CN110224220A - 一种无线***用高效率有源天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线***用高效率有源天线，包括介质板、功率放大电路和天线辐射结构，功率放大电路包括功放芯片、功放输入阻抗匹配网络和直流偏置与功放稳定电路，天线辐射结构包括传输线和天线辐射与谐波控制结构，传输线附着在介质板的上表面，传输线的一端与功芯片的输出端直接相连，天线辐射与谐波控制结构设置在金属接地层上，天线辐射与谐波控制结构能够将功放芯片的输出信号中的基模信号辐射出去、使功放芯片的输出信号中的二次谐波信号呈短路特性以及使功放芯片的输出信号中的三次谐波信号呈开路特性；优点是在具有高效率的同时，尺寸较小，可以降低发射机整体电路占用尺寸、损耗和寄生干扰，提升发射机整体性能。

Description

一种无线***用高效率有源天线
技术领域
本发明涉及一种有源天线，尤其是涉及一种无线***用高效率有源天线。
背景技术
随着通信和雷达等无线技术的快速发展，通信和雷达等无线***往往需要支持多功能或多模式工作，由此导致无线***的发射机的硬件架构部分面临着电路复杂、尺寸和内部寄生干扰大等问题。以功率放大器和天线作为主体部件的有源天线为无线***的发射机的核心和必不可少部分，其内部部件之间的级联方式和性能对整个发射机起着至关重要作用。
传统的有源天线中，功率放大器和天线分别采用独立模块设计(各自匹配到50Ω)后再直接互联。为提升发射机整体能效，功率放大器一般采用E或F类等高效率功放模式。因此，由功率放大器和天线构成的传统的有源天线级联方式中除了由功放芯片、功放芯片直流偏置与稳定电路和功放芯片输入端阻抗匹配网络构成的功率放大器和天线之外，在功放芯片输出端和天线之间还存在功放芯片输出谐波控制网络、功放芯片输出阻抗匹配网络和天线阻抗匹配网络这三个无源网络。这三个无源网络不仅占用了较大的空间尺寸(导致发射机电路尺寸增大)，而且无源网络自身的损耗降低了发射机的整体效率。此外，随着无线***工作频率的升高，处在高功率激励下(功放输出端的输出功率较大)的无源网络产生的寄生辐射会急剧加大发射机内部的寄生干扰。
通信和雷达等无线***中发射机需要覆盖较大的工作带宽，以满足高速率数据传输的需要。如第五代移动通信***在6GHz以下范围内分配的工作带来就可达到200MHz(如3.4-3.6GHz)；将来毫米波频段引入后，通信和雷达等无线***的工作带宽将达到上GHz。当前传统的有源天线内部级联方式存在的诸多弊端大大影响了无线***的发射机的性能。
鉴此，设计一种无线***用高效率有源天线，对于降低发射机整体电路占用尺寸、损耗和寄生干扰，提升发射机整体性能具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无线***用高效率有源天线，该无线***用高效率有源天线在具有高效率的同时，尺寸较小，可以降低发射机整体电路占用尺寸、损耗和寄生干扰，提升发射机整体性能。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种无线***用高效率有源天线，包括介质板、功率放大电路和天线辐射结构，所述的功率放大电路设置在所述的介质板的上表面，所述的功率放大电路包括功放芯片、功放输入阻抗匹配网络和直流偏置与功放稳定电路，所述的功放输入阻抗匹配网络和所述的直流偏置与功放稳定电路分别与所述的功放芯片连接，所述的介质基板的下表面覆盖有金属接地层，所述的天线辐射结构包括传输线和天线辐射与谐波控制结构，所述的传输线附着在所述的介质板的上表面，所述的传输线的一端与所述的功芯片的输出端直接相连，所述的天线辐射与谐波控制结构设置在所述的金属接地层上，所述的传输线采用耦合方式将所述的功放芯片的输出信号传输给所述的天线辐射与谐波控制结构，所述的天线辐射与谐波控制结构能够将所述的功放芯片的输出信号中的基模信号辐射出去、使所述的功放芯片的输出信号中的二次谐波信号呈短路特性以及使所述的功放芯片的输出信号中的三次谐波信号呈开路特性。
