凌 丹，崔曉偉

(清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084)

0 引 言

微波電路廣泛應(yīng)用在諸如移動(dòng)通信、雷達(dá)、遙感、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等各類無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)中。作為核心子系統(tǒng)，微波電路子系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù)對(duì)于確定整個(gè)無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的總體指標(biāo)起著非常關(guān)鍵的作用。

微波頻段涵蓋了300 MHz～300 GHz，甚至更高頻段[1]。因?yàn)槲⒉娐返奈锢沓叽缗c工作波長(zhǎng)相比擬，電路特性呈現(xiàn)分布參數(shù)效應(yīng)[2-3]，所以其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都與其他低頻和高頻電路有很大區(qū)別。而微波子系統(tǒng)作為各大系統(tǒng)中的重要組成部分，最終要服務(wù)于大系統(tǒng)。因此，微波電路組成的微波子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)與大系統(tǒng)相結(jié)合，從系統(tǒng)的角度去進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

我校電子工程系開設(shè)了限選課“微波電路設(shè)計(jì)”，旨在幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)理解微波電路的工作原理和作用；并從系統(tǒng)的角度，結(jié)合SystemVue和先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Advanced design system,ADS)仿真軟件，討論如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將系統(tǒng)和單元電路協(xié)同考慮，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的統(tǒng)籌規(guī)劃下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)微波電路，有利于學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)理解應(yīng)用專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)能力，提升探究和創(chuàng)新能力。

1 軟件簡(jiǎn)介

1.1 SystemVue

SystemVue軟件是一種電子系統(tǒng)級(jí)仿真軟件。它通過(guò)多種仿真技術(shù)支撐數(shù)字基帶和射頻微波的混合仿真，提供豐富的無(wú)線通信、雷達(dá)、衛(wèi)星模型庫(kù)，還可與儀表互聯(lián)實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真。這里說(shuō)的系統(tǒng)級(jí)仿真是基于基帶或射頻電路的行為級(jí)模型對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估[4]。

SystemVue針對(duì)射頻和基帶系統(tǒng)分析提供了兩種仿真引擎，分別是Spectrasys和Data Flow。該軟件還提供了射頻系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，使用射頻元件功能模塊(非實(shí)際電路)來(lái)搭建系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、模塊參數(shù)等來(lái)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)的模塊電路的設(shè)計(jì)和選型提供依據(jù)[4]。

1.2 ADS

ADS軟件支持系統(tǒng)和射頻設(shè)計(jì)師開發(fā)所有類型的射頻設(shè)計(jì)，從簡(jiǎn)單到最復(fù)雜，從射頻∕微波模塊到用于通信和航空航天∕國(guó)防的MMIC。ADS電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化功能十分強(qiáng)大，包含時(shí)域電路、頻域電路、三維電磁、通信系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理仿真設(shè)計(jì)[5]。

2 設(shè)計(jì)流程

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，結(jié)合通信系統(tǒng)和單元電路的全套訓(xùn)練思想，設(shè)計(jì)了微波電路完整的流程,如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

首先，使用SystemVue設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，包括基帶信號(hào)單元和微波電路；然后，利用SystemVue的Optimization仿真功能，針對(duì)系統(tǒng)的指標(biāo)要求對(duì)所需要設(shè)計(jì)的微波單元電路的相應(yīng)參數(shù)設(shè)置變量，通過(guò)優(yōu)化來(lái)滿足系統(tǒng)性能要求；基于上一步確定的指標(biāo)要求，在ADS軟件中設(shè)計(jì)相應(yīng)的微波電路。最后，利用SystemVue和ADS的聯(lián)合仿真功能，通過(guò)系統(tǒng)級(jí)仿真來(lái)驗(yàn)證微波電路設(shè)計(jì)的有效性。

3 通信系統(tǒng)仿真實(shí)例

以QPSK發(fā)射機(jī)的微波電路設(shè)計(jì)為例來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

QPSK發(fā)射機(jī)由基帶信號(hào)生成單元和微波電路兩部分組成。其中，微波電路的功能是將基帶信號(hào)生成單元產(chǎn)生的基帶信號(hào)經(jīng)上變頻、濾波和放大等操作轉(zhuǎn)換為適合于無(wú)線傳輸?shù)纳漕l信號(hào)。

模型中使用Data Flow仿真引擎對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行仿真，并利用RF_Link將Spectrasys射頻設(shè)計(jì)嵌入到Data Flow中，將QPSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行射頻放大并上變頻到2.8 GHz。

3.1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

QPSK調(diào)制發(fā)射機(jī)的原理圖如圖2所示。

QPSK調(diào)制信號(hào)的比特率BitRate為2 Mb/s，其符號(hào)速率SymbolRate則為1 Ms/s。這里通過(guò)基于Matlab語(yǔ)法的Equations編寫公式來(lái)定義上述2個(gè)變量。在SystemVue中使用Bit元件并配置其屬性產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)字信號(hào)。

Mapper元件用于完成比特流到QPSK符號(hào)的映射。SetSampleRate元件設(shè)置SampleRate參數(shù)為SymbolRate。

