CN113113767A - 一种宽带有源功率放大器集成天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带有源功率放大器集成天线，包括介质基板、功率放大器和天线，功率放大器和天线分别设置在介质基板的上表面，介质基板的下表面设置有用于功率放大器和天线接地的接地金属层，天线内部具有可变电容，功率放大器工作在AB类，天线通过改变其内可变电容的容值来改变其输入阻抗，使其输入阻抗在一个宽的频带范围内始终与功率放大器的输出阻抗匹配；优点是天线兼具功率放大器输出匹配电路功能，将功率放大器输出匹配网络去除，设计过程更为简单，面积较小，且具有较宽的带宽，仿真结果表明本发明工作频带范围为2GHz‑4GHz，能保持在整个工作频带范围内，功率附加效率(PAE)大于65％，同时具有较高的增益和输出功率。

Description

一种宽带有源功率放大器集成天线
技术领域
本发明涉及一种集成天线，尤其是涉及一种宽带有源功率放大器集成天线。
背景技术
超宽带技术作为近年来发展最快的无线通信技术之一，因具有传输速率高、抗多径干扰、功耗低、全向辐射特性和超宽带宽等优点，日益为学术界和工业界重视。快速发展的无线通信网络需要大量的低功率损耗元件去连接和传送信息，高速语音、多媒体和高速数据交流带了对射频前端技术紧凑以及宽带的要求。然而，射频前端带宽较窄成为能源消耗的重要原因。功率放大器和天线是射频前端消耗功率最大的一部分，提高射频前端的带宽，减少其功率放大器和天线的数量是最有吸引力的研究领域之一。其中，将功率放大器和天线集成在一个模块构成有源功率放大器集成天线(amplifier integrated antenna)，是实现射频前端宽带的关键。
传统的有源功率放大器集成天线在设计时只着眼于功率放大器和天线各自本身性能，从而需要在两者之间增加额外匹配电路(功率放大器输出匹配电路和天线输入匹配网络)进行阻抗匹配后再相连，其中功率放大器输出匹配电路将功率放大器输出阻抗匹配到50Ω，天线输入匹配网络将天线输入阻抗匹配到50Ω。这不但造成有源功率放大器集成天线整体电路的面积急剧增大，设计过程复杂化，且功率放大器和天线阻抗仅在50Ω处进行匹配，不能在一个宽的范围内匹配，使有源功率放大器集成天线带宽的扩展受限，最大的带宽仅为1.5GHz左右，带宽仍然较窄，还具有较大的提升空间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种天线兼具功率放大器输出匹配电路功能，将功率放大器输出匹配网络去除，设计过程更为简单，面积较小，且具有较宽的带宽，工作频带范围为2GHz-4GHz，能保持在整个工作频带范围内，功率附加效率(PAE)大于65％，同时具有较高的增益和输出功率的宽带有源功率放大器集成天线。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种宽带有源功率放大器集成天线，包括介质基板、功率放大器和天线，所述的功率放大器和所述的天线分别设置在所述的介质基板的上表面，所述的介质基板的下表面设置有用于所述的功率放大器和所述的天线接地的接地金属层，所述的天线内部具有可变电容，所述的功率放大器工作在AB类，所述的天线通过改变其内可变电容的容值来改变其输入阻抗，使其输入阻抗在一个宽的频带范围内始终与所述的功率放大器的输出阻抗匹配。
