甄可龍1 唐云菲2 呂善偉3

（1中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081）

（2冀州市職業(yè)教育中心 河北 冀州 053200）

（3北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100191）

基于ADS的毫米波收發(fā)組件設(shè)計及仿真

甄可龍1 唐云菲2 呂善偉3

（1中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081）

（2冀州市職業(yè)教育中心 河北 冀州 053200）

（3北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100191）

接收發(fā)射組件（T/R組件）是相控陣天線的核心部分，在通信、雷達等應(yīng)用領(lǐng)域日益得到重視。針對毫米波段的T/R組件進行了研究，在相控陣技術(shù)基本原理分析基礎(chǔ)上，對功放、低噪放、移相、衰減、開關(guān)及中頻放大等模塊進行了選型設(shè)計，利用安捷倫ADS軟件對T/R組件進行仿真驗證，仿真結(jié)果顯示接收組件具有較好的噪聲系數(shù)，發(fā)射組件功率輸出滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

毫米波收發(fā)組件相控陣ADS

1 引言

以T/R組件為核心的相控陣技術(shù)在通信、雷達等領(lǐng)域得到廣泛重視，相控陣天線可以實現(xiàn)波束無慣性快捷掃描、波束賦形、數(shù)字多波束和空間功率合成等優(yōu)點，結(jié)合擴頻、跳頻等技術(shù)，具有較強抗干擾和功能擴展能力[1-4]。相控陣天線具有良好空氣動力學(xué)特性和隱身性能，尤其適合在機載平臺上使用。相控陣天線系統(tǒng)一般由天線單元、T/R組件、饋電網(wǎng)絡(luò)、波控分機、電源等分機構(gòu)成。

一部相控陣系統(tǒng)包含幾十乃至成千上萬個T/R組件，T/R組件的性能直接決定了相控陣天線系統(tǒng)的整體指標(biāo)，是相控陣天線最核心部分[5]。隨著通信及雷達系統(tǒng)帶寬的日益增加，低頻段已經(jīng)滿足不了高速率傳輸需求，針對毫米波頻段的T/R組件進行了仿真設(shè)計。

2 T/R組件原理設(shè)計

毫米波相控陣T/R組件是一個包含限幅、放大、變頻、移相及衰減等多種功能的復(fù)雜系統(tǒng)[6]，根據(jù)功能模塊的劃分，提出了設(shè)計方案框圖，如圖1所示。

圖1 T/R組件設(shè)計方案框圖

組件采用超外差工作方式，收發(fā)狀態(tài)通過控制單刀雙擲開關(guān)實現(xiàn)分時工作；外部頻綜輸出高穩(wěn)定度信號，經(jīng)倍頻放大作為本振輸出；采用6位數(shù)控移相器和6位數(shù)控衰減器來控制信號相位和幅度，實現(xiàn)波束掃描及信號強度的控制；電源用來提供T/R組件的直流偏置，控制單元控制收發(fā)開關(guān)狀態(tài)。處于接收狀態(tài)時，毫米波信號通過限幅保護電路和低噪聲放大，經(jīng)下變頻后進行移相衰減，然后經(jīng)中頻放大濾波，最后送中頻處理單元；發(fā)射狀態(tài)時，輸入的中頻信號經(jīng)移相衰減后上變頻到毫米波頻段，經(jīng)濾波器抑制掉本振泄漏，通過前置驅(qū)放推動末級功率放大器輸出功率，送至天線輻射單元實現(xiàn)功率合成。

3 性能指標(biāo)及各分機設(shè)計

TR組件的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)：工作頻段：Ka頻段；輸入輸出中頻：L頻段；帶寬：±200 MHz；發(fā)射功率：≥20 dBm；噪聲系數(shù)：<5 dB；接收增益：≥30 dB。進行收發(fā)鏈路設(shè)計，包括射頻開關(guān)、限幅器、低噪聲放大器（LNA）、雙平衡混頻器、倍頻放大器、功放及驅(qū)動、衰減及移相和中頻放大器等模塊。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下。

