图2(h)和图2(i)的实施方式)。输出端口20然后可以连接到本领域中常见的其它部件。在一个实施方式中，N个输出端口20耦合到N个传输线141-14N，这些传输线然后耦合到N个RF连接器。在其它实施方式中，输出端口20耦合到N个接收器以用于数字波束形成系统。在另一实施方式中(例如参见图2(b))，N 个输出端口20耦合到N个传输线121-12N，这些传输线然后耦合到组合或波束形成网络17。N个传输线121-12N优选地是振幅匹配和相位匹配的。该组合网络17可以包括混合耦合器、平衡-不平衡变换器等，以形成输出波束。在一个示例中，来自传输线141和142的输出被差分组合，传输线143和144的输出也被差分组合，以形成输出A和B，它们是两个正交的线性极化。如本领域中已知的的，另选的组合网络可以产生双圆极化。
N个缓冲放大器12优选地都位于单个集成电路管芯或芯片16上，并且优选地包括GaN FET晶体管，以便维持缓冲器12之间的良好的振幅和相位匹配，并且允许缓冲放大器12在天线11的臂13的近端处的馈电点处或紧邻馈电点被封装为小的物理尺寸，并且实现目前已知的最高水平线性度和功率处理。另选实施方式可使用其它晶体管以便利用已知或未来的装置技术发展。此外，缓冲器12可根据优选的馈电方法(即，没有传输线)集成到混合模块中，或者可与天线分开集成(如用于阵列天线的砖形架构)。
各个缓冲放大器12可以包括共源极放大器。优选实施方式采用电阻反馈(例如，参见图3(a))，注意，在该优选实施方式中，电容器C2是隔直电容器，在传统和扩展频带上，该电容器的阻抗优选低于电阻器R2的阻抗)。另选实施方式采用电阻反馈和电感反馈、无反馈或输出匹配特征。电阻衰减可以辅助或不辅助输出匹配。图3(b)的缓冲器12的第一级12first可以由第二级12second来增强，该第二级可以有助于调整该实施方式的缓冲器 12的频率响应或增加其增益。此外，缓冲放大器12可以使用单刀双掷(SPOT) 或多掷(SPMT)开关18(参见SPDT实施方式的图3(c)的实施方式)分成两个频带(或更多个)。由于图3(c)的缓冲放大器12的实施方式具有两个输出20，于是N个缓冲器(根据该实施方式)将提供2*N个输出，或者图3(c)中的两个描绘的输出20可以与第二SPDT开关(未示出)组合，该第二SPDT开关与第一提及的SPDT开关串联以提供用于图3(c)的缓冲器的单个输出。缓冲器12的输出匹配可以通过在缓冲器12之后增加衰减(未示出)来改善。由于缓冲器的增益，增加这种衰减对噪声系数具有最小的影响。这种衰减优选小于5dB。
如果期望，则天线11也可以用作发送天线，该发送天线使用单刀双掷 (SPDT)开关22来将天线端子切换到发送装置的缓冲放大器12或功率放大器24，如图3(d)所描绘的。在不采取附加措施的情况下，天线11将仅在传统频带中作为发送天线很好地执行，但是通过使用适当的切换布置(未示出)将在传统频带和扩展频带两者中作为接收天线有用。
本发明的初步模拟已经使用背腔正弦天线和非线性模型的全波模拟来完成，该非线性模型针对从加利福尼亚马里布的HRL实验室有限责任公司获得的具有例如6×50μm尺寸的HRL T3 GaN晶体管器件提取。这些模型的确具有局限性，因为它们没有考虑1/f噪声，这可能限制在最低频率下的结果的保真度。模拟中的第一步是转换所模拟的辐射体的辐射图和阻抗，并生成天线的2端口模型(参见图4)。在该模型中，S21是总天线效率(包括阻抗匹配和辐射效率)，而S22是无源天线反射系数。S21和噪声系数在有和没有缓冲器的情况下都进行了评估。为了评估对灵敏度的影响，插入5dB 衰减器来考虑接收器噪声。还使用谐波平衡来模拟输入三阶截取点(IIP3)。参考平面是入射波。在该模拟中，将两个极化中的一个的模型转换为其差分半电路。因此，该模型适用于通过差分地组合臂1和2或3和4的输出而形成的线性极化。