所述的传输线采用矩形金属层实现，所述的矩形金属层沿所述的介质基板的左右方向延伸，所述的矩形金属层的左端作为所述的传输线的一端与所述的功放芯片的输出端直接相连，所述的天线辐射与谐波控制结构包括开设在所述的金属接地层上的辐射槽、二次谐波短路槽和三次谐波开路槽，所述的介质基板的下表面暴露在所述的辐射槽、所述的二次谐波短路槽和所述的三次谐波开路槽处，所述的辐射槽用于将所述的功放芯片的输出信号中的基模信号辐射出去，所述的二次谐波短路槽用于使所述的功放芯片的输出信号中的二次谐波信号呈短路特性，所述的三次谐波开路槽用于使所述的功放芯片的输出信号中的三次谐波信号呈开路特性，所述的辐射槽、所述的二次谐波短路槽和所述的三次谐波开路槽分别为矩形槽，所述的辐射槽、所述的二次谐波短路槽和所述的三次谐波开路槽均沿所述的介质基板的前后方向延伸，所述的辐射槽、所述的二次谐波短路槽和所述的三次谐波开路槽按照从右到左的顺序依次间隔排列，所述的辐射槽沿左右方向的中心线、所述的二次谐波短路槽沿左右方向的中心线以及所述的三次谐波开路槽沿左右方向的中心线三者位于同一直线上，所述的传输线沿左右方向的中心线与所述的辐射槽沿左右方向的中心线位于同一平面上，且该平面垂直于所述的介质基板，所述的传输线的左端面所在平面与所述的三次谐波开路槽的左端面所在平面重合，或者所述的传输线的左端面所在平面位于所述的三次谐波开路槽的左端面所在平面的左侧，所述的传输线的右端面所在平面与所述的辐射槽的右端面所在平面重合，或者所述的传输线的右端面位于所述的辐射槽的右端面所在平面的右侧。该结构中，直接采用矩形金属层实现传输线，通过三个矩形槽来实现天线辐射与谐波控制结构，功放芯片的输出信号直接通过矩形金属层耦合到三个矩形槽中，在保证有源天线具有高效率的基础上，结构更为简单，有源天线整体结构更加紧凑。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过传输线和天线辐射与谐波控制结构构成天线辐射结构，传输线附着在介质板的上表面，传输线的一端与功芯片的输出端直接相连，天线辐射与谐波控制结构设置在金属接地层上，传输线采用耦合方式将功放芯片的输出信号传输给天线辐射与谐波控制结构，天线辐射与谐波控制结构能够将功放芯片的输出信号中的基模信号辐射出去、使功放芯片的输出信号中的二次谐波信号呈短路特性以及使功放芯片的输出信号中的三次谐波信号呈开路特性，由此可以使功放芯片工作在F类状态，实现高效率工作，传输线和天线辐射与谐波控制结构构成的天线辐射结构自身即为一个完整的天线结构，使得本发明的有源天线具有较宽的工作带宽和谐波控制带宽，该天线辐射结构与功率放大电路直接连接，去除了两者之间的功放谐波控制网络、功放输出阻抗匹配网络和天线输入阻抗匹配网络这三个无源网络，实现天线辐射结构与功放芯片之间的高集成设计，本发明通过天线辐射结构与功率放大电路直接连接构成，不但大幅降低的发射机整体的电路尺寸和由无源网络带来的损耗、寄生辐射和干扰，而且能有效提升整体设计的能效，在较宽工作带宽内保持高性能状态。
附图说明
图1为本发明的无线***用高效率有源天线的俯视图；
图2为本发明的无线***用高效率有源天线的仰视图；
图3为本发明的无线***用高效率有源天线的阻抗在等PAE圆上的分布特性曲线图；
图4为本发明的无线***用高效率有源天线的阻抗在等功率圆上的分布特性曲线图；
图5为本发明的无线***用高效率有源天线在3.4GHz处的方向图；
图6为本发明的无线***用高效率有源天线在3.5GHz处的方向图；
图7为本发明的无线***用高效率有源天线在3.6GHz处的方向图；
图8为本发明的无线***用高效率有源天线在26dBm输入功率下的扫频仿真曲线图；
图9为本发明的无线***用高效率有源天线在3.5GHz处的扫频仿真曲线图；
图10为本发明与现有天线在不同的输入功率下的输出功率曲线图；
图11为本发明与现有天线在不同的输入功率下的PAE曲线图。
