一种改进的有源集成天线设计方法

杨思磊 金荣洪 耿军平 柳良 王堃 丁子恒 周晗 樊婷婷

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

引 言

随着通信技术的广泛应用以及频谱资源的日趋紧张，人们对高性能无线传输的需求日益迫切，急需高性能高集成的多频多功能系统.有源天线和传统无源天线相比，具有宽频带、高增益和小型化等诸多优势，受到射频研究者的广泛关注.

目前已有很多人在有源集成天线方面做了很多有价值的研究和设计[1-8].文献[4-5]中，通过多模块化仿真，独立设计了超宽带天线和有源电路，实现了超宽带有源集成天线设计，大幅提高了宽带无源天线的增益和信噪比.文献[6-8]采用一体化协同设计的方法，通过巧妙设计有源电路和天线的级联端口阻抗，将天线和电路直接级联，得到了紧凑的有源集成天线，并提升了系统的可靠性.上述设计中，由于有源电路的引入，使得有源集成天线的仿真设计方法变得更为复杂.目前有源集成天线的仿真设计方法主要包括：基于等效电路的场路协同仿真方法和基于多模块散射参数的场路协同方法.基于等效电路的场路协同仿真方法借助等效电路模型能够对有源集成天线在电路环境下进行全局求解，但是电路环境下不能对有源集成天线的远场辐射特性进行验证.基于多模块散射参数的场路协同方法往往是把天线和无源电路等模块在电磁场仿真软件中计算，然后封装成多端口网络，再导入到电路仿真软件(如ADS)中进行包含有源电路的系统级仿真设计.这个过程中很难把有源器件对无源部分的影响完整考虑进去，因此需要在场仿真和路仿真之间进行多次迭代才可能收敛，甚至还要通过实验测试修正才能进行设计.显然这些设计方法很难对其特性进行全面、精准的仿真计算，只有通过加工测试才能完整地验证有源集成天线的诸多特性，最终的测试结果难免和设计指标存在一定的误差[9].

电磁仿真软件CST提供了设计工作室(design environment, DS)和微波工作室(microwave studio,MWS)的联仿功能，能够把有源器件的时域模型引入到有源集成天线三维电磁仿真环境中直接求解，得到有源集成系统的响应特性，无需多次迭代.在此基础上，本文通过在有源集成天线模型中把有源模块正反接入替换实现远场辐射特性计算；并引入零阻抗的虚拟端口，实现有源集成天线的双端口网络模型等效变换，在电路仿真软件ADS中更准确地计算有源电路的参数特性.解决了当前有源集成天线设计中难以对远场辐射特性仿真和难以全面分析有源集成天线性能等问题.基于上述分析模型，本文提出一种改进的有源集成天线的设计方法，能够仿真有源集成天线的辐射特性和较全面地分析设计有源集成天线的各项性能指标.

1 改进的有源集成天线设计方法

针对现有的仿真设计方法很难对有源集成天线特性进行全面、精准仿真计算的问题，本文通过建立两种仿真分析模型，实现对有源集成天线的远场辐射特性仿真和精准的有源电路特性参数仿真，在此基础上，提出了一种改进的有源集成天线设计方法，设计中能实现快速收敛.

1.1 有源集成天线的辐射特性仿真

CST提供了电磁仿真的MWS模块和电路仿真的DS模块，如图1中所示，DS和MWS两者结合可以实现对有源集成天线系统的一体化时域瞬态场路联合仿真.

图1 仿真模型Fig.1 Simulation model

但是当仿真有源接收天线时，接收通道的有源器件是低噪声放大器(low noise amplifier, LNA)，如图2(a)所示，由于单向因果特性，此时只能查看有源集成天线的输出端口阻抗匹配特性，无法得到天线的辐射特性.如果想要得到有源集成天线的辐射特性，发射通道的有源器件为功率放大器(power amplifier, PA)，同样因为单向因果特性，可以直接求解远场辐射特性[8].因此当我们在仿真有源接收天线的辐射特性时，可以通过把有源器件的二端口网络模型的两个端口反向连接，如图2(b)所示，并相应改变链路中的阻抗变换器设计，使有源模块在接收和发射两种情况下的工作状态保持一致.此时有源器件工作在PA模式，可以求解辐射特性.