转到图5，缓冲放大器12相对于无源天线11在频带上将增益改善-20dB。噪声系数(NF)的改善在扩展频带上近似为10dB，在传统频带上近似为5dB。在传统频带上，该改善通过缓冲放大器的增益来解释，该增益淹没了接收器噪声系数。这是教科书的结果，并且不令人惊讶。在扩展频带中，增加的效益(benefit)通过可从HRL实验室获得的T3装置具有优秀的噪声参数的事实来说明。具体地，由噪声参数和噪声圆确定阻抗失配导致的NF的劣化。对于该缓冲器，最小NF＜1dB，并且噪声电阻为～8欧姆。这意味着失配对有源NF的影响小于对无源天线增益的影响。
图5中的比较不限制天线11与系统阻抗Z0阻抗匹配。该失配对于许多接收器是不可接受的。图6示出了当缓冲天线和无源天线分别使用衰减器3 dB和4dB进行匹配以便在整个频带上实现-8dB反射系数时的比较。在该图中，接收器由15dB衰减器建模。由于缓冲器增益，在输出处添加3dB衰减器对NF几乎没有影响。然而，对于无源天线，在其端子处添加4dB衰减器使NF劣化了另外的4dB。因此，缓冲放大器的优点是附加的4dB。
所公开的实施方式允许现有技术中的无源背腔天线设计成在一些传统操作频带(其中接收或发送元件的尺寸在该频带的最小频率处各自都>＝1/2 个波长(λ))中操作，以在包括低频“扩展频带”的更宽带宽上操作，在扩展频带中，接收或发送元件的尺寸在天线另外设计成操作的最小频率下 <1/2个波长(λ)。边界频率fc被定义为定义操作的“传统频带”与操作的“扩展频带”之间的边界的频率。本公开的有源天线是宽带天线(优选地是背腔正弦天线，但是其还涵盖对数周期天线和具有N个臂、N个馈电端子的其它类型的天线、以及直接集成到天线的馈电点中或在天线的馈电点处的N 个缓冲放大器的阵列，这允许以其它方式设计的无源天线在比无源天线被设计用于的频率低的频率下作为有源天线操作。
术语频带在本文中使用时，旨在表示具有标称带宽的频带，其中与频带的频率中心相比，频带边缘处的滚降对应于增益(或衰减)已经降低了一定量(通常为-3dB)的点。因此，术语“传统”频带和“扩展频带”在这些频带的边缘处具有增益滚降(gain rolloffs)，与这些频带的中心频率相比，这些增益滚降降低了一定量，例如-3dB。增益滚降发生在超出频带边缘的频率下的增益从该量(通常为-3dB)继续降低的情况下。
一些无源天线是多频带的，因为它们具有不同尺寸(和/或机械可变尺寸) 的天线元件，并且这可在若干“传统频带”中操作。本文使用的术语“扩展频带”可以应用于具有这种多频带天线的任何“传统频带”。
现在已经根据专利法规的要求描述了本发明，本领域技术人员将理解如何对本发明进行改变和修改以满足其特定要求或条件。这种改变和修改可以在不脱离如本文公开的本发明的范围和精神的情况下进行。
为了例示和公开，根据法律的要求，呈现了示例性和优选实施方式的前述详细描述。不旨在穷尽也不将本发明限于所述的精确形式，而是仅使得本领域其他技术人员能够理解本发明如何适合于特定的用途或实施方案。修改例和变型例的可能性对于本领域技术人员将是明显的。示例性实施方式的描述不旨在限制，这些实施方式可以已包括公差、特征尺寸、特定操作条件、工程规范等，并且可以在实施方案之间变化或随着现有技术的变化而变化，并且不应从其暗示任何限制。申请人已经关于当前技术水平做出了本公开，但是还预期进展，并且未来的改编可以考虑这些进展，即根据当时的当前技术水平。如果适用，则预期本发明的范围由书面权利要求以及等同物来限定。对单数形式的权利要求元件的参照不旨在意指“一个且仅一个”，除非明确这样陈述。而且，不管本公开中的元件、部件、方法或工艺步骤是否在权利要求中明确列举，该元件、部件或步骤都不旨在专用于公众。本文中没有权利要求元素被解释为在35美国第112节的规定下，因为它存在于提交本申请的日期，除非元件使用短语“用于……的装置”明确叙述，并且本文的方法或工艺步骤均不在这些规定下进行解释，除非步骤使用短语“包括步骤……”明确叙述。
可以在不偏离本发明的范围的情况下对此处描述的系统、设备以及方法进行修改、添加或省略。系统和设备的部件可以集成或分离。而且，系统和设备的操作可以由更多、更少或其他部件来执行。方法可以包括更多、更少或其他步骤。另外，步骤可以以任意合适的顺序来执行。如本文献中使用的，“各个”是指集合的各个成员或集合的子集的各个成员。
