2024, Vol. 41
2. 广东工业大学 物理与光电工程学院, 广东 广州 510006
2. School of Physics and Optoelectronic Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
随着无线通信技术的飞速发展，如何在保证通信质量的同时降低系统能耗并减小电路尺寸成为当今时代的研究热点。天线和功率放大器作为通信系统发射端的重要组成部分，二者级联形成的有源集成天线 (Active Integrated Antenna, AIA) 具有体积小、功率损耗低、效率高等优点，受到了广泛的关注[1-3]，其性能直接影响到通信系统的整体效率和可靠性。放大型AIA在无线传感器网络、无线电源系统和雷达系统中也有应用[4-6]。
开关电容功率放大器 (Switched Capacitor Power Amplifier, SCPA) 是一种利用开关技术和电容器来实现信号放大的功率放大器，是数字功放的一种。目前，国内外学者已经提出了多种技术来实现SCPA，包括传统的极性SCPA [7]、G类SCPA[8]、正交调制[9]、正交复用[10]等。随着更先进的互补金属氧化物半导体 (Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 工艺的出现，晶体管的效率、开关速度和集成度还将进一步提高。因此，开关电容功率放大器可以潜在地提供优越的峰值效率并支持复杂的调制方案。由于其低功耗和高效率的特性，SCPA被广泛应用于移动通信设备和便携式电子产品中。
平面缝隙天线以其结构简单、低轮廓等优点而受到广泛关注。传统的缝隙天线通常产生线极化波，这限制了其在多角度接收场景中的应用。圆极化波具有恒定的电场旋转方向，可以很好地解决这个难题。文献[11-12]可在一个频带中同时实现左旋和右旋圆极化辐射，此功能可使天线适合多样极化的操作。同时，双圆极化天线两个电磁波的正交极化模式，可以实现两路信号之间的极化隔离，进而减少收发通道之间的相互影响[13-14]。
在传统有源天线的设计中，放大器和天线是独立设计的，并通过50 Ω的传输线级联，因此需要分别设计功放和天线的匹配电路[15-16]。通过协同设计天线和功放，能够使增益和效率等参数在分立式设计的基础上得到优化。同时设计功率放大器与无源天线，并进一步将它们集成设计，使系统结构更加紧凑，有利于提升系统性能[17]。
本文设计了一款基于开关电容功率放大器的有源集成天线，具备结构紧凑、插入损耗低的特点。首先，本文基于极性与正交复用技术，设计了一款采用CMOS工艺的无匹配网络SCPA芯片。在SCPA的基础上，设计了一个双向辐射的圆极化缝隙天线，天线通过在环形槽结构中添加一段细长枝节将基膜分解为两个相互正交的简并谐振模，从而实现良好的圆极化性能。通过对两个器件的一体化设计，达到器件间低互连损耗的效果。实验测量了SCPA芯片和有源天线的轴比和各向同性辐射功率(Equivalent Isotropic Radiated Power, EIRP)等参数，验证了系统的性能。
1 开关电容功率放大器芯片设计SCPA具有低功耗、高效率、支持复杂调制信号的特点，可以显著降低系统的复杂性，其在传统射频系统中等效为数模转换器(Digital to Analog Converter, DAC)、混频器(Mixer)、功率放大器(Power Amplifier, PA)。
1.1 SCPA原理分析SCPA的原理如图1所示，通过控制工作于开关状态的电容数量实现对输出电压幅度的精准控制。
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图 1 SCPA原理图 Figure 1 Principles of the SCPA |
输出电压Vx可以表示为
| $ {V_{\text{x}}} = \frac{{{C_{{\text{on}}}}}}{{{C_{{\text{total}}}}}}{{{V}}_{{\text{DD}}}} $ | (1) |
其中：VDD为电源电压，Con为与处于开关状态的电容之和，而Ctotal为电容C1到CN之和，RL为负载电阻，在经过匹配网络仅保留基频分量后，输出电压Vout为
| $ {V_{{\text{out}}}} = \frac{2}{{\text{π}} }\left( {\frac{{{C_{{\text{on}}}}}}{{{C_{{\text{total}}}}}}} \right) {{{V}}_{{\text{DD}}}} $ | (2) |
输出功率Pout为
| $ {P_{{\text{out}}}} = \frac{2}{{{{\text{π}} ^2}}}{\left( {\frac{{{C_{{\text{on}}}}}}{{{C_{{\text{total}}}}}}} \right) ^2}\frac{{{{{V}}_{{\text{DD}}}}^2}}{{{R_{{\text{opt}}}}}} $ | (3) |
其中：Ropt为最佳负载阻抗。在这种SCPA结构中，调制信号的幅度通过控制电容下极板开关的数量实现，调制信号的相位通过控制参考时钟的相位实现。因为输出信号为调制信号的幅度与相位，因此这类SCPA称为极性SCPA。
图2为正交架构SCPA系统框图。系统使用独立的两个SCPA实现，使其在输出节点进行电压组合。两个SCPA所使用的时钟相位差为90度，其输出电压Vout,IQ可表示为