图2 仿真有源接收天线时接收/发射等效变换原理图Fig.2 Schematic diagram of receiving/transmitting equivalent transformation

1.2 有源电路特性的精准协同仿真

原有的单端口有源集成天线网络是无法得到有源电路的噪声系数和增益特性的.传统的多模块场路协同仿真中，为了获取有源电路的增益和噪声特性，通常是在场仿真中专门针对有源电路进行仿真，并将结果保存为SNP文件导入ADS中和有源器件S参数模型构成二端口网络，然后采用固定的Term端口阻抗计算有源电路的噪声和增益特性.但是由于端口阻抗设置和器件的实际情况不符，将在有源集成天线的整体设计过程中引入误差，且在高集成化的多频设计[9]中每个频段的阻抗值可能不同，往往还需要反复设置Term端口阻抗来计算不同频段的工作特性.

为了实现紧凑的多频有源集成天线设计，需要对有源电路的整体噪声特性和增益特性进行准确的仿真计算.首先，在ADS中通过给无源天线的S1P模型加入一个参考阻抗无穷小(约等于0)的参考端口，把无源天线的S1P模型改造成二端口网络，如图3所示.在ADS中仿真验证表明，只要参考阻抗相比于天线本身端口阻抗足够小(如参考阻抗/天线端口阻抗≤1/100)，这样的改变对天线模型端口1阻抗特性的影响极为微小，在本文的应用中可以忽略.

图3 二端口网络构建过程Fig.3 Construction process of a two-port network

如图4所示，通过上述改造的无源天线二端口网络，在ADS中构建两条计算链路，基于ADS中对双端口链路的增益和噪声系数的计算结果，进一步处理就可以更准确地辅助计算有源集成天线设计中的有源电路的噪声和增益特性.

图4 ADS中仿真分析原理图Fig.4 Schematic diagram of simulation analysis in ADS

当仿真设计有源接收天线时可以通过下列公式计算有源电路的噪声系数NAC和 增益GAC：

式中：Nf2和Nf4分别是图4中的Term2和Term4端口在ADS中仿真得到的噪声系数；S21和S43分别为图4中无源天线和有源天线的正向传输系数，单位dB.

1.3 改进的有源集成天线设计方法

基于有源集成天线的辐射特性仿真和有源电路特性的精准协同仿真，下面介绍一种改进的有源集成天线设计方法.

首先明了设计准则，并完成有源接收天线和等效反向有源发射天线共用的无源天线和有源模块的设计.其次应当以有源模块的工作特性一致为前提，分别设计接收和发射两条不同链路所需的多频阻抗变化器.然后在完成三大基本模块设计以后，分别仿真有源接收链路和反向的有源集成发射天线的各项特性.其中仿真有源接收链路时，通过CST的时域瞬态仿真功能获取有源集成天线整体的输出端口阻抗特性，通过有源电路特性的精准协同仿真方法获取有源电路参数.同时同样通过CST的时域瞬态仿真功能仿真反向有源集成发射天线，获取远场辐射特性.

在设计中，可以在电磁环境下仿真验证有源集成接收天线中无源天线和阻抗变换器级联后的输出端端口阻抗ZRin，以及反向变换的有源集成发射天线中50 Ω特征阻抗值经过阻抗变换器后的端口阻抗ZTin.ZRin和ZTin分别对应两条链路中输入信号到有源模块输入端的阻抗，它们的阻抗是否一致能够反映有源模块在两个链路中工作状态是否一致.但是仅仅使有源模块的工作状态在两条链路中一致，并不能保证此时有源模块的工作特性符合设计预期，只有当有源集成发射天线的增益特性与无源天线的增益和有源模块选定的源端阻抗点对应的增益值(既有源模块的增益预期值)之和是吻合的，此时反向变换的有源发射天线的辐射特性才能够表征我们预期的有源接收天线的远场辐射特性.

在仿真有源接收天线链路中的各项参数时，同样需要不断验证仿真结果是否符合预期值，并向着预期值进行优化.

