CN113098434B - 小型化低相噪自振荡有源天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低相噪自振荡有源天线，包括置于介质基板顶层的直流电压源、偏置扼流微带电路、晶体管、接地孔焊盘、集电极匹配网络、基极匹配网络、电容、集电极传输线、基极传输线、矩形微带天线、滤波器，置于介质基板底层的金属地板以及贯穿顶层和底层的金属化接地过孔。本发明结构简单、体积小，具有优越的相位噪声性能和直流‑射频转换效率，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，具体为一种小型化低相噪自振荡有源天线。

背景技术

在自振荡有源天线中，天线除了作为辐射元件外，还起到谐振器的作用，是多载波射频识别和物联网***中作为远程无线电力传输连续波充电源的优良选择。国外学者在此研究领域取得了诸多进展，而国内关于自振荡有源天线的研究则鲜有报道。自振荡有源器件提供环路增益补偿天线损耗，以维持稳定的振荡。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、偶极子或缝隙天线，并具备所需的辐射特性，如波束宽度、极化和效率等。

自振荡有源天线中辐射元件带宽的典型值对应于相对较低的品质因数，这导致振荡器输出信号具有高相位噪声。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，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，锁相环法和注入锁定法以设计和制造的复杂性为代价来改善相位噪声性能，而反馈环法以相对简单的结构提供了良好的相噪性能，因此受到了人们广泛的关注。2014年，SunHwaJeong等人设计使用高品质因数的贴片谐振天线作为频率稳定器件，通过增加开环电路的群延时以提高有载品质因数，进而减小了相位噪声，但是该设计体积大、环路设计复杂，不便于优化和调试，尽管使用了包括天线在内的多个谐振器耦合，但是开环电路的群延时仍然不是很高。Jonghoon Choi等人在平面振荡器的研究中实现了利用椭圆滤波器通带边缘形成的群延迟峰值来降低相位噪声，研究的类别归于振荡器而不是自振荡有源天线，但是这种设计思路可以和自振荡有源天线结合，即由于滤波器的带通特性体现为传输系数在一定频带内变化，当通带相对较窄，传输系数变化剧烈，变化最剧烈的频点即对应群延时峰值，可以将辐射元件的谐振频率设计在此处，而这种设计思路还未有实现。总之，在反馈回路中增加群延时是一种良好的相噪抑制手段，但在设计自振荡有源天线中还未实现小型化、低相噪、结构简单易调整等优良的特性。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种低相噪自振荡有源天线，以解决现有技术在设计有源天线时相噪性能差、结构繁冗的问题，并进一步减小***尺寸。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种低相噪自振荡有源天线，包括置于介质基板顶层的直流电压源、偏置扼流微带电路、晶体管、接地焊盘、集电极匹配网络、基极匹配网络、电容、集电极传输线、基极传输线、矩形微带天线、滤波器，置于介质基板底层的金属接地板；

所述直流电压源与偏置扼流微带电路的输入端相连，集电极匹配网络和基极匹配网络的输出端分别与偏置扼流微带电路的2个输出端相连，偏置扼流微带电路的另外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通过集电极传输线和基极传输线连接到矩形微带天线和滤波器，矩形微带天线的上侧边与滤波器的输入端耦合相邻且相互平行；晶体管的基极和集电极分别连接到集电极匹配网络和基极匹配网络的输入端，晶体管的发射极与接地焊盘连接。

优选地，所述偏置扼流微带电路包括电源焊盘、第一传输线、第二传输线、2个电阻、2条第三传输线、2个扇形微带线、2条高阻线、2条第四传输线；

直流电压源的输出端连接到电源焊盘，电源焊盘与第一传输线的一端相连，第一传输线的另一端与第二传输线的垂直相连，第二传输线的两端分别与2个电阻的一端相连，2个电阻的另一端分别与2条第三传输线的一端相连，2条第三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条第三传输线的左侧，2个扇形微带线均分别与一条高阻线的一端连接，且高阻线向左弯折以减小电路面积，2条高阻线的另一端与2条第四传输线垂直相连，2条第四传输线的一端与电容相连，另一端分别与集电极匹配网络和基极匹配网络相连。