所述的天线位于所述的功率放大器的右侧，所述的天线包括第一矩形金属块、第二矩形金属块、第三矩形金属块、第四矩形金属块、第五矩形金属块、第一电容和第二电容，所述的第一电容和所述的第二电容均为可变电容，所述的第一矩形金属块、所述的第二矩形金属块、所述的第三矩形金属块、所述的第四矩形金属块、所述的第五矩形金属块、所述的第一电容和所述的第二电容分别附着在所述的介质基板的上表面，所述的第一矩形金属块位于所述的第二矩形金属块的前侧且两者平行，所述的第三矩形金属块位于所述的第一矩形金属块和所述的第二矩形金属块的右侧，所述的第一矩形金属块的前端面与所述的第三矩形金属块的前端面齐平，所述的第一矩形金属块的右端面和所述的第二矩形金属块的右端面分别与所述的第三矩形金属块的左端面连接且呈贴合状态，所述的第四矩形金属块位于所述的第二矩形金属块的后侧，所述的第一电容位于所述的第二矩形金属块和所述的第四矩形金属块之间，所述的第二电容的两端分别与所述的第二矩形金属块和所述的第四矩形金属块连接，所述的第五矩形金属块位于所述的第三矩形金属块的后侧，所述的第二电容位于所述的第五矩形金属块和所述的第三矩形金属块之间，所述的第二电容的两端分别与所述的第五矩形金属块和所述的第三矩形金属块连接，所述的第一矩形金属块通过贯穿所述的介质基板的第一金属化通孔与所述的接地金属层连接，所述的第四矩形金属块通过贯穿所述的介质基板的第二金属化通孔与所述的接地金属层连接，所述的第二矩形金属块的左端为所述的天线的输入端，与所述的功率放大器的输出端连接。该天线结构仅通过六个矩形金属块和两个可变电容来实现，在兼具天线和功放匹配电路功夫的同时，结构简单，成本更低。
所述的功率放大器包括输入匹配网络、第一偏置电路、第二偏置电路和晶体管，所述的输入匹配网络具有输入端、偏置端和输出端，所述的输入匹配网络的输入端为所述的功率放大器的输入端，所述的输入匹配网络的输出端和所述的晶体管的栅极连接，所述的输入匹配网络的偏置端和所述的第一偏置电路的输出端连接，所述的第一偏置电路的输入端用于接入第一偏置电压，所述的晶体管的漏极和所述的第二偏置电路的输出端连接且其连接端为所述的功率放大器的输出端，所述的第二偏置电路的输入端用于接入第二偏置电压，所述的晶体管的源极接地。
所述的输入匹配网络包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第三电容、第四电容和第一电阻，所述的第一微带线的一端为所述的输入匹配网络的输入端，所述的第一微带线的另一端和所述的第三电容的一端连接，所述的第三电容的另一端和所述的第二微带线的一端连接，所述的第二微带线的另一端和所述的第三微带线的一端连接，所述的第三微带线的另一端和所述的第四微带线的一端连接，所述的第四微带线的另一端和所述的第五微带线的一端连接，所述的第五微带线的另一端分别与所述的第一电阻的一端和所述的第四电容的一端连接，所述的第四电容的另一端、所述的第一电阻的另一端和所述的第六微带线的一端连接且其连接端为所述的输入匹配网络的偏置端，所述的第六微带线的另一端为所述的输入匹配网络的输出端；所述的第一偏置电路包括第七微带线和第五电容，所述的第七微带线的一端为所述的第一偏置电路的输出端，所述的第五电容的一端接地，所述的第五电容的另一端和所述的第七微带线的另一端连接且其连接端为所述的第一偏置电路的输入端，所述的第二偏置电路包括第八微带线和第六电容，所述的第八微带线的一端为所述的第二偏置电路的输出端，所述的第六电容的一端接地，所述的第六电容的另一端和所述的第八微带线的另一端连接且其连接端为所述的第二偏置电路的输入端,所述的第二微带线的宽度小于所述的第三微带线的宽度，所述的第三微带线的宽度小于所述的第四微带线的宽度，所述的第四微带线的宽度小于所述的第五微带线的宽度。该输入匹配网络通过第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线的宽度依次增大实现阶梯匹配，更容易满足宽带的要求，另外第一电阻和第四电容并行形成RC稳定网络，使电路在工作时保持稳定，防止信号产生振荡。