在有源接收天线链路和反向变换的有源发射天线链路中的各项特性参数都符合设计预期以后，可以检验是否达到设计准则.如果达到，就完成设计；如果没有达到，也可以通过上述的各部分特性仿真去查找问题所在，重新对阻抗变换器进行优化设计，直至满足设计准则.

上述改进的协同仿真设计方法，在仿真阶段可对有源集成天线各项特性进行验证分析，通过优化设计实现不同准则要求下的有源集成天线设计.设计流程如图5所示.

图5 有源集成天线设计流程Fig.5 Active integrated antenna design process

2 基本模块设计

如图2中所示，有源集成天线主要由天线、有源模块和阻抗变换器构成.首先对这三个基本模块进行初步设计，后文中将在这些基本模块的基础上，对部分模块做一定的改动来完成不同准则的有源集成天线设计，验证本文改进的有源集成天线设计方法.

2.1 无源天线设计

本文采用一个简单的多频二元阵作为无源天线部分来验证改进的设计方法.天线结构如图6(a)～(d)所示.上边三层印刷在介质板上的金属贴片依据堆叠法设计，之间通过直径1.2 mm的探针耦合馈电[10-12].天线最终几何结构参数如表1所示.其中层1和层4使用的是Rogers RO4350 B，介电常数为3.48，损耗角正切为0.003 7，厚度分别为H1和H4.层2和层3使用的是FR4，介电常数为4.3，损耗角正切为0.02，厚度分别为H2和H3.同时本文采用多频阻抗变换原理将无源部分和有源部分进行高集成化的一体化设计，使用电磁仿真软件CST仿真该天线，天线的端口阻抗随频率变化曲线如图7(a)所示，天线的等效热噪声温度和增益随频率变化曲线如图7(b)所示.

图6 无源天线结构不同方位视图Fig.6 Views of passive antenna structure in different directions

表1 无源天线结构参数表Tab.1 Characteristic structure parameters of passive antenna mm

图7 无源天线不同指标仿真结果Fig.7 Simulation results of different passive antenna parameters

2.2 有源模块设计

本文采用MACOM公司的MAAL-011078低噪声管设计有源模块.在输出端并联有耗电路，通过选择合适的L、C参数在不同频段产生谐振点，结合合适的电阻R增加电阻性损耗，调谐有源模块的工作特性，实现不同准则要求下的有源集成天线设计.有源模块的原理图如图8.

图8 有源模块原理图Fig.8 Active circuit schematic

设计中主要是通过改变有耗枝节数调整工作频带内(L、S、C三个波段)的增益特性，通过微调有耗电路中电阻值对工作频段的增益进行微调.有耗电路枝节数是影响整体特性的主要因素，因此使用具有相同参数的枝节为初始值，其中C、L和R分别为100 nF、1.6 nH和66 Ω，对具有不同枝节数的有源模块进行仿真，结果如图9所示.可以看出，在输出端增加不同数量的有耗枝节，能够有效调节有源模块的低频增益，改善电路稳定性且仅对输出端的噪声系数造成轻微影响.该仿真结果为下文设计中有源模块的结构选择提供了初始依据，简化了设计过程.

图9 不同枝节数有耗电路的参数随频率变化仿真结果Fig.9 Simulation results of different active modules with different branch numbers

2.3 多频阻抗变换器设计

本文基于参考文献[13-14]中多频复阻抗变换原理和基于最小二乘法的多频阻抗变换原理来设计多频阻抗变换器，把无源天线和有源模块的级联端口良好匹配，实现整体化设计，提升有源天线的性能和集成度，并把有源模块的输出端匹配到50 Ω特征阻抗.

如图2(a)所示，在有源接收天线的设计中，从天线接收信号到最终有源模块输出信号，链路一共设计两个多频阻抗变换器：无源天线的单端口阻抗Zant和有源模块的输入阻抗通过多频复数-复数的阻抗变换器[14]，实现理想匹配；有源模块输出端采用基于最小二乘法的多频阻抗变换原理设计一个多频复数-实数的阻抗变换器，把有源模块的输出阻抗Zout变换到50 Ω的特征阻抗.