本发明的概念包括：
1、一种有源天线系统，包括具有N个输出的无源天线，N个输出中的每一个直接耦合到相关联的缓冲放大器，其中，N个平衡输出与各个相关联的缓冲放大器的第一有源级之间的物理距离被维持为尽可能合理地短，宽带有源天线系统具有比所述无源天线的标称带宽更大的标称带宽。
2、概念1的有源天线系统，其中，天线是从由单和双极化背腔正弦天线或对数周期天线构成的组选择的接收天线。
3、概念2的有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器的第一有源级布置在一个或多个IC芯片中，所述一个或多个IC芯片直接接合到所述无源天线的输出，各个相关联的缓冲放大器具有反馈电路。
4、概念3的有源天线系统，其中，无源天线被配置为在频率fc处和频率fc以上但不在频率fc以下与天线系统阻抗Za阻抗匹配，所述频率fc是无源天线被设计为操作所针对的相对较低的扩展频带与相对较高的传统频带之间的过渡频率，其中，无源天线具有大于或等于在传统频带中的最小频率处的1/2个波长的尺寸，并且其中，无源天线具有小于在扩展频带中的最大频率处的1/2个波长(λ)的尺寸；并且其中，各个相关联的缓冲放大器被配置为在频率fc以上和以下与Za阻抗匹配，相关联的缓冲放大器输出阻抗还被配置为对于fc以上和以下的输入频率与系统阻抗Z0匹配。
5、概念3或4的有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器耦合到衰减器，以提供与耦合到各个衰减器的接收器的输出阻抗匹配。
6、概念3至5中任意一项的有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器耦合到具有至少一对输出的信号组合网络。
7、概念6的有源天线系统，其中，N＝4，并且其中，来自信号组合网络的至少一对输出提供水平极化信号和垂直极化信号。
8、概念1至7中任意一项的有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器被具体实施为多个相关联的缓冲放大器中的一个缓冲放大器，所有缓冲放大器被具体实施在一个或多个集成电路中，一个或多个集成电路直接耦合到所述无源天线的输出，而在所述一个或多个集成电路与所述无源天线的输出之间没有任何介入的RF传输线。
9、概念1至8中任意一项的有源天线系统，其中，所述一个或多个集成电路被具体实施在单个IC芯片中，所述单个IC芯片被直接黏结到所述无源天线上的所述输出。
10、概念1至9中任意一项的有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器被具体实施为多个相关联的缓冲放大器中的一个，所述多个相关联的缓冲放大器中的各个缓冲放大器在单独的集成电路中实施。
11、概念1至10中任意一项的有源天线系统，其中，所述物理距离不大于宽带有源天线系统的任何发送和/或接收频率的1/4个波长。
12、概念1至11中任意一项的宽带有源天线系统，其中，所述物理距离不大于在低于天线的标称带宽中的最低频率的扩展频带中的任何发送和/ 或接收频率的0.1个波长。
13、一种有源天线系统，包括具有多个臂的天线，各个臂直接耦合到相关联的缓冲放大器，所述缓冲放大器具体实施在一个或多个直接安装在天线的臂上或安装到所述臂的集成电路芯片中。
14、概念13的有源天线系统，其中，天线是从由单和双极化背腔正弦天线以及对数周期天线构成的组选择的接收天线。
15、概念13或14的有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器具有反馈电路。
16、概念13至15中任意一项的有源天线系统，其中，天线被配置为在频率fc处和频率fc以上但不在频率fc以下与天线阻抗Za阻抗匹配；并且其中，各个相关联的缓冲放大器被配置为在基本上＜fc的频率处呈现高阻抗，关联的缓冲放大器输出阻抗还被配置为在fc以上和以下都与系统阻抗Z0匹配。
