有源Vivaldi天线

摘要

一种天线系统，具有：Vivaldi天线，该Vivaldi天线被配置为在频率fc处和频率fc以上但不在频率fc以下与天线阻抗Za阻抗匹配；场效应晶体管缓冲器，该缓冲器耦合到Vivaldi天线，天线端子与缓冲器之间的耦合的长度具有比频率fc处的波长小得多的距离，缓冲器被配置为在基本上

说明书

【相关申请的交叉引用】

本申请要求2018年9月21日提交且标题为“Active Vivaldi Antenna”的美国临时专利申请序列号62/734,881的权益，此处据此以引证的方式将该申请的公开并入。

本申请还涉及在2018年9月21日提交且标题为“Active Wideband Antenna”的美国临时专利申请序列号62/734,885及其与本申请在同一天提交且标题为“ActiveWideband Antenna”(代理人案号631584-3)的相关PCT国际申请序列号____，此处据此以引证的方式将上述申请的公开并入。

【技术领域】

有源Vivaldi天线

【背景技术】

无源Vivaldi天线通常具有大约10:1的带宽，并且需要大尺寸以在低频率下良好地运行。例如，参见Lee等人的“A low profile wide-band(5:1)dual-pol array,”，IEEEAWPL，第2卷,2003年以及J.J.Lee和S.Livingston，“Wide band bunny-ear radiatingelement,”，Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society InternationalSymposium,Ann Arbor,MI,USA，1993年，第1604-1607页,第3卷。有源单极和偶极天线使用缓冲放大器，但是它们仅在高达偶极天线的大约第一谐振处操作。因此，它们的高频带宽是有限的。

【发明内容】

在一个方面，本发明提供了一种宽带Vivaldi类型的接收天线，该接收天线在操作的“传统频带”(其中尺寸在最小频率下>＝1/2个波长(λ))和低频“扩展频带”(其中尺寸<λ/2)中操作。本发明的有源Vivaldi包括具有平衡馈电器的Vivaldi天线(一个示例是兔耳天线)和直接集成到Vivaldi天线的各个馈电点中的差分缓冲放大器。“直接集成到各个馈电器中”意味着用于将天线的臂连接到缓冲器的任何传输线尽可能短，并且长度对于扩展频带中的任何频率必定小于四分之一波长，并且长度对于扩展频带中的任何频率优选地小于1/10个波长。在这样短的长度的情况下，在天线馈电点与差分缓冲放大器之间不存在用于阻抗匹配装置(诸如平衡-不平衡变换器)的空间，也不存在期望的空间。相反，各个差分缓冲放大器优选地被配置为在扩展频带中具有高阻抗输入(即，比传统频带中的天线阻抗高得多)。在一些实施方式中，缓冲放大器的输入阻抗在传统频带中也较高，而在其它实施方式中，缓冲放大器优选地通过使用反馈电路在传统频带中与天线阻抗匹配。缓冲器各自优选地包括一个或多个FET，并且更优选地包括一个或多个氮化镓(GaN)FET，并且缓冲器可以被布置有差分或单端输出。缓冲器的输出在传统频带和扩展频带上都与接口阻抗(通常为50、75或100欧姆)阻抗匹配。

在另一方面，本发明提供了一种接收天线，该接收天线具有比现有技术天线可能的更宽的带宽，而不增加其尺寸。传统的Vivaldi天线在10:1带宽上操作，并且尺寸在最小频率下在0.5λ至1λ之间。例如，操作在1-10GHz的天线的尺寸为～6英寸或更大。将带宽要求增加到0.1-10GHz将意味着将尺寸增加到～60英寸(并且将引入维持阻抗匹配的额外的设计挑战)，或者将迫使用户接受在0.1-1GHz扩展频带上的严重劣化的接收灵敏度(即，最小可检测信号)。本发明可以允许对于6英寸尺寸在0.1-10GHz上操作，而不会严重劣化灵敏度。

在又一方面，本发明提供了一种Vivaldi天线，该Vivaldi天线被配置为在频率fc处和频率fc以上但不在频率fc以下与天线阻抗Za(通常是真实阻抗)阻抗匹配(在远低于fc的频率处，Vivaldi天线优选地具有绝对值通常大于Za的电抗性阻抗)；场效应晶体管缓冲器耦合到所述Vivaldi天线，天线端子与缓冲器之间的所述耦合的长度为比频率fc处的波长小得多的距离，缓冲器被配置为在基本上＜fc的频率处呈现高输入阻抗，缓冲输出阻抗还被配置为在fc以上和以下两者的频率处与系统阻抗Z0匹配，fc是定义扩展频带与传统频带之间的边界的频率。