所述的第一电容的可变容值范围为0pf-1pf，所述的第二电容的可变容值范围为0pf-1pf，所述的第一矩形金属块沿左右方向的长度为13.8mm，沿前后方向的长度为1.7mm，所述的第二矩形金属块沿左右方向的长度为18.9mm，沿前后方向的长度为3.3mm，所述的第三矩形金属块沿左右方向的长度为2.3mm，沿前后方向的长度为12.8mm，所述的第五矩形金属块沿左右方向的长度为4.2mm，沿前后方向的长度为2.4mm；所述的第一微带线的长度L1为3.6mm，宽度W1为1.7mm；所述的第二微带线的长度L2为1mm，宽度W2为2.8mm；所述的第三微带线的长度L3为1mm，宽度W3为3.2mm；所述的第四微带线的长度L4为1mm，宽度W4为4.3mm；所述的第五微带线的长度L5为1mm，宽度W5为6.9mm；所述的第六微带线的长度L6为2.6mm，宽度W6为4.9m；所述的第七微带线的长度L7为1mm，宽度W8为0.5mm；所述的第八微带线的长度L8为1mm，宽度W8为0.5mm，所述的第三电容的容值为8.1pF，所述的第四电容的容值为13pF，所述的第一电阻的阻值为70Ω；所述的介质基板的厚度为0.762mm，沿左右方向的长度为54.5mm，沿前后方向的宽度为44.2mm，所述的金属接地层的前端面与所述的介质基板的前端面齐平，所述的金属接地层的后端面与所述的介质基板的后端面齐平，所述的金属接地层的左端面与所述的介质基板的左端面齐平，所述的金属接地层沿左右方向的长度为36.9mm，所述的沿前后方向的宽度为44.2mm。
所述的介质基板为矩形板，材料为Rogers 4350b，介电常数为3.66，损耗正切为0.004。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过在天线内部设置可变电容，并使功率放大器工作在AB类，天线通过改变其内可变电容的容值来改变其输入阻抗，使其输入阻抗在一个宽的频带范围内始终与功率放大器的输出阻抗匹配，由此天线兼具功率放大器输出匹配电路功能，将功率放大器输出匹配网络去除，设计过程更为简单，面积较小，且具有较宽的带宽，对本发明进行仿真，仿真结果表明本发明工作频带范围为2GHz-4GHz，能保持在整个工作频带范围内，功率附加效率(PAE)大于65％，同时具有较高的增益和输出功率。
附图说明
图1为本发明的一种宽带有源功率放大器集成天线的结构示意图；
图2为本发明的一种宽带有源功率放大器集成天线的仰视图；
图3为本发明的一种宽带有源功率放大器集成天线的天线的俯视图；
图4为本发明的一种宽带有源功率放大器集成天线的天线的功率放大器的电路图；
图5为本发明的一种宽带有源功率放大器集成天线的天线的带宽随电容变化图；
图6为本发明的一种宽带有源功率放大器集成天线的天线的EIRP随频率变化图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：如图1和图2所示，一种宽带有源功率放大器集成天线，包括介质基板1、功率放大器2和天线3，功率放大器2和天线3分别设置在介质基板1的上表面，介质基板1的下表面设置有用于功率放大器2和天线3接地的接地金属层4，天线3内部具有可变电容，功率放大器2工作在AB类，天线3通过改变其内可变电容的容值来改变其输入阻抗，使其输入阻抗在一个宽的频带范围内始终与功率放大器2的输出阻抗匹配。
如图3所示，本实施例中，天线3位于功率放大器2的右侧，天线3包括第一矩形金属块31、第二矩形金属块32、第三矩形金属块33、第四矩形金属块34、第五矩形金属块35、第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1和第二电容C2均为可变电容，第一矩形金属块31、第二矩形金属块32、第三矩形金属块33、第四矩形金属块34、第五矩形金属块35、第一电容C1和第二电容C2分别附着在介质基板1的上表面，第一矩形金属块31位于第二矩形金属块32的前侧且两者平行，第三矩形金属块33位于第一矩形金属块31和第二矩形金属块32的右侧，第一矩形金属块31的前端面与第三矩形金属块33的前端面齐平，第一矩形金属块31的右端面和第二矩形金属块32的右端面分别与第三矩形金属块33的左端面连接且呈