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，一种无线***用高效率有源天线，包括介质板1、功率放大电路和天线辐射结构，功率放大电路设置在介质板1的上表面，功率放大电路包括功放芯片2、功放输入阻抗匹配网络3和直流偏置与功放稳定电路4，功放输入阻抗匹配网络3和直流偏置与功放稳定电路4分别与功放芯片2连接，介质基板的下表面覆盖有金属接地层5，天线辐射结构包括传输线6和天线辐射与谐波控制结构7，传输线6附着在介质板1的上表面，传输线6的一端与功芯片的输出端直接相连，天线辐射与谐波控制结构7设置在金属接地层5上，传输线6采用耦合方式将功放芯片2的输出信号传输给天线辐射与谐波控制结构7，天线辐射与谐波控制结构7能够将功放芯片2的输出信号中的基模信号辐射出去、使功放芯片2的输出信号中的二次谐波信号呈短路特性以及使功放芯片2的输出信号中的三次谐波信号呈开路特性。
本实施例中，传输线6采用矩形金属层实现，矩形金属层沿介质基板的左右方向延伸，矩形金属层的左端作为传输线6的一端与功放芯片2的输出端直接相连，天线辐射与谐波控制结构7包括开设在金属接地层5上的辐射槽8、二次谐波短路槽9和三次谐波开路槽10，介质基板的下表面暴露在辐射槽8、二次谐波短路槽9和三次谐波开路槽10处，辐射槽8用于将功放芯片2的输出信号中的基模信号辐射出去，二次谐波短路槽9用于使功放芯片2的输出信号中的二次谐波信号呈短路特性，三次谐波开路槽10用于使功放芯片2的输出信号中的三次谐波信号呈开路特性，辐射槽8、二次谐波短路槽9和三次谐波开路槽10分别为矩形槽，辐射槽8、二次谐波短路槽9和三次谐波开路槽10均沿介质基板的前后方向延伸，辐射槽8、二次谐波短路槽9和三次谐波开路槽10按照从右到左的顺序依次间隔排列，辐射槽8沿左右方向的中心线、二次谐波短路槽9沿左右方向的中心线以及三次谐波开路槽10沿左右方向的中心线三者位于同一直线上，传输线6沿左右方向的中心线与辐射槽8沿左右方向的中心线位于同一平面上，且该平面垂直于介质基板，传输线6的左端面所在平面与三次谐波开路槽10的左端面所在平面重合，或者传输线6的左端面所在平面位于三次谐波开路槽10的左端面所在平面的左侧，传输线6的右端面所在平面与辐射槽8的右端面所在平面重合，或者传输线6的右端面位于辐射槽8的右端面所在平面的右侧。
为验证本发明的无线***用高效率有源天线的优益性，对本发明的无线***用高效率有源天线的的各性能分别进行实验仿真。其中，功放芯片采用采用Cree公司的GaN功放管子，介质板采用Rogers的4350B(也可采用其他介质板材料)覆盖带宽为5G通信中3.4-3.6GHz频段。本发明的无线***用高效率有源天线中，天线辐射与谐波控制结构能够实现谐波控制，因而功放芯片2工作在F类状态。综合考虑F类功放的输出功率和效率，设定目标为覆盖带宽内本发明的有源天线整体的功率附加效率(PAE)大于60％，最大输出功率38dBm以上，且在覆盖带宽内输出功率波动在3dB以内。本发明的无线***用高效率有源天线的阻抗在等PAE圆上的分布特性曲线如图3所示，本发明的无线***用高效率有源天线的阻抗在等功率圆上的分布特性曲线如图4所示。分析图3可知，P1点的阻抗虽然不在3.4GHz的最高PAE点处，但是它还是处在PAE大于60％的等圆内；P2点几乎与3.5GHz的最高PAE阻抗点重合，这是设计时的理想阻抗匹配；P3点同样跟P1点一样，离得最高PAE点比较远，但是符合PAE的要求。P4、P5以及P6作为二次谐波阻抗点，位于短路阻抗点附近，近似实现二次谐波短路。P7、P8、P9是三次谐波的阻抗点，从图中可以看到，这三个点位于开路阻抗点附近，也实现了近似三次谐波开路。分析图4可知，在3.4-3.6GHz带宽内阻抗都在下降3dB的等功率圆内，并且离-3dB的等功率圆较远，事实上该三个频点的阻抗值都位于最大功率下降2dB的等功率圆内，故而在带宽内呈现较好的输出功率稳定性。
为更清楚表示本发明的无线***用高效率有源天线的阻抗特性，将图3和图4中工作带宽、二次谐波和三次谐波处的阻抗数值提取出来，绘制成表1，如下所示：
表1 天线仿真各频点阻抗
本发明的无线***用高效率有源天线在3.4GHz处的方向图如图5所示，本发明的无线***用高效率有源天线在3.5GHz处的方向图如图6所示，本发明的无线***用高效率有源天线在3.6GHz处的方向图如图7所示。分析图5-图7可知，在本发明的无线***用高效率有源天线工作带宽内除了阻抗特性满足功放要求外，仍具有稳定和较好的辐射性能。
