摘 要：T/R組件是有源相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵部件，組件要求質(zhì)量較輕，成本較低，便于批量生產(chǎn)。如何優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，選擇合適的微波射頻芯片，來滿足系統(tǒng)的性能是非常重要的。在組件設(shè)計(jì)初期的方案論證過程中引入對(duì)ADS仿真軟件的應(yīng)用，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中仿真、優(yōu)化系統(tǒng)性能指標(biāo)，可以縮短開發(fā)周期、避免不必要的成本浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：T/R組件；ADS；電路仿真；指標(biāo)分配

Scheme Simulation of T/R Module Using Agilent Advanced Design System

WEI Xianju

(Electronic and Electric Engineering Institute，Shanghai Jiaotong University，Shanghai，464000，China)Abstract：T/R module is the significant component of the phase array radar.It needs little weight，low cost，and easy to produce.It is important to select a befitting scheme and a suitable set of microwave chips for matching the required perfor[CD*3］mance.Using the Advanced Design System (ADS) software to simulate the T/R module performance at initial stages.It could shorten the design cycle and avoid cost waste which unwanted.

Keywords：T/R module;ADS;circuit simulation;parameter assignment

隨著第四代戰(zhàn)斗機(jī)的需要和有源相控陣技術(shù)的發(fā)展成熟，有源相控陣?yán)走_(dá)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)受到越來越多的重視。其中T/R組件的設(shè)計(jì)生產(chǎn)是有源相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。由于在一部雷達(dá)中所裝備的T/R組件數(shù)量巨大，而組件中所使用的各類器件又比較昂貴，因此，在符合雷達(dá)既定設(shè)計(jì)指標(biāo)的條件下，如何盡量降低組件的體積、重量、控制元器件成本，是每個(gè)設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)思考的重要問題。在設(shè)計(jì)初期對(duì)系統(tǒng)組成進(jìn)行合理的論證和規(guī)劃，可以有效地縮短開發(fā)周期和設(shè)計(jì)成本。

Advanced Design System(ADS)是Agilent公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件。其功能非常強(qiáng)大，仿真手段豐富多樣，可實(shí)現(xiàn)包括時(shí)域和頻域、數(shù)字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)效率，是非常優(yōu)秀的微波電路、系統(tǒng)信號(hào)鏈路的設(shè)計(jì)工具。主要應(yīng)用于：射頻和微波電路的設(shè)計(jì)，通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，DSP設(shè)計(jì)和向量仿真。本文主要介紹ADS在T/R組件系統(tǒng)論證中的仿真應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成和主要指標(biāo)

一個(gè)典型的T/R組件主要由接收前端、高功率發(fā)射電路和包括移相衰減控制的共用電路等部分組成。組成框圖如圖1所示。

T/R組件主要的技術(shù)指標(biāo)包括：接收增益、接收噪聲系數(shù)、接收三階交調(diào)、發(fā)射增益、發(fā)射功率等。下面針對(duì)以上指標(biāo)使用ADS進(jìn)行方案論證。主要的工作是對(duì)各級(jí)電路進(jìn)行指標(biāo)分配，通過仿真來論證所選方案(元器件)是否可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，藉此，指導(dǎo)元器件的選擇和電路的實(shí)施。

設(shè)定系統(tǒng)指標(biāo)：

接收增益≥25 dB；接收噪聲系數(shù)≤4 dB；接收三階交調(diào)≤-40 dBc；發(fā)射輸出功率≥39 dBm；發(fā)射輸入功率≤3 dBm。

2 系統(tǒng)仿真

在Agilent的ADS仿真軟件中，有非常完善的仿真工具和元器件仿真模型，所有的功能級(jí)元器件模型可以從ADS的RF/Analog library中選取。從諧波平衡庫(kù)(harmonic balance library)選取P[CD#*2]1 tone source作為輸入信號(hào)源，選取50 Ohm terminal作為輸出負(fù)載。為了取得比較真實(shí)的仿真效果，模型的參數(shù)設(shè)置選取生產(chǎn)廠家提供的器件典型參數(shù)值。因?yàn)楣灿秒娐肥欠謺r(shí)應(yīng)用在接收和發(fā)射狀態(tài)，所以仿真時(shí)，在接收和發(fā)射通道中都要使用到。

