一款应用于移动多媒体广播(CMMB)的有源天线设计*

2013-12-29王善进刘华珠

电子器件 2013年5期

王善进，刘华珠

(东莞理工学院电子工程学院，广东东莞523808)

低剖面、宽频带结构天线的研究，一直以来都是天线研发人员的兴趣所在。20世纪90年代，随着各种宽带天线设计技术和非频变天线设计理论的提出，出现了平面双锥天线、对数周期天线等宽频带天线。众所周知，电磁波的空间波长是不能被压缩的，天线的小型化设计，实际上从天线工作的物理层面上而言，它并非真正地把天线缩小了，而是巧妙地通过天线结构上的改进，譬如贴片开槽等，有效延长了天线辐射体的表面电流，这样对一定频率而言，等效于天线物理尺寸得到了缩小。

有源天线则提供了另一条实现天线小型化的途径，它是一种把无源电磁波辐射体与有源放大电路有机结合的信号接收(或发射)装置。它利用了放大电路及输入输出匹配电路设计上的灵活性，通过信号的放大处理和电路阻抗变换技术，实现电路各部分之间的宽带匹配，同时可提高系统增益和信噪比，进而实现天线的小型化和宽频带设计。为了达到天线某些特定参数的优化，有源天线并非无源辐射体与有源电路间结构上的简单级联，而必须是考虑到两者之间互为对方电路后，整体层面上的全盘设计。

中国移动多媒体广播系统(CMMB)的电磁波信号工作频段为U波段的470 MHz～800 MHz，主要应用在手机，笔记本，车载多媒体等移动终端系统。CMMB移动终端系统射频前端模块，主要包含无源天线、匹配电路、低噪声放大器及收信机电路等。收信机电路的主要功能是接收来自发射台的微弱UHF信号，并将其进行放大，送入解调芯片。射频模块的小型化是移动终端的基本要求之一。众所周知，天线的阻抗取决于天线的尺寸和形状结构，CMMB移动终端的小型化要求，决定了其接收天线的尺寸范围(拉杆天线影响终端的便携性，与小型化有一定的冲突)不能太大。微带天线具有剖面低、方便与其他电路集成，能有效缩小设备体积的优点。但这类天线带宽较窄，并且微带天线尺寸的缩小，直接造成天线辐射电阻的减小，必将严重影响天线与50 Ω传输线和后端电路的匹配。有源接收放大天线可以有效改善这些失配问题，这类天线把无源天线作为低噪声放大电路的负载，增加了多个可以调整的因子，给整体电路的优化设计带来了诸多便利。图1为有源接收放大天线原理框图，无源天线等效为信号电压源UT和输出阻抗ZT，如果ZT与后端收信机的输入阻抗ZL在通信系统的工作频段内难以做到匹配，则无源天线接收到的电波信号需要通过低噪声放大电路的优化处理，使无源天线与收信机在整个频段内实现阻抗匹配，而且低噪声放大电路的介入，系统的增益、信噪比、灵敏度也会得到进一步的提高。这里采用具有高输入阻抗特性的Infineon BFR360芯片构成低噪声放大电路，当无源天线尺寸的缩小导致辐射电阻减小时，显然对高输入阻抗的有源放大电路带来的影响可以忽略不计。同时，在CMMB的工作频段内，利用输出匹配网络将BFR360构成的有源电路的输出阻抗设计成与后端电路良好匹配，这样就可以实现天线的宽频带工作，从而满足CMMB通信系统的要求。本文的CMMB有源接收放大天线，其中无源天线采用微带“蛇形”蜿蜒天线，低噪放基于超小封装BFR360芯片构建，天线尺寸为4 cm×3 cm×0.8 cm左右。采用ADS软件对整体电路进行了联合仿真，天线的-10 dB阻抗带宽覆盖了470 MHz～800 MHz，表明天线能满足CMMB通信系统的需求。