17、概念13至16中任意一项的有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器耦合到衰减器，以提供与耦合到各个衰减器的接收器的输出阻抗匹配。
18、概念13至17中任意一项的有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器耦合到具有至少一对输出的信号组合网络。
19、概念18的有源天线系统，其中，N＝4，并且其中，来自信号组合网络的至少一对输出提供水平极化信号和垂直极化信号。
20、概念13至19中任意一项的有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器被具体实施为多个相关联的缓冲放大器中的一个，所有相关联的缓冲放大器在单个集成电路中实施。
21、概念13至20中任意一项的有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器被具体实施为多个相关联的缓冲放大器中的一个，多个相关联的缓冲放大器中的各个缓冲放大器在单独的集成电路中实施。
22、一种扩展无源天线的有用频率范围的方法，天线具有远离中心位置延伸的多个臂，方法包括以下步骤：
提供一个或多个芯片，所述一个或多个芯片在内部具体实施有多个缓冲放大器，各个缓冲放大器具有信号输入端子；
将一个或多个芯片布置在所述中心位置处或紧邻所述中心位置；以及
安排在所述一个或多个芯片中具体实施的缓冲放大器的布局，使得(i) 当所述一个或多个芯片布置在所述中心位置处或与其紧邻时，所述一个或多个芯片中的各个缓冲放大器的信号输入端子被布置为紧邻所述多个臂中的关联的一个臂的近端，并且(ii)所述一个或多个芯片中的各个缓冲放大器的信号输入端子被布置为紧邻所述缓冲放大器中的关联的一个缓冲放大器的有源器件的控制元件。
23、概念22的方法，其中，有源器件是GaN FET，并且控制元件是所述GaN FET的栅极。
24、一种用于扩展另外无源天线的有用频率范围的设备，天线具有远离中心位置延伸的多个臂，设备包括：
至少一个芯片，所述至少一个芯片在内部具体实施有至少一个缓冲放大器，各个缓冲放大器具有信号输入端子，
至少一个芯片布置在所述中心位置处或紧邻所述中心位置，并且
至少一个芯片具有在所述芯片中具体实施的至少一个缓冲放大器的布局，其中，(i)当所述至少一个芯片布置在所述中心位置处或与其紧邻时，所述至少一个芯片中的至少一个缓冲放大器的信号输入端子被布置为紧邻所述天线的所述多个臂中的关联的一个臂的近端，并且(ii)所述至少一个芯片中的各个缓冲放大器的信号输入端子被布置为紧邻所述至少一个缓冲放大器中的关联的一个缓冲放大器的有源器件的控制元件。
25、概念24的设备，其中，有源器件是GaN FET，并且控制元件是所述GaN FET的栅极。
26、概念25的设备，其中，各个GaN FET具有耦合到接地连接的载流电极，所述接地连接与所述无源天线隔离。
27、概念24至26中任意一项的设备，其中，天线的各个臂的近端与各个相关联的缓冲放大器的第一有源级之间的物理距离尽可能合理地短，并且不大于设备的任何发送和/或接收频率的1/4个波长。
28、概念24至27中任意一项的设备，其中，天线的各个臂的近端与各个相关联的缓冲放大器的第一有源级之间的物理距离尽可能合理地短，并且不大于设备的扩展频带中的任何发送和/或接收频率的0.1个波长，扩展频带包括低于天线的标称带宽中的最低频率的频率。

Claims (28)

1.一种宽带有源天线系统，包括具有N个输出的无源天线，所述N个输出中的每一个直接耦合到相关联的缓冲放大器，其中，所述N个输出与各个相关联的缓冲放大器的第一有源级之间的物理距离被维持为尽可能合理地短，所述宽带有源天线系统具有比所述无源天线的标称带宽更大的标称带宽；
其中所述相关联的缓冲放大器被配置为在频率fc以上和以下与天线阻抗Za阻抗匹配，所述相关联的缓冲放大器输出阻抗还被配置为对于fc以上和以下的输入频率与系统阻抗Z0匹配。
2.根据权利要求1所述的宽带有源天线系统，其中，所述天线是从由单极化背腔正弦天线和双极化背腔正弦天线或对数周期天线构成的组选择的接收天线。