⑴微波開關(guān)和限幅器

典型T/R組件使用2個微波開關(guān)，第一個開關(guān)使接收支路和發(fā)射支路共用天線，并保持足夠隔離度，一般工作在大功率狀態(tài)，也可用環(huán)形器來代替。第二個開關(guān)作用是讓接收路和發(fā)射路共用數(shù)字衰減器和移相器，工作在小功率狀態(tài)。對于微波開關(guān)要求隔離度大、插損小。限幅器屬于自控式衰減器，作用是防止發(fā)射功率或外來強干擾進入接收支路燒毀低噪聲放大器。

射頻開關(guān)選用Alpha公司的AP640R5-00型單刀雙擲開關(guān)，采用PIN工藝，在24～35 GHz頻帶內(nèi)典型指標(biāo)為：插損＜1.1 dB，隔離度＞30 dB，具有較強的功率承受能力。中頻開關(guān)選用M/A-COM公司MA4AGSW2型單刀雙擲開關(guān)，0～20 GHz帶內(nèi)插損為0.6 dB，隔離度為45 dB。

⑵低噪聲放大器低噪聲放大器是接收鏈路關(guān)鍵部件，保證整機低噪聲系數(shù)的前提下對接收信號進行放大，以滿足后級鏈路所需的功率電平。噪聲系數(shù)是衡量接收機的重要指標(biāo)，由公式（1）得出串聯(lián)分機和整機噪聲系數(shù)之間的相互關(guān)系，低噪放芯片要求噪聲系數(shù)小、增益高、動態(tài)范圍大。

低噪放模塊采用2塊MMIC串聯(lián)使用，第一級選用Eudyna公司的FMM5704X，工作頻帶36～40 GHz，NF=2.0 dB，Gain=18 dB，P-1dB=9 dBm。第二級選用Hittite公司HMC261，工作頻帶20～40 GHz，功率增益14 dB，P-1輸出功率為12 dBm。

⑶雙平衡混頻器

雙平衡混頻器具有良好諧波抑制效果。設(shè)計采用Hittite公司的HMC329芯片，同時作為上變頻和下變頻使用，RF信號頻段為35～40 GHz，當(dāng)本振驅(qū)動功率為13 dBm時，典型變頻損耗為9 dB。

⑷倍頻放大芯片

倍頻放大芯片用于本振信號的產(chǎn)生，采用UMS公司的CHX2091，工作頻帶20～40 GHz，倍頻損耗最大為-2 dB，輸入功率12 dBm。

⑸功率放大和驅(qū)動放大芯片

功放模塊由前置驅(qū)動放大器和后級大功率放大器構(gòu)成，它在T/R組件中將經(jīng)過移相、衰減后的射頻調(diào)制信號放大到足夠功率，由天線輻射出去。其主要指標(biāo)有飽和輸出功率、諧波抑制度、雜散抑制度及幅相一致性等，功放模塊是T/R組件的核心部分。

設(shè)計中功放芯片選用TriQuint公司的TGA4521-EPU，工作頻帶內(nèi)功率增益為15 dB，P-1功率輸出為23 dBm，38 GHz時飽和輸出功率可達24 dBm。為滿足功放正常工作要求，前置驅(qū)放選用Hittite公司的HMC283，在17～40 GHz頻段的Psat功率輸出為17 dBm，增益26 dB。

⑹移相和衰減器芯片

通過對數(shù)字移相器的控制，實現(xiàn)相控陣天線的波束掃描。移相器是T/R組件中的關(guān)鍵器件，要求能提供精確相移、插損小、相位一致性好，移相引起幅度變化要小。對相控陣天線副瓣電平有特殊要求時還要進行幅度加權(quán)，數(shù)控衰減器作用是對信號幅度加權(quán)。數(shù)控衰減器要求控制精度高、插損小、附加相移小。移相器和衰減器一般用在下變頻之后，移相器典型插損值為5.5 dB，衰減器典型插損值為3.5 dB。