2.1 接收通道仿真

接收通道的一般仿真電路如圖2所示。接收通道主要由接收機(jī)保護(hù)器(限幅器)和低噪聲放大器(LNA)組成，作用是將由天線接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，以提高雷達(dá)系統(tǒng)的接收靈敏度，然后進(jìn)行相應(yīng)的移相和幅度衰減處理。

由于接收通道一般都是針對(duì)小信號(hào)的處理，所以用到的仿真工具主要是S參數(shù)(S-Paramaters)仿真器和諧波平衡(Harmonic Balance)仿真器。在仿真器中設(shè)置相應(yīng)的頻率范圍，然后進(jìn)行仿真即可獲取相應(yīng)的仿真結(jié)果。接收通道主要的技術(shù)指標(biāo)有噪聲系數(shù)、接收增益和三階交調(diào)等。這三個(gè)指標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)制約的，下面通過仿真說明如何通過在各級(jí)電路上的合理分配來尋求三者之間的合理平衡。

圖2鏈路中無源電路的總衰減指為-19 dB，要達(dá)到25 dB的接收增益，放大器的總放大量為：25-(-19)=44 dB，考慮各級(jí)電路匹配失衡造成的損耗和必要的增益余量，取電路總放大量為 46 dB。設(shè)計(jì)中需要將總的增益量合理分配給兩個(gè)或者更多個(gè)放大器，同時(shí)要滿足接收通道對(duì)其他指標(biāo)(噪聲系數(shù)、三階交調(diào))的要求。

圖3是圖2電路在保持接收增益和各級(jí)噪聲系數(shù)相同的條件下， LNA1不同的放大量與接收通道噪聲系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？梢钥闯觯谝患?jí)低噪放的放大量越大，接收噪聲系數(shù)就越小。但是，由于第一級(jí)低噪放的輸出功率和三階交調(diào)都比較低，過大的增益會(huì)惡化三階交調(diào)指標(biāo)。如圖2所示兩級(jí)增益較大的放大器前后級(jí)聯(lián)在一起，其仿真結(jié)果如表1所示，可以看出增益被壓縮了，并且系統(tǒng)的三階交調(diào)指標(biāo)也不能達(dá)到系統(tǒng)要求。如果將LNA2后移到鏈路的最后，仿真結(jié)果如表2所示，三階交調(diào)指標(biāo)將得到明顯的改善，但同時(shí)接收噪聲系數(shù)又有所惡化。

為了在噪聲系數(shù)與三階交調(diào)之間需求平衡，可以將LNA2拆分為兩個(gè)增益較小的放大器，分別放置在LNA1之后和鏈路的最末級(jí)，更改后的電路如圖4所示，仿真結(jié)果如表3所示，通過合理調(diào)節(jié)幾個(gè)放大器之間的放大量和三階交調(diào)量，最終得到適合系統(tǒng)需求的參數(shù)。相對(duì)于通道的增益，在另一個(gè)角度上輸入信號(hào)功率對(duì)三階交調(diào)具有同樣的影響所用。圖5是圖4電路在不同的輸入信號(hào)功率條件下，對(duì)應(yīng)的三階交調(diào)指標(biāo)?？梢悦黠@地看出，較低的信號(hào)功率可以獲得較好的三階交調(diào)指標(biāo)。

發(fā)射通道一般由預(yù)先放大器和功率放大器組成。是將激勵(lì)器產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)，放大到一定功率電平，然后經(jīng)由天線發(fā)射出去。發(fā)射通道比較關(guān)心的是發(fā)射輸入功率、發(fā)射輸入功率和附加效率等指標(biāo)。發(fā)射通道的功能是提供相位和幅度經(jīng)過調(diào)整的高穩(wěn)定微波能量，輸出能力由微波器件的功率水平?jīng)Q定，發(fā)射輸出一般都是飽和功率輸出。因?yàn)門/R組件的能量損耗主要來自發(fā)射功率放大器，所以要特別注意提高效率，減小功耗。相對(duì)于接收通道來說，這里的增益一般是大信號(hào)增益。輸出功率飽和越深，輸出信號(hào)波動(dòng)越小，但附加效率越差。