为了实现远场辐射特性仿真，设计如图2(b)中的等效反向发射链路中的两个阻抗变换器.和上文接收链路中不同的是，这里是将天线的单端口阻抗Zant和有源模块的输出阻抗Zout通过多频阻抗变换[14]实现理想匹配；而在有源模块的输入端则采用基于最小二乘法的多频阻抗变换原理把50 Ω的特征阻抗变换到有源模块的输入阻抗

为了保证有源模块在正向和反向接入时工作特性近似一致，图2中的阻抗变换器1和阻抗变换器4，应当通过严格的解析计算(Matlab)和完善的场路联合仿真验证前级端口阻抗(无源天线端口阻抗、50 Ω标准特征阻抗)是否经过阻抗变换器后一致变换到符合设计要求的源端阻抗

3 有源集成天线设计

在不同的应用领域里对有源集成天线有着不同的准则要求.某些应用中，对信号动态范围有着较高的要求，而另一些应用中则对接收性能有着严格的要求.因此本文采用上文中的基本模块，即在目前通信中比较常用的sub-6G频段，分别设计满足增益均衡和G/T值均衡的多频有源集成天线来验证本文的设计方法，中心频点分别为L、S和C波段的1.2 GHz、2.4 GHz和5.8 GHz.

3.1 基于增益均衡的多频有源天线设计

本文依据低噪声模块和无源天线参数特性，设计了增益值在多个频带内满足25 dB的高性能有源接收天线.把图7(b)中的无源天线增益和图9(a)中的有源模块的增益分别叠加，比较不同枝节数时的增益和，最终选择使用2枝节有耗电路来均衡三个频段的增益特性，同时使有源电路达到稳定状态.

首先，依据选定的有源模块的端口阻抗，设计反向接入所需的多频阻抗变换器，并将完整的等效反向发射有源集成天线结构在电磁仿真软件CST的DS和MWS中仿真，对有耗电路中的电阻值进行参数分析.仿真结果如图10(a)所示，当R1=66 Ω、R2=43 Ω时，在1.2 GHz、2.4 GHz和5.8 GHz处增益分别达到了26.6 dB、25.8 dB和25.8 dB，工作频带内呈现出增益均衡特性，因此选定该有源模块.

图10 基于增益均衡的多频有源集成天线设计和仿真结果Fig.10 Design and simulation results of the multi-frequency active integrated antenna based on gain equalization

根据选定的有源模块设计正向接收时的阻抗变换器，构成完整的有源电路.如图10(d)中结构所示，底部有源电路中引入共面波导结构减小耦合的影响，并基于改进的有源电路特性协同仿真方法进行仿真分析，结果如图10中(b)和(c)所示.把图10(b)中的有源电路和无源天线的增益相加计算有源接收天线的增益，可见该增益和图10(a)中等效发射有源集成天线增益吻合，验证了辐射特性的有效性.

在电磁仿真软件CST中对有源接收天线的完整结构进行仿真，回波特性如图10(d)所示，在三个工作频带内回波特性良好.基于增益均衡的有源集成天线特性参数如表2所示.

表2 基于增益均衡的有源集成天线特性参数Tab.2 Characteristic parameters of the active integrated antenna based on gain equalization

其中在计算该天线的G/T值时，因为本文采用了高集成化的设计方法，将其视作一个整体，文中重新定义了G/T值[15]:

式中：NF是 整个有源电路的噪声系数，单位dB；Ta是无源天线的辐射热噪声温度，TAIA是有源集成天线的整体噪声温度，单位都是K；GAIA是有源集成天线的增益.

3.2 基于G/T值均衡的多频有源天线仿真设计

同样使用上文中的二元阵结构来设计基于G/T值均衡的多频有源接收天线.考虑到有源器件通常在高频处增益特性和噪声特性最差，因此本文以高频5.8 GHz处的G/T值为标准，设计G/T值均衡的多频有源接收天线.

使用上文中的两种分析模型，按照本文改进的设计方法，分析具有不同有耗枝节数的等效发射有源集成天线的整体增益特性，并计算对应的有源接收天线中有源电路的噪声系数，使用这些参数结合无源天线的噪声特性对不同枝节数时的有源接收天线设计的G/T值进行计算，计算结果如图11(a)所示.最终选择3枝节有耗电路来均衡三个频段的G/T值并使电路稳定，其中有耗电路的参数为初始值.