优选地，所述接地焊盘上有18个金属化过孔打通介质基板的顶层和底层。

优选地，所述集电极匹配网络包括集电极串联枝节、集电极并联开路枝节，基极匹配网络包括基极串联枝节、基极并联开路枝节；

所述集电极串联枝节一端与晶体管的集电极相连，另一端与集电极并联开路枝节相连，所述基极串联枝节一端与晶体管的基极相连，另一端与基极并联开路枝节相连，集电极并联开路枝节和基极并联开路枝节的另一端分别连接到2条第四传输线。

优选地，所述集电极传输线和基极传输线的长度使整个回路相位为360°的整数倍。

优选地，所述集电极传输线向内弯折以减少电路面积。

优选地，所述矩形微带天线包括馈电线、矩形贴片；

馈电线一端连接到集电极传输线，另一端通过开槽缝隙***矩形贴片的内部，开槽缝隙将矩形贴片端口阻抗匹配至50ohm，其尺寸由HFSS进行优化得到，给定目标设计频率,矩形贴片的长、宽由以下公式确定：

其中f₀是给定的目标设计频率，L、W分别是矩形贴片的长、宽,h、ε_r分别是介质基板的厚度和相对介电常数，c是真空中光速。

优选地，所述滤波器包括第五传输线、2个开环滤波器、第六传输线；

第五传输线的一端作为输入端，且第五传输线与矩形贴片的上侧边耦合相邻且相互平行，第五传输线的另一端连接到2个开环滤波器的一端，2个开环滤波器的另一端连接到第六传输线的一端，第六传输线的另一端与基极传输线相连；

2个开环滤波器结构对称，开口处相对，总长度为目标设计频率对应波长的一半。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、本发明使用滤波器增加振荡回路的开环群延时，将振荡频率设计在群延时峰值处，使得有源天线具有优越的相噪性能；

2、本发明引入的匹配网络最大程度地减少了晶体管和矩形微带天线之间的信号反射，直流-射频信号转换效率高；

3、本发明对微带偏置扼流电路、传输线、滤波器都做了卷折处理，结构紧凑，大大减小了电路的整体面积。

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是本发明低相噪自振荡有源天线的顶层示意图。

图2是本发明低相噪自振荡有源天线的底层示意图。

图3是图1中偏置扼流微带电路和串-并微带枝节匹配网络的尺寸示意图。

图4是图1中传输线尺寸示意图。

图5是图1中矩形微带天线和滤波器的尺寸示意图。

图6是矩形微带天线S₁₁仿真结果图。

图7是矩形微带天线输入端到滤波器输出端群延时仿真结果图。

图8是本发明低相噪自振荡有源天线的谐波频率仿真。

图9是本发明低相噪自振荡有源天线的谐波功率仿真。

图10是本发明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，一种低相噪自振荡有源天线，包括置于介质基板1顶层的直流电压源2、偏置扼流微带电路3、晶体管4、接地焊盘5、集电极匹配网络6、基极匹配网络 7、电容8、集电极传输线9、基极传输线10、矩形微带天线11、滤波器12，置于介质基板1底层的金属接地板13。所述直流电压源2与偏置扼流微带电路3的输入端相连，晶体管4的集电极和基极分别连接到集电极匹配网络6和基极匹配网络7，集电极匹配网络6和基极匹配网络7的2个输出端分别与偏置扼流微带电路3的2个输出端相连，偏置扼流微带电路3的另外2个输出端分别与2个电容8的一端连接，2个电容8的另一端分别通过集电极传输线9和基极传输线10连接到矩形微带天线11和滤波器12，矩形微带天线11的上侧边与滤波器12的输入端耦合相邻且相互平行。晶体管4的发射极与接地焊盘5连接。

如图1所示，所述偏置扼流微带电路3包括电源焊盘31、第一传输线32、第二传输线33、2个电阻34、2条第三传输线35、2个扇形微带线36、2条高阻线37、2条第四传输线38。偏置扼流微带电路3使直流信号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，同时保证晶体管所需的静态工作点。