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图 2 正交调制的SCPA Figure 2 SCPA with quadrature modulation |
| $ {V_{{\text{out,IQ}}}} = \frac{2}{{\text{π}} }\left( {\frac{{{C_{{\text{on1}}}} + j{C_{{\text{on2}}}}}}{{{C_{{\text{total1}}}} + {C_{{\text{total2}}}}}}} \right) {{{V}}_{{\text{DD}}}} $ | (4) |
其中：Con1和Con2分别为I路和Q路处于开关状态的电容和，Ctotal1和Ctotal2为I路和Q路总电容。
1.2 SCPA芯片设计图3展示了所设计的SCPA原理图。SCPA采用正交架构，并且可以复用为极性架构。SCPA由两个独立的子SCPA构成，当输入同相位时钟时，SCPA成为极性SCPA；当输入正交时钟时，SCPA成为正交SCPA。每个子SCPA具有16个标准开关电容单元和2个比特细分开关电容单元，并且在输入幅值调制上提供6比特的精度。为配合天线一体化设计，芯片的输出引脚直接与晶体管相连，省去了输出匹配网络占用的面积。
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图 3 设计的正交调制的SCPA芯片原理图 Figure 3 Schematic diagram of the designed quadrature modulated SCPA |
所设计的SCPA由译码器、时钟生成模块、逻辑驱动模块以及开关电容单元构成。输入的二进制幅值控制信号经过译码器控制开关电容模块的工作与关断；时钟生成模块将芯片输入的正弦信号转换成数字逻辑时钟信号；逻辑驱动模块由一个门控时钟和一个多级反相器构成，其根据译码器输出的控制信号控制时钟信号馈通与切断，从而控制开关电容工作状态；开关电容模块由晶体管开关与输出电容构成。
开关使用晶体管堆叠结构以实现高电压耐受与高功率输出。输出电容采用0.1 pF的金属−氧化物−金属电容(Metal Oxid Metal, MOM)，开关晶体管中的P型金属氧化物场效应管(P-Channel Metal Oxide Semiconductor, PMOS)尺寸为120 μm/60 nm，N型金属氧化物场效应管(N-Channel Metal Oxide Semiconductor, NMOS)尺寸为40 μm/60 nm。此外，为了实现低损耗匹配，所设计的SCPA略去了输出匹配网络，使用片外的低损耗匹配网络进行一体化设计。
1.3 芯片测试结果与分析SCPA芯片的测试板如图4所示，将所设计的SCPA复用为极性架构，为两个子SCPA施加同相位时钟激励，调整时钟偏置电压使输出功率最大。将调制信号的幅值控制信号设置为最大，使用频谱仪测量SCPA的输出功率。测量结果如图5所示，SCPA最大输出功率达到了10.25 dBm，在1.91~1.98 GHz频率范围内能够保持稳定的输出。
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图 4 SCPA芯片的测试板实物图 Figure 4 Physical drawing of the SCPA test board |
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图 5 不同频率下SCPA的最大输出功率 Figure 5 Maximum output power of the SCPA at different frequencies |
图6 (a) 展示的是传统线极化平面缝隙天线的结构。该天线在地平面上加载方形环槽结构激发天线的基频谐振模式，基频谐振频率可通过式(5)求得[18]。
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图 6 传统的平面缝隙天线(a)与本文提出的天线结构图(b) Figure 6 Conventional planar slot antenna (a) and Structure of the proposed antenna (b) |
| $ f = \frac{{\text{c}}}{{4{L_1}}} \times {\left( {\frac{{1 + {\varepsilon _{\text{r}}}}}{{2{\varepsilon _{\text{r}}}}}} \right) ^{\tfrac{1}{2}}} $ | (5) |
式中：f为传统的方形环槽缝隙天线的基频谐振频率，c为自由空间中的光速，4L1为方形环槽的周长，εr为介质基板的相对介电常数。可见，基频谐振模式在波长对应于环槽平均周长的频率上谐振。天线通过末端加载调谐枝节的微带线进行馈电，随着调谐枝节的宽度的增加，馈线与环形槽之间的耦合不断增强，当调谐枝节的宽度增大到一定值时，二者之间达到了良好的阻抗匹配，从而实现了射频能量的双向辐射。
本文设计的天线结构如图6 (b) 所示，为了实现圆极化辐射，在传统的线极化平面缝隙天线环形槽结构的右侧边的中心蚀刻一个矩形凹槽，并在凹槽的中心加载一段细长枝节，为方形环槽引入一定的不对称性，这使得缝隙天线的基膜分解为两个正交的简并谐振模，为圆极化辐射创造了条件。由于该平面缝隙天线的谐振频率由方形环槽的周长决定，因此，改进后的圆极化平面缝隙天线的谐振频率可以由式(6)给出：