CxToRect元件將輸入的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)部和虛部，也就得到了相應(yīng)的I和Q兩路信號(hào)。這兩路信號(hào)所連接的Filter元件采用根升余弦濾波器對(duì)發(fā)射波形進(jìn)行成型濾波，滾降系數(shù)為0.35，并在濾波的同時(shí)完成8倍內(nèi)插。

Modulator元件用來(lái)將QPSK符號(hào)映射濾波后得到基帶復(fù)符號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)正交調(diào)制加載到頻率為800MHz的載波上。這里的仿真編輯器采用默認(rèn)設(shè)置，其優(yōu)先級(jí)要低于局部變量和公式定義Equations。

圖2中的RF_Link元件中包含了微波電路子系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。在子系統(tǒng)中，MultiSource元件設(shè)置了與QPSK調(diào)制頻率一致的信號(hào)源。RFAMP元件對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大。Bandpass_Filter設(shè)置了一個(gè)帶通濾波器，得到所需頻段的調(diào)制信號(hào)。Mixer和PwrOscillator和Output Port元件完成信號(hào)的上變頻并輸出，設(shè)置本振信號(hào)為2 GHz，從而實(shí)現(xiàn)上變頻2 GHz的作用。

這里還用到了兩類Sink元件。普通Sink元件用于收集數(shù)據(jù)用于后續(xù)的分析和顯示；SpectrumAnalyzer元件可對(duì)輸入數(shù)據(jù)直接完成頻譜分析的功能。

圖2 QPSK調(diào)制發(fā)射機(jī)原理圖

圖3 射頻電路子系統(tǒng)原理圖

解調(diào)。可以根據(jù)QPSK調(diào)制參數(shù)來(lái)配置其參數(shù)。

3.2 仿真結(jié)果

QPSK發(fā)射機(jī)的調(diào)制信號(hào)質(zhì)量與微波電路的參數(shù)密切相關(guān)。QPSK發(fā)射機(jī)的質(zhì)量可以用發(fā)射信號(hào)的EVM指標(biāo)來(lái)衡量，該參數(shù)與微波電路中放大器的非線性指標(biāo)如1 dB壓縮點(diǎn)和三階交調(diào)截?cái)帱c(diǎn)等指標(biāo)相關(guān)。

在SystemVue中搭建包括基帶信號(hào)和微波電路的QPSK發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行仿真，同時(shí)評(píng)估EVM指標(biāo)。利用SystemVue的Optimization優(yōu)化功能，針對(duì)給定的系統(tǒng)級(jí)EVM指標(biāo)，對(duì)RF_Link子電路中放大器的1 dB壓縮點(diǎn)和三階交調(diào)參數(shù)設(shè)置變量，可以獲得滿足系統(tǒng)級(jí)EVM指標(biāo)要求的設(shè)置。

優(yōu)化之前，運(yùn)行仿真分析，可以看到星座圖、眼圖、頻譜、調(diào)制質(zhì)量等參數(shù)及曲線的變化，如圖4所示。

在星座圖上，采用的QPSK調(diào)制的4個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)了4個(gè)相位即星座圖上的4個(gè)點(diǎn)，它反映了數(shù)字調(diào)制的映射關(guān)系。從仿真的星座圖上看，信號(hào)空間中實(shí)際信號(hào)的分布比較集中。

眼圖是一系列數(shù)字信號(hào)在示波器上累積而顯示的圖形，它包含豐富的信息，從眼圖上可以觀察出碼間串?dāng)_和噪聲的影響[6]。眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱。這里可以看到碼間串?dāng)_較小。

誤差向量EVM是在一個(gè)給定時(shí)刻理想無(wú)誤差基準(zhǔn)信號(hào)與實(shí)際發(fā)射信號(hào)的向量差，能全面衡量調(diào)制信號(hào)的幅度誤差和相位誤差。它是考量調(diào)制信號(hào)質(zhì)量的一種指標(biāo)。定義為誤差矢量信號(hào)平均功率的均方根值與理想信號(hào)平均功率的均方根值之比，并以百分比的形式表示[6]，結(jié)果為9.1%。從頻譜上分析，調(diào)制信號(hào)帶寬大約為1 MHz。

優(yōu)化發(fā)射機(jī)的電路參數(shù)將對(duì)仿真結(jié)果帶來(lái)影響。當(dāng)放大器的1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率OP1dB由原來(lái)的-5 dBm調(diào)整為1 dBm，三階交調(diào)點(diǎn)輸出功率由5 dBm調(diào)整為11 dBm。運(yùn)行仿真，得到如圖5所示的結(jié)果。EVM結(jié)果為7.5%，性能有所改善。

圖4 優(yōu)化前的發(fā)射機(jī)仿真結(jié)果

圖5 優(yōu)化后的仿真結(jié)果

4 微波電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上述發(fā)射機(jī)系統(tǒng)仿真性能，對(duì)微波放大器的指標(biāo)提出了要求。這樣就可以使用ADS軟件對(duì)微波單元電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的放大器的中心頻率為800 MHz，增益為16 dB，噪聲系數(shù)3 dB。