在进一步的实施例中，直流电压源2的输出端连接到电源焊盘31，电源焊盘31与第一传输线32的一端相连，第一传输线32的另一端与第二传输线33垂直相连，第二传输线33的两端分别与2个电阻34的一端相连，2个电阻34的另一端分别与2条第三传输线35的一端相连，2条第三传输线35的另一端均分别连接有1个扇形微带线36， 2个扇形微带线36位于2条第三传输线35的左侧，2个扇形微带线36均分别与一条高阻线37的一端连接，高阻线37向左弯折，另一端与2条第四传输线38相连。

如图1所示，在进一步的实施例中，所述2个接地焊盘5上分别有18个过孔51打通介质基板1的顶层和底层，晶体管4的发射极连接到接地焊盘5实现接地。

如图1所示，所述集电极匹配网络6包括集电极串联枝节61、集电极并联开路枝节62，所述基极匹配网络7包括基极串联枝节71、集电极并联开路枝节72，在进一步的实施例中，通过匹配网络将晶体管匹配至50ohm后与偏置扼流微带电路3级联。

所述集电极串联枝节61一端与晶体管4的集电极相连，另一端与集电极并联开路枝节62相连，所述基极串联枝节71一端与晶体管4的基极相连，另一端与基极并联开路枝节72相连，集电极并联开路枝节62和基极并联开路枝节72的另一端分别连接到2 条第四传输线38。

如图1所示，所述集电极传输线9的两端分别与电容和矩形微带天线相连，基极传输线10的两端分别与电容和滤波器相连，为满足振荡相位条件同时保证形成紧凑的闭合回路，一定的弯折处理是必要的。

如图1所示，所述矩形微带天线11包括馈电线111、矩形贴片112；

所述馈电线111的一端连接到集电极传输线9，另一端通过矩形贴片112侧边中心的开槽缝隙***贴片的内部。优选地，开槽缝隙将矩形贴片112端口阻抗匹配至50ohm。矩形贴片112的尺寸决定了其谐振频率，进一步决定了整个振荡回路的振荡频率。

优选地，所述滤波器12包括第五传输线121、2个开环滤波器122、第六传输线123；

第五传输线121的一端作为滤波器12的输入端与矩形贴片112的上侧边耦合相邻且相互平行，将信号部分耦合至回路输入端，第五传输线121的另一端连接到2个开环滤波器122的一端，2个开环滤波器122的另一端连接到第六传输线123的一端，第六传输线123的另一端与基极传输线10相连。

所述2个开环滤波器122结构对称，开口处相对，枝节长度决定了其谐振频率。优选地，开路微带枝节向内卷折，进一步减小了整体电路的体积。

优选地，所述介质基板1使用RO4003，其介电常数为3.55。

本发明的工作原理为：直流电压源2和偏置扼流微带电路3使得晶体管4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，并且保证射频信号不会进入直流电压源2造成没有信号输出。集电极匹配网络6和基极匹配网络7将晶体管2的基极和集电极分别匹配至50ohm，集电极传输线和基极传输线的特性阻抗设计为50ohm，矩形微带天线11输入端阻抗通过优化缝隙尺寸匹配至50ohm，如此实现了电路各部分的阻抗匹配，级联后可以减少信号反射。晶体管4的集电极一侧的输出信号对矩形微带天线11进行馈电，滤波器12的输入端将信号部分耦合至晶体管4的基极一侧的输入端实现正反馈，滤波器12的引入一方面可以抑制其它频率的干扰信号，另一方面增加了环路的群延时，而群延时越高，相位噪声越低，由此可以大大降低振荡电路的相位噪声。优化各部分的尺寸实现整体回路增益幅度等于1、相位为360°的整数倍以满足振荡条件。

实施例

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

图3是低相噪自振荡有源天线偏置微带电路、接地焊盘和串-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传输线尺寸示意图，图5是低相噪自振荡有源天线矩形微带天线和滤波器的尺寸示意图。