| $ f = \frac{{\text{c}}}{{4{L_1} + {l_1} + {w_1}}} \times {\left( {\frac{{1 + {\varepsilon _{\text{r}}}}}{{2{\varepsilon _{\text{r}}}}}} \right) ^{\tfrac{1}{2}}} $ | (6) |
式中：l1和w1分别为矩形凹槽的长和宽。由此可见，细长枝节的引入还能使天线的谐振频率降低，即与传统的平面缝隙天线相比，在相同的谐振频率下尺寸更小。此外，对环形槽结构的四角做了倒角处理，为环槽中的电流路径添加一个过渡，实现了阻抗带宽的拓展。天线印刷在厚度为1.6 mm，相对介电常数为4.4的FR-4介质基板上。优化后的天线各参数的值如表1 所示。
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表 1 优化后的天线尺寸 Table 1 Optimized dimensions of the antenna |
参数优化后的圆极化仿真方向图如图7所示。可见，天线在朝+Z方向辐射的是右旋圆极化波，朝−Z方向辐射的是左旋圆极化波，峰值增益为3.3 dBi。
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图 7 天线的圆极化辐射方向图 Figure 7 Radiation patterns of the proposed antenna |
将负载牵引得出SCPA的最优输出阻抗值与天线输入端进行整体匹配网络设计，建立的有源集成天线仿真模型如图8所示。所设计的匹配网络由两段100 Ω串联微带线和一段50 Ω并联开路线组成。匹配网络将天线阻抗调节至芯片输出阻抗的共轭，同时还考虑了对键合线引入的寄生电感进行补偿，降低了芯片与天线互连的插入损耗。为了减小芯片电路部分对天线圆极化性能的影响，在天线与芯片线路之间引入了两条隔离带，将天线地与芯片电路的地隔离，二者仅保留小部分物理连接，以此实现轴比带宽的保持。
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图 8 有源集成天线仿真模型 Figure 8 Model of the active integrated antenna |
将端口设置在匹配网络的输入端，端口阻抗设置为最佳负载阻抗，对有源集成天线模型进行了仿真，其反射系数S11和轴比仿真结果如图9所示。在1.79~2.14 GHz频段内S11≤−10 dB，有源集成天线的工作频率能够覆盖SCPA的稳定输出频带，并且隔离带的引入使得天线轴比维持在了较低的水平。
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图 9 有源集成天线的S11和轴比仿真结果 Figure 9 Simulated S11 and axial ratio of the active integrated antenna model |
为了验证设计的有效性，对上述设计内容进行加工制作，装配完成的有源集成天线如图10所示。板材采用的是厚度为1.6 mm的FR-4(介电常数4.4，损耗正切值为0.02)。SCPA芯片采用引线键合的方式将各引脚连接到印制电路板(Printed Circuit Board, PCB)的焊盘上，实现芯片与偏置电路、天线的连接。
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图 10 基于SCPA芯片的有源集成天线实物图 Figure 10 Prototype of the active integrated antenna |
对加工完成的电路进行测试，得到EIRP和轴比的测试结果如图11所示。在1.9~1.96 GHz频段内，天线EIRP数值与芯片输出和天线增益之和相近，说明有源集成天线实现了良好的性能。最大EIRP在1.92 GHz频率下测得12.5 dBm。对比天线的轴比仿真结果可以看到，圆极化频率发生了偏移，这可能与厂商供应的FR-4板材介电常数有偏差有关。
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图 11 有源集成天线的EIRP和轴比测试结果 Figure 11 Measured EIRP and axial ratio results of the AIA |
图12展示了有源集成天线在1.92 GHz下的左旋和右旋圆极化辐射方向图，从图中可以看出，在1.92 GHz处实现了良好的圆极化辐射效果。
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图 12 有源集成天线在1.92 GHz的圆极化辐射方向图测试结果 Figure 12 Measured radiation patterns of the AIA working at 1.92 GHz |
本文设计了一款基于极性和正交复用技术的SCPA芯片，然后基于该SCPA的输出阻抗特性设计了一个圆极化有源集成发射天线。协同设计天线与射频芯片，减小了二者互连带来的插入损耗。将有源天线设计成双向辐射的圆极化结构，可进一步提高通信信号覆盖范围。文章所提出的有源集成天线对需要双向独立的多角度通信系统的设计具有参考意义。
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