图1 有源接收放大天线

1 理论

1.1 无源微带蛇形天线

CMMB的移动终端工作在U波段的1 GHz以下，工作频段宽度为330 MHz。鉴于频率较低，波长较长，为了有效缩小天线体积，本文拟采用蛇形微带天线，天线尺寸控制在1.5 cm×3 cm×0.8 cm范围内，如图2所示。对于CMMB的信号而言，因为天线尺寸很小，根据天线的基本特点，这样大小的天线根本无法与CMMB频段的电磁波信号实现有效匹配，其回波损耗指标见图3所示，可见指标很差，其性能无法直接满足需要。天线的输入阻抗曲线如图4所示，在470 MHz～800 MHz的范围内，阻抗的实部或虚部变化剧烈，表明天线与50 Ω标准阻抗严重失配。

图2 CMMB宽频带有源天线中的无源微带蛇形天线

图3 无源微带蛇形天线的回波损耗

图4 无源微带蛇形天线的输入阻抗

1.2 低噪声放大电路

射频前端是无线电接收机中关键的组成部分。为了满足接收机性能指标，中广电要求CMMB系统解调芯片灵敏度全频优于-95 dBm，空间耦合灵敏度大于-80 dBm，以保证移动终端有效接收发射台的广播信号。鉴于增益可以通过放大器来满足，在这里它并不是关注的因素，关键的问题是接收机前端的噪声和宽频带(470 MHz～800 MHz)的匹配。为了满足设备小型化的要求，前面已提到天线不能选择太大，一般控制在1.5 cm×3 cm×0.8 cm范围内。但天线设计的基本原理表明，在如此小的面积上设计一款满足CMMB(470 MHz～800 MHz)频段需求的天线是非常困难的。因而考虑采用有源天线，通过有源放大电路和输入输出阻抗匹配电路的优化设计等措施，实现工作带宽的拓宽，降低接收机整体噪声系数和提高灵敏度。本文侧重噪声系数的优化，意在提升CMMB终端系统灵敏度。首先选择Infineon BFR360放大管，建立合适的SPICE模型，再根据管子Q点的需求，设置偏置电路工作电压为3 V，偏置电流为7 mA左右，图5给出了优化后的低噪放电路，注意到此时电路的输入输出阻抗是假设为50 Ω的。

图5 优化后的低噪声放大电路

图6 有源天线的回波损耗

1.3 有源电路与无源天线的联合仿真

将无源微带蛇形天线的S1P参数导入ADS，与前述的低噪声放大电路进行联合仿真和匹配优化。图6为得到的天线回波损耗，可见-10 dB阻抗带宽很窄，不能满足需要。原因在于电路的输入输出匹配网络是针对50 Ω端口优化的，需重新优化。经反复优化后得到最终的有源天线电路，参见图7所示。图8则给出了优化后有源天线的回波损耗，可见有源天线电路输出端达到良好输出匹配，天线在整个CMMB工作频带内S11小于-13 dB，图9和10分别给出了天线在CMMB频段内的噪声系数和增益，可见频段内噪声系数小于1.1，增益平坦，表明天线可以满足CMMB系统的需要。

图7 低噪声放大电路与无源微带天线联合仿真优化后的电路

图8 优化后有源天线的回波损耗

图9 优化后有源天线在CMMB频段内的噪声系数

图10 优化后有源天线在CMMB频段内的增益

2 结语

在无源微带蛇形天线的基础上，结合有源低噪声放大电路，设计了一款满足CMMB移动终端需求的小型接收放大天线。ADS仿真分析表明，该有源天线的回波损耗、噪声系数以及增益等指标均能满足CMMB通信系统的要求。这种天线结构简单，尺寸为3 cm×4 cm×0.8 cm左右，对CMMB移动终端小型化的研究具有一定的现实意义。图11和图12给出了天线的实物照片和实测的回波损耗，对比图12与图8，可见在200 MHz～1 GHz的范围内，天线回波损耗的趋势基本一致，但实际天线在频点550 MHz左右略微高出-10 dB，提示在天线的结构上还需作进一步的优化，同时，SMA接头的影响也许是另一个需要考虑的原因。