如图3所示，偏置扼流微带电路3中电源焊盘31长a1＝8mm，宽b1＝5mm；1第一传输线32长a2＝3.38mm，宽b2＝3.38mm；第二传输线33横向长a3＝26.55mm，纵向长 a4＝3.38mm，宽b＝3.38mm；2个电阻34阻值分别为15kohm、68ohm；用于放置电阻34 的间隙s1＝0.6mm。2条第三传输线35长a5＝3.38mm，宽b4＝3.38mm；2个扇形微带线36 角度phi＝45°，长u＝11.3mm；2条高阻线37长a6＝mm，宽b5＝0.83mm；2条第四传输线 38长a7＝7.59mm，宽b6＝3.38mm。

接地焊盘5长a8＝1.6mm，宽b7＝0.9mm；18个过孔51半径r1＝0.12mm，圆心间距 s2＝0.26mm。

集电极匹配网络6和基极匹配网络7中每条微带线特性阻抗均为50ohm，宽度均为b8＝3.38mm；集电极串联枝节61长a9＝5.7mm，集电极并联开路枝节62长a10＝5mm；基极串联枝节71长a11＝5mm，基极并联开路枝节72长a12＝3mm。

集电极匹配网络6和集电极传输线9之间、基极匹配网络7和基极传输线10之间均通过电容8相连，留用于焊接电容的间距为0.6mm，电容8容值1pF。直流电压源2 电压为3V。

如图4所示，集电极传输线9和基极传输线10的特性阻抗均为50ohm，宽度均为 d1＝3.38mm；集电极传输线9横向部分长c1＝6.68mm，c2＝c3＝14mm，纵向部分长c4＝3.85mm，c5＝6mm，c6＝19.8mm；基极传输线10横向部分长c7＝13.48mm，c8＝7mm，纵向部分长 c9＝18.8mm；集电极传输线9在垂直方向上低于基极传输线10，垂直间隔d2＝0.7mm，水平间隔c10＝34.64mm。

如图5所示，矩形微带天线11在垂直方向上低于滤波器12，垂直间隔y1＝2.5mm，在水平方向上错开部分距离x1＝15.5mm；馈电线111宽度y2＝3.38mm，位于矩形贴片112 外部长度x2＝8.8mm，***深度x3＝12mm；矩形贴片112侧边缝隙宽度y3＝1.1mm，矩形贴片112长度x4＝33mm，宽度y4＝34mm。

滤波器12中的第五传输线121和第六传输线123结构相同，特性阻抗均为50ohm，长x5＝7mm，宽y5＝3.38mm，与开环滤波器122底部相距p1＝0.5mm，顶部相距p2＝4.12mm；开环滤波器122长x6＝8mm，线宽y6＝0.5mm，中心处向内弯折横向长度x7＝4mm，纵向长度x8＝2mm，开口距离t＝1.2mm，2个开环滤波器的间距p3＝0.5mm。

图6是利用HFSS仿真软件、谐振频率在2.4GHz处，本发明实施例中与滤波器耦合相邻的矩形微带天线的反射系数S₁₁。由图可知，此时天线在2.38GHz～2.41GHz范围内的 S11小于-10dB，符合常见的应用需求，相对窄的工作带宽对应较高的品质因数，对后续应用于振荡电路中降低相位噪声有利。

为了降低相噪，从矩形微带天线的输入端到滤波器的输出端群延时在谐振频率处被设计为最大，如图7所示，2.4GHz处群延时约为12ns。

图8～10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8是本发明实施例中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9是本发明实施例中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9.07dBm，二次谐波功率为-2.13dBm，二次谐波抑制度达-11dB，抑制度优良，可计算得直流-射频信号转换效率约为30％。图 10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-125.43dBc/Hz，在频率偏移1MHz处相噪为-147.70dBc/Hz，相噪性能十分优越。

Claims (7)

1.一种低相噪自振荡有源天线，其特征在于，包括置于介质基板(1)顶层的直流电压源(2)、偏置扼流微带电路(3)、晶体管(4)、接地焊盘(5)、集电极匹配网络(6)、基极匹配网络(7)、电容(8)、集电极传输线(9)、基极传输线(10)、矩形微带天线(11)、滤波器(12)，置于介质基板(1)底层的金属接地板(13)；

