一種小型化高隔離度天線控制組件*

王鄭力 田 雨 劉思楊

（1.四川省成都市金牛區(qū)營(yíng)康西路85號(hào) 成都 610036）（2.電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 611731）

1 引言

隨著MIMO系統(tǒng)朝著小型化、集成化發(fā)展，大幅壓縮天線單元間的距離，會(huì)導(dǎo)致低隔離度[1]，包括多信道、多天線在內(nèi)的多種技術(shù)受制于天線組件的隔離度[2]。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)的天線前端濾波功分組件，將濾波器與功分網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)，適用于星載平臺(tái)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種高隔離度超寬帶MIMO天線，隔離度小于-22dB。文獻(xiàn)[5]研究了一種通過(guò)調(diào)整部件尺寸或相對(duì)位置的方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線隔離度提升。文獻(xiàn)[6]提出了一種通過(guò)在適當(dāng)位置增加虛元的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)波雷達(dá)天線隔離度的提升。文獻(xiàn)[7]通過(guò)設(shè)計(jì)應(yīng)用一種縫隙彎折線諧振器，提升了MIMO天線的隔離度。文獻(xiàn)[8]通過(guò)一種電磁帶隙結(jié)構(gòu)的解耦方式，使天線間隔離度提高了21dB。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于機(jī)載電子干擾設(shè)備的寬頻段、大方位覆蓋角的收/發(fā)天線組件，實(shí)現(xiàn)了較高的收/發(fā)隔離度。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種超寬帶MIMO天線，形成了三個(gè)高阻帶且隔離度高。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一款L波段隔離濾波組件，有效抑制了諧波雜散。文獻(xiàn)[12]分析了隔離度公式中各個(gè)變量在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的影響。文獻(xiàn)[13]對(duì)常見(jiàn)提高天線隔離度的技術(shù)進(jìn)行了分析。

天線控制組件是天線系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)產(chǎn)品集成化后，對(duì)天線控制組件的體積和隔離度提出了很高的要求，特別是大功率產(chǎn)品應(yīng)用背景下，傳統(tǒng)天線控制組件已經(jīng)難以同時(shí)滿足大功率、小型化和高隔離度要求。本文設(shè)計(jì)了一種天線控制組件，解決了大功率條件下的高隔離度、小型化技術(shù)難題。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

天線控制組件包括兩路天線收發(fā)通道、自檢單元以及電源和控制單元；每路天線收發(fā)通道由發(fā)射鏈路和接收鏈路組成，兩路天線收發(fā)通道中的發(fā)射鏈路共用一個(gè)大功率開(kāi)關(guān)；電源和控制單元與自檢單元以及兩路天線收發(fā)通道連接，自檢單元的輸出端與兩路天線收發(fā)通道連接。

圖1 天線控制組件組成框圖

2.2 主要原理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）發(fā)射通道：將“功放組件”輸出信號(hào)進(jìn)行功率檢測(cè)，后經(jīng)天線選擇大功率開(kāi)關(guān)、環(huán)形器和帶通濾波器將信號(hào)送到天線；發(fā)射通道特點(diǎn)：高功率，峰值≥600W。

2）接收通道：將天線接收到的有用信號(hào)經(jīng)濾波、環(huán)形器、限幅器、低噪聲放大器和濾波器送到“信道組件”；接收通道特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍寬（-15dBm～-95dBm），噪聲要求低至：-4.0dB。

3）延時(shí)測(cè)量整形通道：將激勵(lì)輸入的信號(hào)耦合衰減送到“整形電路”；該通道特點(diǎn)：TTL電平，上升沿 ≤ 5ns，持續(xù)時(shí)間：10us±1us。

2.3 主要功能單元分析及設(shè)計(jì)

2.3.1 發(fā)射單元

發(fā)射單元分為檢波、天線切換開(kāi)關(guān)以及頻段濾波部分。發(fā)射單元在通訊系統(tǒng)中，需要完成對(duì)大功率發(fā)射信號(hào)的傳輸和切換，發(fā)射鏈路包含了：環(huán)形器、大功率開(kāi)關(guān)、耦合器等；還需要對(duì)微弱信號(hào)接收處理，接收鏈路包含了環(huán)形器、耦合器、限幅器、放大器等。由于產(chǎn)品同時(shí)集成了接收和發(fā)射功能，內(nèi)部信號(hào)復(fù)雜多樣。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮各個(gè)通道之間的合理布局，將各個(gè)通道之間的串?dāng)_盡可能減小。

2.3.2 接收單元

接收單元分為濾波、限幅、放大部分。采用限幅+低噪聲放大器+濾波結(jié)構(gòu)。

接收部分采用限幅接收，將接收信號(hào)控制在13dBm以內(nèi)，使后面的低噪聲放大器安全工作，接收靈敏度高，選擇性好。低噪聲放大器輸出端是濾波器，濾除雜波和諧波分量。它的噪聲系數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍、互調(diào)失真、-1dB壓縮點(diǎn)和三階截獲點(diǎn)等，都直接影響接收機(jī)的性能。

由圖2可以看出，理論鏈路計(jì)算噪聲可以設(shè)計(jì)在小于3dB，如果考慮高低溫的影響，噪聲會(huì)有一些惡化，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，該組件噪聲做到小于4.0dB是合理的。

圖2 天線控制組件接收通道鏈路

3 仿真及實(shí)測(cè)性能

通過(guò)對(duì)限幅器進(jìn)行耐功率分析，選取合適的限幅二極管，利用二極管的結(jié)電容及導(dǎo)通電阻，對(duì)接收電路（限幅器）進(jìn)行插入損耗和回波損耗仿真，結(jié)果如圖3、圖4所示，插入損耗小于0.2dB，回波損耗小于-20dB。

圖3 接收電路（限幅器）插損仿真結(jié)果

圖4 接收電路（限幅器）回波損耗仿真結(jié)果

對(duì)6只限幅器產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果如表1所示，駐波小于1.5，插損小于0.8dB，與仿真的差異主要原因是電路加工和限幅二極管的參數(shù)有所偏差。

表1 限幅器實(shí)測(cè)性能

通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行耐功率分析，選取合適的pin二極管，利用二極管的結(jié)電容及導(dǎo)通電阻，對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行插入損耗、隔離度和回波損耗的仿真，仿真結(jié)果如圖5～圖7所示，回波損耗小于-20dB，隔離度大于40dB，插入損耗小于0.3dB。

圖5 大功率開(kāi)關(guān)回波損耗仿真結(jié)果

圖6 大功率開(kāi)關(guān)隔離度仿真結(jié)果

圖7 大功率開(kāi)關(guān)插入損耗仿真結(jié)果

對(duì)2只開(kāi)關(guān)進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果如表2所示，駐波小于1.2，插損小于0.6dB，單通道工作時(shí)隔離度大于42dB，雙通道工作時(shí)隔離度大于29dB，與仿真的差異主要原因是電路加工和限幅二極管的參數(shù)有所偏差。

表2 開(kāi)關(guān)實(shí)測(cè)性能

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種天線控制組件，克服了現(xiàn)有組件的技術(shù)缺點(diǎn)，解決了線之間大功率、高隔離和體積之間的矛盾。仿真及產(chǎn)品實(shí)測(cè)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)天線控制組件相比，滿足大功率要求的同時(shí)，體積縮小了一半，實(shí)現(xiàn)了小型化，且隔離度提高了三倍。