3.根据权利要求2所述的宽带有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器的所述第一有源级布置在一个或多个IC芯片中，所述一个或多个IC芯片直接接合到所述无源天线的所述输出，各个相关联的缓冲放大器具有反馈电路。
4.根据权利要求3所述的宽带有源天线系统，其中，所述无源天线被配置为在频率fc处和频率fc以上但不在频率fc以下与所述天线阻抗Za阻抗匹配，所述频率fc是所述无源天线被设计为操作所针对的相对较低的扩展频带与相对较高的传统频带之间的过渡频率，其中，所述无源天线具有大于或等于在所述传统频带中的最小频率处的1/2个波长的尺寸，并且其中，所述无源天线具有小于在所述扩展频带中的最大频率处的1/2个波长（λ）的尺寸。
5.根据权利要求3所述的宽带有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器耦合到衰减器，以提供与耦合到各个衰减器的接收器的输出阻抗匹配。
6.根据权利要求3所述的宽带有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器耦合到具有至少一对输出的信号组合网络。
7.根据权利要求6所述的宽带有源天线系统，其中，N=4，并且其中，来自所述信号组合网络的所述至少一对输出提供水平极化信号和垂直极化信号。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的宽带有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器被具体实施为多个相关联的缓冲放大器中的一个缓冲放大器，所有缓冲放大器被具体实施在一个或多个集成电路中，所述一个或多个集成电路直接耦合到所述无源天线的所述输出，而在所述一个或多个集成电路与所述无源天线的所述输出之间没有任何介入的RF传输线。
9.根据权利要求8所述的宽带有源天线系统，其中，所述一个或多个集成电路被具体实施在单个IC芯片中，所述单个IC芯片被直接黏结到所述无源天线上的所述输出。
10.根据权利要求1至7中任意一项所述的宽带有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器被具体实施为多个相关联的缓冲放大器中的一个，所述多个相关联的缓冲放大器中的各个缓冲放大器在单独的集成电路中实施。
11.根据权利要求1至7中任意一项所述的宽带有源天线系统，其中，所述物理距离不大于所述宽带有源天线系统的任何发送和/或接收频率的1/4个波长。
12.根据权利要求1至7中任意一项所述的宽带有源天线系统，其中，所述物理距离不大于在低于所述天线的标称带宽中的最低频率的扩展频带中的任何发送和/或接收频率的0.1个波长。
13.一种宽带有源天线系统，包括具有多个臂的天线，各个所述臂直接耦合到相关联的缓冲放大器，所述缓冲放大器具体实施在一个或多个直接安装在所述天线的所述臂上或安装到所述臂的集成电路芯片中；
其中所述相关联的缓冲放大器被配置为在频率fc以上和以下与天线阻抗Za阻抗匹配，所述相关联的缓冲放大器输出阻抗还被配置为对于fc以上和以下的输入频率与系统阻抗Z0匹配。
14.根据权利要求13所述的宽带有源天线系统，其中，所述天线是从由单极化背腔正弦天线和双极化背腔正弦天线以及对数周期天线构成的组选择的接收天线。
15.根据权利要求14所述的宽带有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器具有反馈电路。
16.根据权利要求13至15中任意一项所述的宽带有源天线系统，其中，所述天线被配置为在频率fc处和频率fc以上但不在频率fc以下与所述天线阻抗Za阻抗匹配；并且其中，各个相关联的缓冲放大器被配置为在基本上＜fc的频率处呈现高阻抗。
17.根据权利要求16所述的宽带有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器耦合到衰减器，以提供与耦合到各个衰减器的接收器的输出阻抗匹配。
