Analysis and design of active integrated antennas for transceivers

Abstract

Bu tez, bir Verici / Alıcı (T/ R) aktif anten sistemi için sağlam tasarım ve modelleme yaklaşımları sunmaktadır. 2.45 GHz ve 5.2-5.8 GHz WLAN frekansları için kazanç, verimlilik ve radyasyon özelliklerinin iyi olduğu bir Verici / Alıcı (T/ R) aktif anten tasarımı geliştirilmiştir. Verici Anteni, Verici / Alıcı (T/ R) anahtarı aracılığıyla bir Güç Amplifikatörüne (PA) bağlanmıştır. Alıcı Anteni, Verici / Alıcı (T/ R) anahtarı aracılığıyla bir Düşük Gürültülü Kuvvetlendiriciye (LNA) bağlanmıştır. Verici / Alıcı (T/ R) modları arasında geçiş, literatürde olduğu gibi PIN diyotları veya GaAs MESFET'ler yerine npn/ pnp BJT çiftleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Verici görevi gören anten, oluşan harmonikleri bastıracak şekilde tasarlanmıştır. Güç amplifikatörleri (PA'lar), taşınabilir uygulamalarda gücün çoğunu tüketir. Bu nedenle, aktif Verici / Alıcı (T/ R) anten sisteminin bir parçası olarak güç kuvvetlendiricisi topolojileri araştırılmış ve tasarlanmıştır. LNA için tek aşamalı bir kuvvetlendirici topolojisi incelenmiştir. Çalışma prensibi Sonlu Elemanlar yöntemine (FEM) dayalı olan Ansoft Yüksek Frekans Sistem Simülatörü (HFSS) kullanılarak Verici / Alıcı (T/ R) anten simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Yükselteç devresi tasarımları ise Ansoft Designer kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Genel tasarımın üç ana bileşeni, aktif anten, düşük gürültü ve güç amplifikatörleridir. Aşağıdaki hedeflere ulaşılmıştır:  Anteni iletim modunda bir yük olarak sürmek için doğrusal PA tasarımı.  LNA tasarımı.  Aktif mikroşerit yama anten tasarımı.  T ve R blokları arasında iyi izolasyon sağlamak için bir T/ R anahtarı.  İletim modunda harmonik bastırma. Genel olarak, tez, iyi harmonik bastırma ve izolasyona özelliğine sahip kompakt bir T/ R aktif anten sisteminin tasarlanması ile tamamlanmıştır. Empedans uyumu, anten ışıma modeli, anten kazancının teorik, sayısal ve ölçülen sonuçları tez içerisinde sunulmuştur.

This thesis has presented solid design and modeling approaches for a Transmit/ Receive (T/ R) active antenna system. The design of a T/ R active antenna with good gain, efficiency, and radiation properties is developed for the 2.45 GHz and 5.2-5.8 GHz WLAN frequencies. Transmit Antenna has been connected to a Power Amplifier (PA) through the T/ R switch. Receive Antenna has been connected to a Low-noise Amplifier (LNA) through the T/ R switch. Switching between T and R modes was realized using a NOT gate using npn/ pnp BJT pairs instead of PIN diodes or GaAs MESFETs as in the literature. The antenna in Transmit mode has been designed such that some of the harmonics are suppressed. Power amplifiers (PAs) consume the majority of power in portable applications. Therefore power amplifier topologies have been investigated and designed as part of the active T/ R antenna system. For the LNA, single-stage amplifier topologies have been investigated. Transmit/ Receive (T/ R) antenna simulations have been performed using Ansoft High-Frequency System Simulator (HFSS), whose working principle is based on the Finite Element method (FEM). Amplifier circuit designs have been realized using Ansoft Designer. Three main components of the overall design are active antenna, low-noise, and power amplifiers. The following objectives have been achieved:  Linear PA design to drive the antenna as a load in Transmit mode.  LNA design.  Active microstrip patch antenna design.  A T/ R switch provides good isolation between T and R paths.  Harmonic suppression in Transmit mode. Overall, the thesis has resulted in a compact T/ R active antenna system with good harmonic suppression and isolation. Theoretical, numerical, and measured results of impedance matching, antenna radiation pattern, and antenna gain, have been reported and presented in this thesis.