在又一方面，本发明提供了一种Vivaldi天线系统，该天线系统具有：Vivaldi形状的天线的一对天线臂，天线臂随着它们从天线喉部处的近端发射而彼此发散；缓冲放大器，该缓冲放大器包括至少一对晶体管化放大器，缓冲放大器具体实施在IC芯片中，并且IC芯片直接黏结到天线臂在天线喉部处的近端，借此，一对所述晶体管化放大器的每一个的控制电极布置成与从天线臂的所述近端相距小于在Vivaldi天线系统中出现的能量扩展频带中的最高频率的波长的四分之一。

在又一方面，本发明提供了一种Vivaldi天线系统，该Vivaldi天线系统包括：Vivaldi类型的接收天线，该接收天线在操作的“传统频带”(其中，Vivaldi类型的接收天线的尺寸在所述操作的“传统频带”中的最小频率下>＝1/2波长(λ))和低频“扩展频带”(其中，Vivaldi类型的接收天线的尺寸<λ/2)中操作；缓冲放大器，该缓冲放大器具有至少一对FET放大器，一对FET放大器各自具有直接耦合到Vivaldi类型的接收天线的臂的栅极(或栅电极)，一对FET放大器的每一个具有比Vivaldi类型的接收天线在扩展频带中的特性阻抗高得多的输入阻抗。

【附图说明】

图la和图lb描绘了根据现有技术(图la)和根据本公开(图lb)的Vivaldi天线。

图2示出了一种可能尺寸的现有技术无源Vivaldi天线，并且图2-1和图2-2示出了图2的无源Vivaldi天线的模拟，并且还示出了上述扩展频带与传统频带之间的边界频率fc。

图3示出了一种改进的Vivaldi天线，该天线具有在IC芯片上的缓冲放大器，这些放大器被布置为尽可能合理地靠近Vivaldi天线的臂的近端。

图3-1描绘了缓冲放大器的FET的剖视图，该缓冲放大器被布置为非常靠近根据本公开技术的一个实施方式的Vivaldi天线的臂的近端。

图3(a)至图3(d)描绘了GaN缓冲放大器的四个实施方式的简化示意图(未示出缓冲放大器的偏置网络)。图3(a)和图3(b)具有高阻抗输入并且没有反馈；图3(c)和图3(d)并入有包括电容器C和电阻器R的高通反馈电路，以提供在低频扩展频带中为高阻抗并且在高频传统频带中与天线阻抗匹配的输入阻抗。图3(a)和图3(c)具有差分输出，而图3(b)和图3(d)采用变压器耦合(经由变压器T)来提供单端输出。图3(d)描绘了当前优选的实施方式。

图4示出了用于模拟GaN缓冲器对接收灵敏度的影响的模型。天线的全波模拟用于组成直接用于电路模拟器的2端口S参数模型。

图5(a)至图5(c)描绘了有源Vivaldi(具有R-C反馈)与无源Vivaldi的模拟比较。S21(参见图5(a))是天线增益(包括任何放大器增益和衰减器的5dB损耗)与天线方向性的比值。噪声系数的参考平面(参见图5(b))是入射波。反射率的参考平面(参见图5(c))是无源情况的天线端子和有源情况的缓冲器输出。注意：1/f噪声不包括在模型中。

图6(a)至图6(c)示出了在缓冲放大器中有和没有反馈的情况下增益、噪声和线性度(输入3阶截取点，参考平面是入射波)的模拟比较。反馈稍微劣化了增益和NF，但是减少了脉动并改善了线性度。注意：1/f噪声不包括在模型中。

【具体实施方式】

以下描述被提出为使得本领域普通技术人员能够进行并使用本发明，并且将本发明并入在特定应用的语境中。各种修改以及在不同应用中的各种用途将对本领域技术人员容易地清晰，并且这里所定义的一般原理可以应用于宽范围的实施方式。由此，本发明不旨在限于所提出的实施方式，而是符合与这里所公开的原理和新型特征一致的最宽范围。

