隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的振蕩器和天線集成在一起。小型化設(shè)計(jì)通常要求將多種器件集成到普通、緊湊的結(jié)構(gòu)中。為了評價(jià)沒有輻射特性干擾下的有源天線振蕩特性，經(jīng)過校準(zhǔn)的傳感器被放置在天線的輻射邊沿，該天線具有最高電壓。正如所示，在實(shí)現(xiàn)振蕩頻率調(diào)整后，滿足了目標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo)。
振蕩器是用來產(chǎn)生重復(fù)電子訊號(通常是正弦波或方波)的電子元件。其構(gòu)成的電路叫振蕩電路。能將直流電轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電信號輸出的電子電路或裝置。
振蕩器式有源微帶天線集成了具有微帶天線的有源器件來產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)振蕩。該振蕩器采用有源器件的負(fù)阻特性將直流電源轉(zhuǎn)換為射頻功率。已經(jīng)研制成功這種有源天線的集成版本來用于在低功率水平的傳感器應(yīng)用。進(jìn)一步的研究已設(shè)法克服這種固態(tài)源設(shè)計(jì)的功率限制，這是因?yàn)榻Y(jié)合空間電源技術(shù)。該振蕩器包括了結(jié)合微帶天線的有源器件，該天線同時(shí)既是確定振蕩頻率的負(fù)載，又作為向空間輻射產(chǎn)生射頻功率的器件。適當(dāng)選擇有源器件的工作點(diǎn)對工作性能而言很重要。
對于振蕩器式有源微帶天線，有源器件可以是二端器件，例如，IMPATT器件和Gunn二極管，或者也可以是三端器件，例如金屬-外延-半導(dǎo)體場效應(yīng)管晶體管(MESFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)，以及異質(zhì)結(jié)-雙極晶體管(HBT)器件。一般來說，每類固態(tài)源有利也有弊。二端器件適合毫米波頻率的高功率應(yīng)用，但具有低直流到射頻轉(zhuǎn)換效率，需要在電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中認(rèn)真注意散熱。另一方面，三端器件可以提供高的直流到射頻轉(zhuǎn)換效率和低噪音指數(shù)，但降低了功耗水平。
微帶天線具有適度尺寸、小外形，以及平面形狀的優(yōu)勢，造就了低生產(chǎn)成本。平面結(jié)構(gòu)也適合于集成相關(guān)的電子電路，例如有源天線的形式。本論文報(bào)告了一項(xiàng)研發(fā)用于本地?zé)o線局域網(wǎng)(WLAN)以及藍(lán)牙有源發(fā)射天線的實(shí)驗(yàn)。該天線是一個(gè)工作在2.45GHz附近的振蕩器型微帶有源天線，其連接到一個(gè)二端不穩(wěn)定有源器件。該有源器件與矩形接線天線直接集成，除了一個(gè)在天線輸入端口和用于測量的有源器件之間引入短微帶線外。一般情況下，這種設(shè)計(jì)過程中，饋線損耗被認(rèn)為是微不足道的，但它包括在本論文中。
所有接線天線以及振蕩器的設(shè)計(jì)步驟都是并行執(zhí)行的。在天線旁引入了天線饋線的輻射影響，并且在饋線處的輸入阻抗變化作為振蕩器設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)。采用電壓串聯(lián)反饋來將振蕩器輸出動態(tài)范圍最大化，并保證保持工作在有源器件的最不穩(wěn)定區(qū)，以滿足振蕩條件的需要。
天線被認(rèn)為是一個(gè)單端輸入，并且在所關(guān)心的頻段上，對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的天線，單個(gè)半波對稱振子可簡單地單獨(dú)立地使用或用作為拋物面天線的饋源，也可采用多個(gè)半波對稱振子組成天線陣。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子，稱半波對稱振子，。另外，還有一種異型半波對稱振子，可看成是將全波對稱振子折合成一個(gè)窄長的矩形框，并把全波對稱振子的兩個(gè)端點(diǎn)相疊，這個(gè)窄長的矩形框稱為折合振子，首先利用現(xiàn)行仿真器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)來預(yù)測所需的振蕩頻率，然后再進(jìn)行優(yōu)化。此后，實(shí)現(xiàn)非線性仿真來預(yù)測振蕩條件、相位噪聲和功率性能。