所述直流电压源(2)与偏置扼流微带电路(3)的输入端相连，集电极匹配网络(6)和基极匹配网络(7)的输出端分别与偏置扼流微带电路(3)的2个输出端相连，偏置扼流微带电路(3)的另外2个输出端分别与2个电容(8)的一端连接，2个电容(8)的另一端分别通过集电极传输线(9)和基极传输线(10)连接到矩形微带天线(11)和滤波器(12)，矩形微带天线(11)的上侧边与滤波器(12)的输入端耦合相邻且相互平行；晶体管(4)的基极和集电极分别连接到集电极匹配网络(6)和基极匹配网络(7)的输入端，晶体管(4)的发射极与接地焊盘(5)连接，所述偏置扼流微带电路(3)包括电源焊盘(31)、第一传输线(32)、第二传输线(33)、2个电阻(34)、2条第三传输线(35)、2个扇形微带线(36)、2条高阻线(37)、2条第四传输线(38)；

直流电压源(2)的输出端连接到电源焊盘(31)，电源焊盘(31)与第一传输线(32)的一端相连，第一传输线(32)的另一端与第二传输线(33)垂直相连，第二传输线(33)的两端分别与2个电阻(34)的一端相连，2个电阻(34)的另一端分别与2条第三传输线(35)的一端相连，2条第三传输线(35)的另一端均分别连接有1个扇形微带线(36)，2个扇形微带线(36)位于2条第三传输线(35)的左侧，2个扇形微带线(36)均分别与一条高阻线(37)的一端连接，且高阻线(37)向右弯折以减小电路面积，2条高阻线(37)的另一端与2条第四传输线(38)垂直相连，2条第四传输线(38)的一端与电容(8)相连，另一端分别与集电极匹配网络(6)和基极匹配网络(7)相连。

2.根据权利要求1所述的低相噪自振荡有源天线，其特征在于，所述接地焊盘(5)上有18个金属化过孔(51)打通介质基板(1)的顶层和底层。

3.根据权利要求1所述的低相噪自振荡有源天线，其特征在于，所述集电极匹配网络(6)包括集电极串联枝节(61)、集电极并联开路枝节(62)，基极匹配网络(7)包括基极串联枝节(71)、基极并联开路枝节(72)；

所述集电极串联枝节(61)一端与晶体管(4)的集电极相连，另一端与集电极并联开路枝节(62)相连，所述基极串联枝节(71)一端与晶体管(4)的基极相连，另一端与基极并联开路枝节(72)相连，集电极并联开路枝节(62)和基极并联开路枝节(72)的另一端分别连接到2条第四传输线(38)。

4.根据权利要求1所述的低相噪自振荡有源天线，其特征在于，所述集电极传输线(9)和基极传输线(10)的长度使整个回路相位为360°的整数倍。

5.根据权利要求1所述的低相噪自振荡有源天线，其特征在于，所述集电极传输线(9)向内弯折以减少电路面积。

6.根据权利要求1所述的低相噪自振荡有源天线，其特征在于，所述矩形微带天线(11)包括馈电线(111)、矩形贴片(112)；

馈电线(111)一端连接到集电极传输线(9)，另一端通过开槽缝隙***矩形贴片(112)的内部，开槽缝隙将矩形贴片(112)端口阻抗匹配至50ohm，其尺寸由HFSS仿真软件进行优化得到，给定目标设计频率,矩形贴片(112)的长、宽由以下公式确定：

其中f₀是给定的目标设计频率，L、W分别是矩形贴片的长、宽,h、ε_r分别是介质基板的厚度和相对介电常数，c是真空中光速。

7.根据权利要求6所述的低相噪自振荡有源天线，其特征在于，所述滤波器(12)包括第五传输线(121)、2个开环滤波器(122)、第六传输线(123)；

第五传输线(121)的一端作为输入端，且第五传输线(121)与矩形贴片(112)的上侧边耦合相邻且相互平行，第五传输线(121)的另一端连接到2个开环滤波器(122)的一端，2个开环滤波器(122)的另一端连接到第六传输线(123)的一端，第六传输线(123)的另一端与基极传输线(10)相连；

2个开环滤波器(122)结构对称，开口处相对，总长度为目标设计频率对应波长的一半。

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