在以下详细描述中，为了提供本发明的更彻底理解，阐述了大量具体细节。然而，将对本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在不必限于这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，为了避免使本发明模糊，以框图形式而不是详细地示出公知结构和装置。

读者的注意力被引导到(i)与本说明书同时提交的所有文件和文献，文件和文献与本说明书一起对公众审查开放(此处以引证的方式将所有这种文件和文献的内容并入)和(ii)此处以引证的方式另外并入的(但不是在物理上与本说明书一起提交的)所有文件和文献。

在本说明书中公开的所有特征(包括任意所附权利要求、摘要以及附图)可由用于相同、等效或类似目的的另选特征来替换，除非另外明确陈述。由此，除非另外明确陈述，否则所公开的每个特征仅是通用的一系列等效或类似特征的一个示例。

此外，未明确陈述用于执行指定功能的“装置”或用于执行具体功能的“步骤”的权利要求中的任意元素不被解释为如在35U.S.C第112节第(f)段落中指定的“装置”或“步骤”条款。具体地，这里权利要求中“的步骤”或“的动作”的使用不旨在调用35U.S.C第112节第(f)段落中的规定。

图la示出了根据现有技术的Vivaldi天线，而图lb和图3示出了根据本发明实施方式的有源Vivaldi。在现有技术中，无源Vivaldi可以具有微带或带状线馈电器(如图la所示)或者可以具有“兔耳”的形状或配置(参见图lb的Vivaldi天线10)。Vivaldi天线10具有一对臂，各个臂在图3中用附图标记10标记，其从天线的馈电点10P处的喉部区域发出。本公开的技术与现有技术的不同之处在于，如图lb和图3所示，将FET缓冲放大器12直接集成到Vivaldi天线的平衡臂10的天线馈电器10P上或集成在其处。

对于如图2所示尺寸的现有技术的Vivaldi天线，图2-1和图2-2中示出了根据现有技术的Vivaldi天线的模拟性能。在1-3GHz上，天线良好匹配到150欧姆(参见图2-2)，并且总效率接近0dB(参见图2-1)。该性能可能一直扩展到10GHz或更多，但是由于资源限制，模拟在3GHz终止。低于1GHz，阻抗匹配劣化，并且总效率下降40dB/十倍。在200MHz与1GHz之间，阻抗在串联与并联谐振之间变化。然而，在20至200MHz之间，类似于短偶极，阻抗表现为小电容。我们认为该频带是“短偶极”频带，而200MHz至1GHz是该天线的“过渡”频带。“短偶极”频带和“过渡”频带一起形成“扩展”频带。

在现有技术中，图2的Vivaldi天线由于其广泛波动的阻抗而被认为在过渡和短偶极频带(统称为“扩展频带”)中是不可用的，因此其使用将被限制在Sll小于-8dB的传统频带。另一方面，通过利用和定位如本文公开的缓冲放大器12，图3的有源Vivaldi天线可以被用于过渡(并且优选地也用于扩展频带)。

图3(a)至图3(d)中示出了缓冲放大器12的四个可能的实施方式。在第一实施方式(图3(a))中，缓冲放大器12包括一对差分共源极放大器，各个差分共源极放大器直接耦合到Vivaldi天线的一个平衡馈电端子。该连接可以利用与传统频带中的天线阻抗匹配的传输线，但是也可以利用两个导体的另一布置(例如，不布置在传统传输线中的导线或迹线)来进行。天线端子与缓冲器12中的FET之间的该连接的长度d应该<<扩展频带的最高频率处的波长(在该示例中是1GHz...，参见图2-2)。两个晶体管的源极连接到公共接地节点，并且差分输出被带到接收器，或者可选地，第二放大级(未示出)。对该实施方式的修改借助于变压器提供单端输出(图3(b))。

缓冲放大器12的优选实施方式(参见图3(c)和图3(d))并入有包括电阻器R和电容器C的反馈网络，以实现在扩展频带中具有高输入阻抗并且在传统频带中与天线阻抗匹配的缓冲器。放大器12的输出阻抗优选地被设置为系统阻抗(Z0)，在许多实施方式中，该系统阻抗可能良好地等于50欧姆。在一个实施方式中，高通网络(图3(c)和图3(d)中以虚线示出)由与电容器C(在一个示例或实施方式中为500欧姆和2pF)串联的电阻器R组成，该电容器将FET的漏极D耦合到栅极G。目标是设计缓冲放大器12，使得在反馈网络的RC截止频率以上，输入阻抗和最佳噪声阻抗都接近天线阻抗。第二个目标是设计RC截止频率，使得反馈在扩展频带中被最小化，同时维持放大器稳定性和与扩展频带中的天线阻抗相比相对高的输入阻抗。