本发明的无线***用高效率有源天线在26dBm输入功率下的扫频仿真曲线如图8所示，本发明的无线***用高效率有源天线在3.5GHz处的扫频仿真曲线如图9所示。仿真时，功放芯片的漏极偏置电压设置为Vds＝28V，栅极偏置电压设置为Vgs＝-3.2V。分析图8可知，在3.3-3.7GHz范围内，在输入功率为26dBm时的PAE范围为53％-71％，其中最高PAE点出现中心频点3.5GHz，在3.4-3.7GHz内，输出功率会略微下降，但整体功率波动幅度在±1dB以内。分析图9可知，在输入功率低于22.5dBm时，天线的增益处于稳定状态，但是此时的PAE比较低，随着输入功率的继续增加，增益开始压缩，但是PAE开始处于较高阶段，在输入功率27.5dBm处，PAE达到最大72.5％，输出功率也达到38.4dBm。
对本发明的无线***用高效率有源天线(一体化设计)和传统的天线(分离设计)的性能进行仿真比较，其中，本发明与现有天线在不同的输入功率下的输出功率曲线如图10所示，本发明与现有天线在不同的输入功率下的PAE曲线如图11所示。分析图10可知，在输入功率大于22dBm时，本本发明相较于现有技术的效率出现提升，最大处提升在5％以上，当工作频率进一步上升，效率提升将变得更为明显，特别是在毫米波频段，效率提升将达到10％以上。

Claims (2)

1.一种无线***用高效率有源天线，包括介质板、功率放大电路和天线辐射结构，所述的功率放大电路设置在所述的介质板的上表面，所述的功率放大电路包括功放芯片、功放输入阻抗匹配网络和直流偏置与功放稳定电路，所述的功放输入阻抗匹配网络和所述的直流偏置与功放稳定电路分别与所述的功放芯片连接，所述的介质基板的下表面覆盖有金属接地层，其特征在于所述的天线辐射结构包括传输线和天线辐射与谐波控制结构，所述的传输线附着在所述的介质板的上表面，所述的传输线的一端与所述的功芯片的输出端直接相连，所述的天线辐射与谐波控制结构设置在所述的金属接地层上，所述的传输线采用耦合方式将所述的功放芯片的输出信号传输给所述的天线辐射与谐波控制结构，所述的天线辐射与谐波控制结构能够将所述的功放芯片的输出信号中的基模信号辐射出去、使所述的功放芯片的输出信号中的二次谐波信号呈短路特性以及使所述的功放芯片的输出信号中的三次谐波信号呈开路特性。
2.根据权利要求1所述的一种无线***用高效率有源天线，其特征在于所述的传输线采用矩形金属层实现，所述的矩形金属层沿所述的介质基板的左右方向延伸，所述的矩形金属层的左端作为所述的传输线的一端与所述的功放芯片的输出端直接相连，所述的天线辐射与谐波控制结构包括开设在所述的金属接地层上的辐射槽、二次谐波短路槽和三次谐波开路槽，所述的介质基板的下表面暴露在所述的辐射槽、所述的二次谐波短路槽和所述的三次谐波开路槽处，所述的辐射槽用于将所述的功放芯片的输出信号中的基模信号辐射出去，所述的二次谐波短路槽用于使所述的功放芯片的输出信号中的二次谐波信号呈短路特性，所述的三次谐波开路槽用于使所述的功放芯片的输出信号中的三次谐波信号呈开路特性，所述的辐射槽、所述的二次谐波短路槽和所述的三次谐波开路槽分别为矩形槽，所述的辐射槽、所述的二次谐波短路槽和所述的三次谐波开路槽均沿所述的介质基板的前后方向延伸，所述的辐射槽、所述的二次谐波短路槽和所述的三次谐波开路槽按照从右到左的顺序依次间隔排列，所述的辐射槽沿左右方向的中心线、所述的二次谐波短路槽沿左右方向的中心线以及所述的三次谐波开路槽沿左右方向的中心线三者位于同一直线上，所述的传输线沿左右方向的中心线与所述的辐射槽沿左右方向的中心线位于同一平面上，且该平面垂直于所述的介质基板，所述的传输线的左端面所在平面与所述的三次谐波开路槽的左端面所在平面重合，或者所述的传输线的左端面所在平面位于所述的三次谐波开路槽的左端面所在平面的左侧，所述的传输线的右端面所在平面与所述的辐射槽的右端面所在平面重合，或者所述的传输线的右端面位于所述的辐射槽的右端面所在平面的右侧。
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