图11 基于G/T值均衡的多频有源集成天线设计和仿真结果Fig.11 Design and simulation results of the multi-frequency active integrated antenna based on G/T value equalization

根据选定的有源模块完成正向接收的有源电路设计和有源接收天线设计，如图11(d)中结构所示，底部有源电路中引入共面波导结构减小耦合的影响，有源接收天线的回波特性如图11(d)所示，在三个工作频带内回波特性良好，在1.2 GHz、2.4 GHz和5.8 GHz处计算的G/T值依次为4.8 dB/K、5.1 dB/K和4.8 dB/K，满足设计要求.有源集成天线特性参数如表3.

表3 基于G/T值均衡有源集成天线特性参数表Tab.3 Characteristic parameters of the active integrateed antenna based on G/T value equalization

4 G/T值均衡的有源天线验证

加工实物如图12所示，并测试有源集成天线的参数特性.在测试过程中，使用四块高频吸波板搭建了一个底部铺设和三面环绕的开放式的测试环境.

图12 有源天线实物图Fig.12 Prototype of the active antenna

图13(a)～(c)为测试的多频有源接收天线的增益方向图，由于测试环境不理想，可以看到每个频点的方向图都有一定偏差，1.2 GHz和2.4 GHz偏差较大，而在5.8 GHz偏差较小.这主要是由于吸波板是针对Ku波段定制的，其低频吸收特性不佳，在1.2 GHz和2.4 GHz多径效应明显，同时环境中Wi-Fi信号也对2.4 GHz和5.8 GHz的测试带来一定干扰，但是因为使用的吸波材料对高频吸收特性更好，因此在5.8 GHz受到的影响也最小.

图13 多频有源接收天线方向图测试结果Fig.13 Multi-frequency active receiving antenna pattern test results

由图14(a)可知，在1.2 GHz和2.4 GHz，多频有源接收天线的增益和G/T值与仿真设计结果基本吻合，分别为25.9 dB、24.8 dB和4.3 dB/K、3.7 dB/K，而在5.8 GHz增益和G/T值与仿真预期相比偏差较大.考虑可能是由于所选用的晶体管工作范围为700 MHz～6 GHz，5.8 GHz处于晶体管芯片工作区的边缘，因此特性不好，趋于上限.后期通过测试发现有源电路在5.8 GHz处匹配良好的情况下，增益为12～13 dB，与使用厂家提供器件的S参数模型仿真结果16.4 dB相比，减小了约4 dB，同时噪声系数接近2.6 dB，比仿真结果恶化了1 dB以上，如果加上这大约4 dB的损失，有源接收天线在5.8 GHz的增益约等于26.9 dB增益；考虑晶体管本身在工作频段的边缘由于特性不佳对噪声带来的恶化，有源接收天线在5.8 GHz的G/T值应当是大于3，且如图14(b)所示，回波特性良好，测试和仿真总体趋势是一致的.将其G/T值性能和文献中的几种设计在同样的计算方式下进行比较，结果如表4所示.可以看出，本文基于改进仿真方法设计的有源接收天线性能表现良好，具有高的增益、高的频带利用率和高的G/T值.

表4 与其他文献计算结果比较Tab.4 Comparison with other literatures

图14 多频有源接收天线实测结果Fig.14 Multi-frequency active receiving antenna measured results

5 结 论

本文基于CST的DS和MWS模块提供的时域瞬态场路协同仿真平台，通过在有源集成天线模型中把有源模块正反接入替换实现远场辐射特性计算；通过引入零阻抗的虚拟端口，实现有源集成天线的双端口网络模型等效变换，并在此基础上改进了有源集成天线设计方法.用此方法分别设计了基于增益均衡和G/T值均衡的多频有源集成天线，并对后者进行了加工测试验证.测试结果和仿真结果趋势一致，表明改进的有源集成天线仿真设计方法能够在不同约束准则下高效快捷准确地设计有源集成天线.