贴合状态，第四矩形金属块34位于第二矩形金属块32的后侧，第一电容C1位于第二矩形金属块32和第四矩形金属块34之间，第二电容C2的两端分别与第二矩形金属块32和第四矩形金属块34连接，第五矩形金属块35位于第三矩形金属块33的后侧，第二电容C2位于第五矩形金属块35和第三矩形金属块33之间，第二电容C2的两端分别与第五矩形金属块35和第三矩形金属块33连接，第一矩形金属块31通过贯穿介质基板1的第一金属化通孔5与接地金属层4连接，第四矩形金属块34通过贯穿介质基板1的第二金属化通孔6与接地金属层4连接，第二矩形金属块32的左端为天线3的输入端，与功率放大器2的输出端连接。
本实施例中，功率放大器2包括输入匹配网络、第一偏置电路、第二偏置电路和晶体管，输入匹配网络具有输入端、偏置端和输出端，输入匹配网络的输入端为功率放大器2的输入端，输入匹配网络的输出端和晶体管的栅极连接，输入匹配网络的偏置端和第一偏置电路的输出端连接，第一偏置电路的输入端用于接入第一偏置电压，晶体管的漏极和第二偏置电路的输出端连接且其连接端为功率放大器2的输出端，第二偏置电路的输入端用于接入第二偏置电压，晶体管的源极接地。
如图4所示，本实施例中，输入匹配网络包括第一微带线7、第二微带线8、第三微带线9、第四微带线10、第五微带线11、第六微带线12、第三电容C3、第四电容C4和第一电阻R1，第一微带线7的一端为输入匹配网络的输入端，第一微带线7的另一端和第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端和第二微带线8的一端连接，第二微带线8的另一端和第三微带线9的一端连接，第三微带线9的另一端和第四微带线10的一端连接，第四微带线10的另一端和第五微带线11的一端连接，第五微带线11的另一端分别与第一电阻R1的一端和第四电容C4的一端连接，第四电容C4的另一端、第一电阻R1的另一端和第六微带线12的一端连接且其连接端为输入匹配网络的偏置端，第六微带线12的另一端为输入匹配网络的输出端；第一偏置电路包括第七微带线13和第五电容C5，第七微带线13的一端为第一偏置电路的输出端，第五电容C5的一端接地，第五电容C5的另一端和第七微带线13的另一端连接且其连接端为第一偏置电路的输入端，第二偏置电路包括八微带线14和第六电容C6，八微带线14的一端为第二偏置电路的输出端，第六电容C6的一端接地，第六电容C6的另一端和八微带线14的另一端连接且其连接端为第二偏置电路的输入端，第二微带线8的宽度小于第三微带线9的宽度，第三微带线9的宽度小于第四微带线10的宽度，第四微带线10的宽度小于第五微带线11的宽度。
本实施例中，第一电容C1的可变容值范围为0pf-1pf，第二电容C2的可变容值范围为0pf-1pf，第一矩形金属块31沿左右方向的长度为13.8mm，沿前后方向的长度为1.7mm，第二矩形金属块32沿左右方向的长度为18.9mm，沿前后方向的长度为3.3mm，第三矩形金属块33沿左右方向的长度为2.3mm，沿前后方向的长度为12.8mm，第五矩形金属块35沿左右方向的长度为4.2mm，沿前后方向的长度为2.4mm；第一微带线7的长度L1为3.6mm，宽度W1为1.7mm；第二微带线8的长度L2为1mm，宽度W2为2.8mm；第三微带线9的长度L3为1mm，宽度W3为3.2mm；第四微带线10的长度L4为1mm，宽度W4为4.3mm；第五微带线11的长度L5为1mm，宽度W5为6.9mm；第六微带线12的长度L6为2.6mm，宽度W6为4.9m；第七微带线13的长度L7为1mm，宽度W8为0.5mm；第八微带线14的长度L8为1mm，宽度W8为0.5mm，第三电容C3的容值为8.1pF，第四电容C4的容值为13pF，第一电阻R1的阻值为70Ω；介质基板1的厚度为0.762mm，沿左右方向的长度为54.5mm，沿前后方向的宽度为44.2mm，金属接地层4的前端面与介质基板1的前端面齐平，金属接地层4的后端面与介质基板1的后端面齐平，金属接地层4的左端面与介质基板1的左端面齐平，金属接地层4沿左右方向的长度为36.9mm，沿前后方向的宽度为44.2mm。