例子選用了NEC的NE68533型三極管，使用ADS仿真的原理圖如圖6所示，直流工作點(diǎn)Uce=3 V，Ic=10 mA。對(duì)三極管加入直流饋電電路，設(shè)計(jì)輸入和輸出匹配電路[7-8]，為了保證三極管的穩(wěn)定性，加入了負(fù)反饋電路。對(duì)電路中的輸入、輸出、負(fù)反饋電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[9]，以實(shí)現(xiàn)S21大于16 dB，噪聲系數(shù)小于3 dB，穩(wěn)定系數(shù)大于1，以及端口匹配小于-16 dB的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

原理圖中MSub用于設(shè)置介質(zhì)板參數(shù)，這里選用了介電常數(shù)為4.4的1 mm厚的基板。

S-PARAMETERS用于掃描指定頻率范圍內(nèi)的S參數(shù)；OPTIM用于設(shè)置優(yōu)化方法、迭代次數(shù)等參數(shù)；VAR用于設(shè)置優(yōu)化的變量初值及范圍；StabFact用于設(shè)置穩(wěn)定系數(shù)掃描；DC設(shè)置三極管的直流掃描；Zin用于掃描2個(gè)端口的輸入阻抗；GOAL用于設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，如S21、S11、S22等[10]。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后達(dá)到既定目標(biāo)，得到如圖7所示的S參數(shù)、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)性能曲線。S21反映了放大器的增益，S11和S22反映了2個(gè)端口的匹配性能?；径紳M足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)的放大器仿真其1 dB壓縮點(diǎn)和三階交調(diào)，均滿足要求。

設(shè)計(jì)好放大器，再利用SystemVue和ADS的聯(lián)合仿真功能[11]。先使用ADS對(duì)放大器進(jìn)行包絡(luò)性能仿真，然后使用SystemVue的ADS Cosim元件將放大器的仿真結(jié)果代入到系統(tǒng)中再進(jìn)行系統(tǒng)仿真，從而得到ADS設(shè)計(jì)的放大器對(duì)QPSK發(fā)射系統(tǒng)的性能的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證微波電路設(shè)計(jì)的有效性。

圖6 放大器原理圖

freqSP2.Zin1SP2.Zin2500.0MHz520.0MHz540.0MHz560.0MHz580.0MHz600.0MHz620.0MHz640.0MHz660.0MHz680.0MHz700.0MHz720.0MHz740.0MHz760.0MHz780.0MHz800.0MHz820.0MHz840.0MHz860.0MHz880.0MHz900.0MHz13.201-j3.46913.586-j0.66314.164+j2.24214.982+j5.27316.101+j8.45517.612+j11.81119.648+j15.35211.395+j19.05826.120+j22.83931.178+j26.45437.974+j29.36746.758+j30.53057.040+j28.29066.669+j21.07071.917+j9.42670.415-j2.71363.851-j11.03555.889-j14.30549.032-j13.70944.147-j10.80441.278-j6.6735.814-j7.7926.122-j5.8376.529-j3.8517.057-j1.8157.737+j0.2888.610+j2.4769.731+j4.76511.177+j7.16413.052+j9.66915.499+j12.25118.706+j14.83022.914+j17.22528.389+j19.08835.335+j19.78943.651+j18.34152.504+j13.53059.948+j4.60763.406-j7.55761.417-j20.17254.931-j30.23246.346-j36.411

圖7 放大器仿真性能

5 結(jié) 語(yǔ)

在無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[12]中，無(wú)論是基帶信號(hào)處理[13]，還是射頻電路、天線設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，都面臨巨大的挑戰(zhàn)?；鶐盘?hào)的處理要嚴(yán)格按照各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來(lái)實(shí)現(xiàn)日益復(fù)雜的信號(hào)編解碼、濾波及基帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)；射頻/微波收發(fā)系統(tǒng)要按照無(wú)線通信系統(tǒng)的測(cè)試規(guī)范要求來(lái)設(shè)計(jì)[14]，從而滿足日益苛刻的帶寬、功率、增益、噪聲等指標(biāo)，還要滿足信號(hào)頻譜、波形質(zhì)量、接收機(jī)靈敏度和抗干擾要求，以及發(fā)射機(jī)工作效率等指標(biāo)；對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要考慮優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，協(xié)調(diào)基帶和射頻系統(tǒng)之間的指標(biāo)分配等要求[4]?；赟ystemVue和ADS軟件，如何在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)下去設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)物理層基本電路，并在通信系統(tǒng)中驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。這種綜合考慮基帶調(diào)制和微波電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，使得抽象難懂的理論形象化，有利于學(xué)生進(jìn)一步深入理解系統(tǒng)構(gòu)成和微波電路的工作原理及在系統(tǒng)中的作用，從而激發(fā)學(xué)生的興趣，培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，達(dá)到更好的教學(xué)效果[15-16]。