Vivaldi天线的臂10可由印刷电路板或其它电介质基板15上的金属限定，如图3和图3-1所示，并且包括缓冲放大器12(优选地具有至少两个FET缓冲放大器，如图3(a)至图3(d)所描绘的)的IC芯片16布置在基板15上，使得芯片16的触点C直接黏结在Vivaldi天线的臂10的近端10P处的馈电点处，并且相对于缓冲放大器12中的FET放大器的栅极G非常接近地布置。可以由例如布置在Vivaldi天线的臂10的端10P处的馈电点(在触点C处)与栅极G之间的长度为d的过孔形成的传输线优选地通过形成与前述芯片触点C相邻的FET放大器的栅极G来维持尽可能合理地短。图3-1中的剖视图示出了一个FET装置，该FET装置具有在触点C处将FET的金属栅极G耦合到Vivaldi天线的一个臂10的近端10P的竖直金属过孔。第二FET将类似地相对于Vivaldi天线的另一臂10而布置。图3(a)至图3(d)以及图3-1所示的距离d应当尽可能短，并且Vivaldi天线的臂10的近端(或馈电点)10P优选地在触点C处立即耦合。如果FET放大器具有多于一个级，那么是第一级的栅极G优选地布置为靠近前述触点C。

传输线(例如，可以由过孔具体实施)的长度d远小于频率fc处的波长，并且优选地尽可能合理地短。

使用Vivaldi辐射器的全波模拟和晶体管器件的制造厂提供的非线性模型完成了该技术的初步模拟。这些模型的确具有局限性，因为它们没有考虑1/f噪声，这可能限制在最低频率下的结果的保真度。第一步是转换所模拟的辐射体的辐射图和阻抗，并生成天线的2端口模型(参见图4)。在该模型中，S21是总天线效率(包括阻抗匹配和辐射效率)，而S22是无源天线反射系数。S21和噪声系数在有和没有缓冲器的情况下都进行了评估。为了评估对灵敏度的影响，在两个天线之后插入5dB衰减器来考虑接收器噪声。还使用谐波平衡来模拟输入三阶截取点(IIP3)。参考平面是入射波。这些初步模拟的结果在图5(a)至6(c)中呈现。

转到图5(a)至图5(c)，与以40dB/十倍滚降的无源Vivaldi天线(参见图5(a))相比，具有缓冲放大器的有源Vivaldi天线在20MHz下将天线增益提高了>20dB。有源Vivaldi天线仅以20dB/十倍滚降。噪声系数(NF)的改善(参见图5(b))几乎等于增益改善，但是略低。其原因是缓冲器具有内部噪声源。最后，缓冲器输出阻抗匹配到100欧姆(差分)，在几乎整个频带上的反射率＜-10dB，而无源天线仅在传统频带中匹配(参见图5(c))。

图6(a)至图6(c)示出了缓冲放大器中具有R-C反馈(参见图3c和图3d)相对于无反馈(参见图3a和图3b)的晶体管化放大器的优点。在没有反馈的情况下，在过渡频带中存在相当大的脉动，这导致劣化的线性度(参见图6(a))。并入有反馈使增益和NF非常轻微地劣化(参见图6(b))，但显著地降低了脉动，这又去除了IIP3中的下降(参见图6(c))。因此，R-C反馈对于缓冲放大器是优选的。

缓冲放大器中的FET器件优选地被具体实施为GaN器件，尽管当实践本公开技术的人员期望时，可以使用其它III-V族器件或者甚至硅器件。

现在已经根据专利法规的要求描述了本发明，本领域技术人员将理解如何对本发明进行改变和修改以满足其特定要求或条件。这种改变和修改可以在不脱离如本文公开的本发明的范围和精神的情况下进行。