發(fā)射通道仿真電路如圖6所示。由于涉及到大信號(hào)的處理，仿真器選擇了諧波平衡(HARMONIC BALANCE)仿真器和大信號(hào)S參數(shù)(LSSP)仿真器?？梢詫?duì)通道的功率飽和，增益壓縮和諧波分布等參數(shù)進(jìn)行仿真。

圖6電路中末級(jí)的高功率放大器使用了平衡電路的方式，在其輸入/輸出鏈接了耦合器電路。對(duì)于大增益電路，如果級(jí)聯(lián)電路之間匹配的不好，很容易出現(xiàn)電路自激現(xiàn)象。使用平衡電路可以減少級(jí)聯(lián)電路之間的失配，有效避免自激現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)可以提高信號(hào)的輸出功率。

圖6電路的部分仿真結(jié)果如圖7所示，分別給出了在不同的輸入信號(hào)功率條件下，發(fā)射通道的輸出功率和大信號(hào)增益指標(biāo)的變化趨勢(shì)。隨著輸入信號(hào)功率增大，輸出功率相應(yīng)增大，但可以明顯看出輸出功率逐步進(jìn)入飽和，通道的大信號(hào)增益逐漸減小。應(yīng)當(dāng)指出，電路的小信號(hào)增益是固定的，當(dāng)輸出功率飽和過深時(shí)，則增益壓縮過大，電路的效率也就相應(yīng)降低。在滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求的情況下，應(yīng)選擇較小的輸入功率，提高系統(tǒng)效率，降低電源電路的負(fù)擔(dān)。如圖7所示，當(dāng)輸入信號(hào)功率>-2 dBm時(shí)，輸出功率>39 dBm，都滿足系統(tǒng)需要。為提高系統(tǒng)效率，同時(shí)保證足夠的系統(tǒng)指標(biāo)余量，輸入功率應(yīng)選擇略大于-2 dBm的一個(gè)值。

3 結(jié) 語(yǔ)

介紹了ADS仿真軟件在T/R組件方案論證中的應(yīng)用。仿真選取了比較簡(jiǎn)單的電路，僅在說明軟件使用的方法和作用。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的電路，可能更加復(fù)雜，例如可以包括信號(hào)的上下變頻、濾波、檢波，甚至信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換等電路。對(duì)于如此復(fù)雜的電路，ADS仍然可以進(jìn)行仿真和論證。通過行為級(jí)的系統(tǒng)仿真，確定各級(jí)電路的參數(shù)分配，然后進(jìn)行各級(jí)電路的具體設(shè)計(jì)，即實(shí)際電路級(jí)的設(shè)計(jì)仿真，其仿真結(jié)果又可以反饋到系統(tǒng)級(jí)中進(jìn)行論證，重新修正各級(jí)電路的參數(shù)分配。如此循環(huán)優(yōu)化，逐步完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論證，其設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

參 考 文 獻(xiàn)

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［2］朱華順.ADS仿真器及其電路仿真［A］.EEsof用戶會(huì)論文集錦\\[C\\].2005.

［3］盧朝政.利用ADS進(jìn)行高功率放大器匹配電路設(shè)計(jì)［A］.EEsof用戶會(huì)論文集錦\\[C\\].2005.

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［7］Mangatayaru Atluri，Balaji C G，Rajatendu Das.MEMS Based Active Electronic Scanning Array［A］.ISSS，Bangalore，2005.

作者簡(jiǎn)介

魏憲舉 男，1979年出生，山東棗莊人，在職碩士研究生在讀。主要從事微波與射頻電路設(shè)計(jì)方向的研究。