本实施例中，介质基板1为矩形板，材料为Rogers 4350b，介电常数为3.66，损耗正切为0.004。
为验证本发明的宽带有源功率放大器的性能，对本发明的宽带有源功率放大器进行仿真，其中本发明的一种宽带有源功率放大器集成天线的天线的的带宽随电容变化曲线如图5所示，本发明的一种宽带有源功率放大器集成天线的天线的的EIRP随频率变化曲线如图6所示。分析图5可知，本实施例中天线的输入阻抗和功放的输出阻抗达到了匹配，本发明的宽带有源功率放大器的频带为在2GHz-4GHz，带宽为2GHz，具有很高的功率附加效率(PAE)，从纵坐标可以看出，随着第一电容C1和第二电容C2的容值变化,在(2GHz-4GHz)带宽内，本发明依然保持大于65％的功率附加效率(PAE)。分析图6可知：本实施例中天线的输入阻抗和功放的输出阻抗在2GHz-4GHz整个频带都能达到匹配，本发明的宽带有源功率放大器的等效全向辐射功率(EIRP)在2GHz-4GHz整个频带都在40dBm以上，具有很高的输出功率和增益。

Claims (6)

1.一种宽带有源功率放大器集成天线，包括介质基板、功率放大器和天线，所述的功率放大器和所述的天线分别设置在所述的介质基板的上表面，所述的介质基板的下表面设置有用于所述的功率放大器和所述的天线接地的接地金属层，其特征在于所述的天线内部具有可变电容，所述的功率放大器工作在AB类，所述的天线通过改变其内可变电容的容值来改变其输入阻抗，使其输入阻抗在一个宽的频带范围内始终与所述的功率放大器的输出阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的一种宽带有源功率放大器集成天线，其特征在于所述的天线位于所述的功率放大器的右侧，所述的天线包括第一矩形金属块、第二矩形金属块、第三矩形金属块、第四矩形金属块、第五矩形金属块、第一电容和第二电容，所述的第一电容和所述的第二电容均为可变电容，所述的第一矩形金属块、所述的第二矩形金属块、所述的第三矩形金属块、所述的第四矩形金属块、所述的第五矩形金属块、所述的第一电容和所述的第二电容分别附着在所述的介质基板的上表面，所述的第一矩形金属块位于所述的第二矩形金属块的前侧且两者平行，所述的第三矩形金属块位于所述的第一矩形金属块和所述的第二矩形金属块的右侧，所述的第一矩形金属块的前端面与所述的第三矩形金属块的前端面齐平，所述的第一矩形金属块的右端面和所述的第二矩形金属块的右端面分别与所述的第三矩形金属块的左端面连接且呈贴合状态，所述的第四矩形金属块位于所述的第二矩形金属块的后侧，所述的第一电容位于所述的第二矩形金属块和所述的第四矩形金属块之间，所述的第二电容的两端分别与所述的第二矩形金属块和所述的第四矩形金属块连接，所述的第五矩形金属块位于所述的第三矩形金属块的后侧，所述的第二电容位于所述的第五矩形金属块和所述的第三矩形金属块之间，所述的第二电容的两端分别与所述的第五矩形金属块和所述的第三矩形金属块连接，所述的第一矩形金属块通过贯穿所述的介质基板的第一金属化通孔与所述的接地金属层连接，所述的第四矩形金属块通过贯穿所述的介质基板的第二金属化通孔与所述的接地金属层连接，所述的第二矩形金属块的左端为所述的天线的输入端，与所述的功率放大器的输出端连接。
3.根据权利要求2所述的一种宽带有源功率放大器集成天线，其特征在于所述的功率放大器包括输入匹配网络、第一偏置电路、第二偏置电路和晶体管，所述的输入匹配网络具有输入端、偏置端和输出端，所述的输入匹配网络的输入端为所述的功率放大器的输入端，所述的输入匹配网络的输出端和所述的晶体管的栅极连接，所述的输入匹配网络的偏置端和所述的第一偏置电路的输出端连接，所述的第一偏置电路的输入端用于接入第一偏置电压，所述的晶体管的漏极和所述的第二偏置电路的输出端连接且其连接端为所述的功率放大器的输出端，所述的第二偏置电路的输入端用于接入第二偏置电压，所述的晶体管的源极接地。