采用安捷倫科技公司的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)設(shè)計(jì)軟件工具，對包括了饋線和振蕩電路的天線特性進(jìn)行仿真和分析。10應(yīng)該指出的是，采用 Momentum軟件包對天線進(jìn)行建模，該軟件已包括在ADS內(nèi)。利用在GaAs MESFET有源器件的漏引腳插入一個(gè)電容器對振蕩頻率進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)和控制，從而滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)(見下表)。據(jù)觀測，所獲得的振蕩頻率范圍偏離2.45 GHz中心頻率的最大處約6.87%，具有低相位噪聲和可接受的輸出功率。
采用傳感器校正因子來確定天線輸入端口測量到的頻率和正向功率，當(dāng)天線與振蕩器電路截?cái)鄷r(shí)，該校正因子被估算。傳感器是一小塊尺寸為3×5 mm的路徑，置于天線邊沿產(chǎn)生最高電壓。包含的50-O電阻可以確保這種傳感器功能正確，還保證了傳感器的輸出連接器作為一個(gè)相對良好匹配的源出現(xiàn)。這將減少將其連接到一個(gè)匹配很差的功率計(jì)或頻譜分析儀所可能造成的誤差。首先，當(dāng)將天線與有源RF電路截?cái)鄷r(shí)，測量該校正因子：然后，重新連接來測量振蕩器的輸出功率。
安捷倫科技公司的ATF-10136型GaAs MESFET在4 GHz下具有0.5 dB的噪聲指數(shù)，其被選為用于集成天線/振蕩器的不穩(wěn)定二端有源器件。通過將開路傳輸線連接到FET源端口來代表電壓串聯(lián)反饋。對線性電路進(jìn)行了優(yōu)化，從而在2.45 GHz下將輸入和輸出端口的反射最大化。圖 1表示了這些反射的響應(yīng)。2.45GHz下S11和S22的峰值分別為1.9和1.3;這些值被認(rèn)為在輸入和輸出穩(wěn)定環(huán)路是可以接受的，該環(huán)路需要集成天線/振蕩器設(shè)計(jì)。
天線和RF電路器件被安裝在羅杰斯公司(Rogers)具有以下規(guī)格的Duroid電路板材料上。相對介電常數(shù)、損失角正切，以及襯底高度分別是 2.55、0.0018和1.524 mm。通路尺寸分別為長度36 mm，寬度為46mm，而饋線尺寸分別為長15 mm，寬2 mm。2.45 GHz下饋線輸入端的回波損耗幅度和相位分別為0.299和-147度。
當(dāng)天線與RF電路被截?cái)鄷r(shí)，天線饋線和輸出傳感器之間的二端S參數(shù)如圖2所示。當(dāng)傳感器置于距離輻射路徑末端2mm處時(shí)，來自實(shí)測數(shù)據(jù)相應(yīng)的校準(zhǔn)因子 S'21由公式1計(jì)算得到：
圖3表示了從1.8至3.0 GHz校準(zhǔn)系數(shù)的響應(yīng)。然而，考察從2變化到4mm不同距離校正因子的變化，而這些測量表明，在2mm距離初讀取的幅度約為0.25dB。還考察了在天線輸入回波損耗處該傳感器的影響，并發(fā)現(xiàn)小于0.01 dB，有賴于同軸饋線的使用。
天線輸入阻抗數(shù)據(jù)被變換到RF電路仿真器，并且觀察了有源器件輸入端口處的諧振條件。然后，使用有源器件的非線性模型對輸入匹配電路進(jìn)行了優(yōu)化，分別如圖4和圖5所示。正如表中所示，由實(shí)測結(jié)果證明其滿足了所有指定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
電子電路等的輸入端口所呈現(xiàn)的阻抗。實(shí)質(zhì)上是個(gè)等效阻抗。只有確定了輸入阻抗，才能進(jìn)行阻抗匹配，從信號源、傳感器等獲取輸入信號。阻抗是電路或設(shè)備對交流電流的阻力，輸入阻抗是在入口處測得的阻抗。高輸入阻抗能夠減小電路連接時(shí)信號的變化，因而也是最理想的。在給定電壓下最小的阻抗就是最小輸入阻抗。作為輸入電流的替代或補(bǔ)充，它確定輸入功率要求。
天線的輸入阻抗定義為輸入端電壓和電流之比，隨著天線長度及工作頻率不同而發(fā)生變化。其值表征了天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的匹配狀況，體現(xiàn)了輻射波與導(dǎo)行波之間能量轉(zhuǎn)換的好壞。
圖6表示了自由運(yùn)行振蕩的頻譜分析圖，標(biāo)記在2.4240 GHz和-13.33dBm處。來自指定目標(biāo)的實(shí)測振蕩頻率之間的差別大約是1.23%：這代表了與使用射頻器件有關(guān)的誤差。通過改變天線輸入導(dǎo)納的靈敏度，在目標(biāo)輸出功率附近實(shí)現(xiàn)了振蕩頻率的精細(xì)調(diào)節(jié)和控制。這已經(jīng)通過將MESFET輸出與5-pF可變電容連接來實(shí)現(xiàn)。振蕩頻率范圍大約在目標(biāo)值的 6.4%之內(nèi)。
采用經(jīng)過校準(zhǔn)的輸出傳感器，對天線輸入端口處的實(shí)測頻率和正向功率，給出了可靠的結(jié)果，而不影響天線和振蕩器電路元件的輻射特性，已經(jīng)滿足所有標(biāo)稱的設(shè)計(jì)目標(biāo)。