⑺中頻放大器

對中頻信號放大的放大模塊采用AHB110C芯片，其工作頻帶為0～3 GHz，典型增益為22 dB，噪聲系數(shù)5 dB，P-1功率輸出為15 dBm。

4 接收及發(fā)射鏈路仿真

⑴發(fā)射鏈路設(shè)計及仿真

發(fā)射支路主要作用是將中頻信號上變頻至Ka頻段，并將信號放大到發(fā)射功率電平20 dBm，同時對本振信號泄漏和下邊帶信號進行抑制。鏈路信號流程如下：首先10 dBm的中頻信號經(jīng)中頻收發(fā)開關(guān)、數(shù)控移相器和衰減器后，與倍頻得到的本振信號進行混頻，上變頻后的信號經(jīng)帶通濾波后，通過驅(qū)放芯片放大，驅(qū)動末級功放芯片功率輸出。將器件參數(shù)加入到ADS系統(tǒng)模型中進行仿真，得到如下仿真數(shù)據(jù)，如圖2和圖3所示。

圖2發(fā)射鏈路中頻、射頻頻域仿真數(shù)據(jù)

圖3發(fā)射鏈路中頻、射頻時域仿真數(shù)據(jù)

根據(jù)ADS軟件對中頻輸入端及射頻輸出端的時頻域仿真結(jié)果，可見組件正常工作，發(fā)射鏈路輸出功率為22.39 dBm,滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

（2）接收鏈路設(shè)計與仿真

接收支路的作用是將從天線單元接收到毫米波信號經(jīng)收發(fā)開關(guān)、限幅器和低噪聲放大，下變頻到中頻信號放大濾波后輸出。器件參數(shù)加入到ADS系統(tǒng)模型中仿真，得到如下仿真數(shù)據(jù)，如圖4和圖5所示。

圖4接收鏈路射頻、中頻頻域仿真數(shù)據(jù)

圖5接收鏈路射頻、中頻時域仿真數(shù)據(jù)

圖4和圖5為接收鏈路射頻輸入及中頻輸出端的時域頻域仿真結(jié)果，可見該接收鏈路正常工作。仿真噪聲系數(shù)值為4.45 dB，滿足系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

從接收和發(fā)射鏈路的時頻域及噪聲系數(shù)仿真結(jié)果得出，該方案能實現(xiàn)T/R組件信號的正常收發(fā)，能較好的滿足設(shè)計指標(biāo)，為相控陣系統(tǒng)整機設(shè)計奠定基礎(chǔ)。此外，T/R組件的設(shè)計還應(yīng)考慮機械結(jié)構(gòu)、電磁兼容、效率功耗及散熱等多種因素，是一個綜合性系統(tǒng)工程。

[1]MAILL0UX R J.相控陣天線手冊[M]羅群,朱和平,周萬幸,等,譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]尹武,周繼宇,單俊濤.一種改進的自適應(yīng)波束賦形算法[J].無線電通信技術(shù),2012,38(4)：48-50.

[3]韓國棟,杜彪,陳如山.衛(wèi)星移動通信相控陣天線研究現(xiàn)狀與技術(shù)展望[J].無線電通信技術(shù),2013,39(4)：1-6.

[4]李勇,李文計.一種Ka頻段多波束天線的工程實現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù),2012,38(4)：45-47.

[5]胡明春,周志鵬,嚴偉.相控陣雷達收發(fā)組件技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2010.

[6]薛正輝,李偉明,任武.陣列天線分析與綜合[M].北京：航空航天大學(xué)出版社,2011.

Design and Simulation of Millimeter Wave Tx/Rx Module Based on ADS

ZHEN Ke-long1TANG Yun-fei2LV Shan-wei3
(1 The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)
(2 Jizhou Vocational Education Center,Jizhou Hebei 053200,China)
(3 School of Electronics and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

The transmitter and receiver(Tx/Rx)module is the core of phased array antenna,and plays a significant role in the field of communication and radar.This paper studies the Tx/Rx module in millimeter wave band,designs such modules as power amplifier, low-noise amplifier,phase shift,attenuation,switch and intermediate frequency amplifier based on the basic principle analysis of phased array technology,and simulates the Tx/Rx module by Agilent ADS software.The simulation results show that the Tx/Rx module has the better noise figure and its power output can satisfy the design specification requirements.

millimeter wave;transmitter and receiver module;phased array;ADS

TP391.72

A

1008-1739（2014）14-69-4

定稿日期：2014-06-26