4.根据权利要求3所述的一种宽带有源功率放大器集成天线，其特征在于所述的输入匹配网络包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线、第三电容、第四电容和第一电阻，所述的第一微带线的一端为所述的输入匹配网络的输入端，所述的第一微带线的另一端和所述的第三电容的一端连接，所述的第三电容的另一端和所述的第二微带线的一端连接，所述的第二微带线的另一端和所述的第三微带线的一端连接，所述的第三微带线的另一端和所述的第四微带线的一端连接，所述的第四微带线的另一端和所述的第五微带线的一端连接，所述的第五微带线的另一端分别与所述的第一电阻的一端和所述的第四电容的一端连接，所述的第四电容的另一端、所述的第一电阻的另一端和所述的第六微带线的一端连接且其连接端为所述的输入匹配网络的偏置端，所述的第六微带线的另一端为所述的输入匹配网络的输出端；所述的第一偏置电路包括第七微带线和第五电容，所述的第七微带线的一端为所述的第一偏置电路的输出端，所述的第五电容的一端接地，所述的第五电容的另一端和所述的第七微带线的另一端连接且其连接端为所述的第一偏置电路的输入端，所述的第二偏置电路包括第八微带线和第六电容，所述的第八微带线的一端为所述的第二偏置电路的输出端，所述的第六电容的一端接地，所述的第六电容的另一端和所述的第八微带线的另一端连接且其连接端为所述的第二偏置电路的输入端,所述的第二微带线的宽度小于所述的第三微带线的宽度，所述的第三微带线的宽度小于所述的第四微带线的宽度，所述的第四微带线的宽度小于所述的第五微带线的宽度。
5.根据权利要求4所述的一种宽带有源功率放大器集成天线，其特征在于所述的第一电容的可变容值范围为0pf-1pf，所述的第二电容的可变容值范围为0pf-1pf，所述的第一矩形金属块沿左右方向的长度为13.8mm，沿前后方向的长度为1.7mm，所述的第二矩形金属块沿左右方向的长度为18.9mm，沿前后方向的长度为3.3mm，所述的第三矩形金属块沿左右方向的长度为2.3mm，沿前后方向的长度为12.8mm，所述的第五矩形金属块沿左右方向的长度为4.2mm，沿前后方向的长度为2.4mm；所述的第一微带线的长度L1为3.6mm，宽度W1为1.7mm；所述的第二微带线的长度L2为1mm，宽度W2为2.8mm；所述的第三微带线的长度L3为1mm，宽度W3为3.2mm；所述的第四微带线的长度L4为1mm，宽度W4为4.3mm；所述的第五微带线的长度L5为1mm，宽度W5为6.9mm；所述的第六微带线的长度L6为2.6mm，宽度W6为4.9m；所述的第七微带线的长度L7为1mm，宽度W8为0.5mm；所述的第八微带线的长度L8为1mm，宽度W8为0.5mm，所述的第三电容的容值为8.1pF，所述的第四电容的容值为13pF，所述的第一电阻的阻值为70Ω；所述的介质基板的厚度为0.762mm，沿左右方向的长度为54.5mm，沿前后方向的宽度为44.2mm，所述的金属接地层的前端面与所述的介质基板的前端面齐平，所述的金属接地层的后端面与所述的介质基板的后端面齐平，所述的金属接地层的左端面与所述的介质基板的左端面齐平，所述的金属接地层沿左右方向的长度为36.9mm，沿前后方向的宽度为44.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种宽带有源功率放大器集成天线，其特征在于所述的介质基板为矩形板，材料为Rogers 4350b，介电常数为3.66，损耗正切为0.004。
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