为了例示和公开，根据法律的要求，呈现了示例性和优选实施方式的前述详细描述。不旨在穷尽也不将本发明限于所述的精确形式，而是仅使得本领域其他技术人员能够理解本发明如何适合于特定的用途或实施方案。修改例和变型例的可能性对于本领域技术人员将是明显的。示例性实施方式的描述不旨在限制，这些实施方式可以已包括公差、特征尺寸、特定操作条件、工程规范等，并且可以在实施方案之间变化或随着现有技术的变化而变化，并且不应从其暗示任何限制。申请人已经关于当前技术水平做出了本公开，但是还预期进展，并且未来的改编可以考虑这些进展，即根据当时的当前技术水平。如果适用，则预期本发明的范围由书面权利要求以及等同物来限定。对单数形式的权利要求元件的参照不旨在意指“一个且仅一个”，除非明确这样陈述。而且，不管本公开中的元件、部件、方法或工艺步骤是否在权利要求中明确列举，该元件、部件或步骤都不旨在专用于公众。本文中没有权利要求元素被解释为在35美国第2节的规定下，因为它存在于提交本申请的日期，除非元件使用短语“用于……的装置”明确叙述，并且本文的方法或工艺步骤均不在这些规定下进行解释，除非步骤使用短语“包括步骤……”明确叙述。

可以在不偏离本发明的范围的情况下对此处描述的系统、设备以及方法进行修改、添加或省略。系统和设备的部件可以集成或分离。而且，系统和设备的操作可以由更多、更少或其他部件来执行。方法可以包括更多、更少或其他步骤。另外，步骤可以以任意合适的顺序来执行。如本文献中使用的，“每个”是指集合的每个成员或集合的子集的每个成员。

本发明的概念包括：

1、一种设备，包括：Vivaldi天线，所述Vivaldi天线被配置为在频率fc处和频率fc以上但不在频率fc以下与天线阻抗Za阻抗匹配；场效应晶体管缓冲器，所述缓冲器耦合到Vivaldi天线的端子，天线端子与场效应晶体管缓冲器之间的耦合的长度是比频率fc处的波长小得多的距离，缓冲器被配置为在基本上

2、概念1的设备，其中，缓冲器包括GaN FET。

3、概念1或2的设备，其中，天线具有平衡馈电器，并且缓冲器具有平衡输入。

4、概念1至3中任意一项的设备，其中，缓冲器具有差分输出。

5、概念1-3中任意一项的设备，其中，缓冲器具有单端输出。

6、概念1至5中任意一项的设备，其中，缓冲器在Vivaldi天线的尺寸在最小频率处<1/2个波长(λ)的扩展频带中具有高阻抗输入，并且在Vivaldi天线的尺寸在所述最小频率处>＝1/2个波长(λ)的传统频带中与Za阻抗匹配。

7、概念1至6中任意一项的设备，其中，缓冲器包括RC高通反馈网络。

8、一种Vivaldi天线系统，具有：Vivaldi形状的天线的一对天线臂，天线臂随着它们从天线喉部处的近端发射而彼此发散；缓冲放大器，所述缓冲放大器包括至少一对晶体管化放大器，缓冲放大器具体实施在IC芯片中，并且IC芯片直接黏结到天线臂在天线喉部处的近端，借此，一对所述晶体管化放大器的每一个的控制电极布置成与从天线臂的所述近端相距小于在Vivaldi天线系统中出现的能量扩展频带中的最高频率的波长的四分之一。

9、概念8的Vivaldi天线系统，其中，一对晶体管化的放大器是FET放大器，这些放大器优选地由GaN FET器件形成，并且其中，控制电极是所述FET放大器的栅极。

10、概念8或9的Vivaldi天线系统，其中，一对晶体管化放大器被具体实施为共源极FET放大器。

11、一种Vivaldi天线系统，包括：Vivaldi类型的接收天线，所述接收天线在操作的“传统频带”(其中，Vivaldi类型的接收天线的尺寸在所述操作的“传统频带”中的最小频率下>＝1/2波长(λ))和低频“扩展频带”(其中，Vivaldi类型的接收天线的尺寸<λ/2)中操作；缓冲放大器，所述缓冲放大器具有至少一对FET放大器，一对FET放大器各自具有直接耦合到Vivaldi类型的接收天线的臂的栅电极，一对FET放大器的每一个具有比Vivaldi类型的接收天线在扩展频带中的特性阻抗高得多的输入阻抗。

12、概念11的Vivaldi天线系统，其中，FET放大器由GaN器件形成。

13、概念11的Vivaldi天线系统，其中，FET放大器的各个栅电极被布置为紧密接近Vivaldi类型的接收天线的臂的远端中的相应一个。