18.根据权利要求16所述的宽带有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器耦合到具有至少一对输出的信号组合网络。
19.根据权利要求18所述的宽带有源天线系统，其中，所述天线是双极化背腔正弦天线，并且其中来自所述信号组合网络的所述至少一对输出提供水平极化信号和垂直极化信号。
20.根据权利要求13至15中任意一项所述的宽带有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器被具体实施为多个相关联的缓冲放大器中的一个，所有所述相关联的缓冲放大器在单个集成电路中实施。
21.根据权利要求13至15中任意一项所述的宽带有源天线系统，其中，各个相关联的缓冲放大器被具体实施为多个相关联的缓冲放大器中的一个，多个相关联的缓冲放大器中的各个缓冲放大器在单独的集成电路中实施。
22.一种扩展无源天线的有用频率范围的方法，所述天线具有远离中心位置延伸的多个臂，所述方法包括以下步骤：
提供一个或多个芯片，所述一个或多个芯片在内部具体实施有多个缓冲放大器，各个缓冲放大器具有信号输入端子；
将所述一个或多个芯片布置在所述中心位置处或紧邻所述中心位置；以及
安排在所述一个或多个芯片中具体实施的所述缓冲放大器的布局，使得（i）当所述一个或多个芯片布置在所述中心位置处或与其紧邻时，所述一个或多个芯片中的各个缓冲放大器的所述信号输入端子被布置为紧邻所述多个臂中的关联的一个臂的近端，并且（ii）所述一个或多个芯片中的各个缓冲放大器的所述信号输入端子被布置为紧邻所述缓冲放大器中的关联的一个缓冲放大器的有源器件的控制元件；
其中所述相关联的缓冲放大器被配置为在频率fc以上和以下与天线阻抗Za阻抗匹配，所述相关联的缓冲放大器输出阻抗还被配置为对于fc以上和以下的输入频率与系统阻抗Z0匹配。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述有源器件是GaN FET，并且所述控制元件是所述GaN FET的栅极。
24.一种用于扩展另外无源天线的有用频率范围的设备，所述天线具有远离中心位置延伸的多个臂，所述设备包括：
至少一个芯片，所述至少一个芯片在内部具体实施有至少一个缓冲放大器，各个缓冲放大器具有信号输入端子，
所述至少一个芯片布置在所述中心位置处或紧邻所述中心位置，并且
所述至少一个芯片具有在所述芯片中具体实施的所述至少一个缓冲放大器的布局，其中，（i）当所述至少一个芯片布置在所述中心位置处或与其紧邻时，所述至少一个芯片中的所述至少一个缓冲放大器的所述信号输入端子被布置为紧邻所述天线的所述多个臂中的关联的一个臂的近端，并且（ii）所述至少一个芯片中的各个缓冲放大器的所述信号输入端子被布置为紧邻所述至少一个缓冲放大器中的关联的一个缓冲放大器的有源器件的控制元件；
其中所述相关联的缓冲放大器被配置为在频率fc以上和以下与天线阻抗Za阻抗匹配，所述相关联的缓冲放大器输出阻抗还被配置为对于fc以上和以下的输入频率与系统阻抗Z0匹配。
25.根据权利要求24所述的设备，其中，所述有源器件是GaN FET，并且所述控制元件是所述GaN FET的栅极。
26.根据权利要求25所述的设备，其中，各个GaN FET具有耦合到接地连接的载流电极，所述接地连接与所述无源天线隔离。
27.根据权利要求24至26中任意一项所述的设备，其中，所述天线的各个臂的所述近端与各个相关联的缓冲放大器的第一有源级之间的物理距离尽可能合理地短，并且不大于所述设备的任何发送和/或接收频率的1/4个波长。
28.根据权利要求24至26中任意一项所述的设备，其中，所述天线的各个臂的所述近端与各个相关联的缓冲放大器的第一有源级之间的物理距离尽可能合理地短，并且不大于所述设备的扩展频带中的任何发送和/或接收频率的0.1个波长，所述扩展频带包括低于所述天线的标称带宽中的最低频率的频率。
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