ＡＤＳ在Ｔ／Ｒ组件方案论证中的应用

2022-06-12 10:25:03| 来源：网友投稿

摘要：T/R组件是有源相控阵雷达的关键部件,组件要求质量较轻,成本较低,便于批量生产。如何优化设计方案,选择合适的微波射频芯片,来满足系统的性能是非常重要的。在组件设计初期的方案论证过程中引入对ADS仿真软件的应用,在虚拟实验室中仿真、优化系统性能指标,可以缩短开发周期、避免不必要的成本浪费。

关键词：T/R组件；ADS；电路仿真；指标分配

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

随着第四代战斗机的需要和有源相控阵技术的发展成熟,有源相控阵雷达的设计和生产受到越来越多的重视。其中T/R组件的设计生产是有源相控阵雷达设计的关键因素。由于在一部雷达中所装备的T/R组件数量巨大,而组件中所使用的各类器件又比较昂贵,因此,在符合雷达既定设计指标的条件下,如何尽量降低组件的体积、重量、控制元器件成本,是每个设计人员需要仔细思考的重要问题。在设计初期对系统组成进行合理的论证和规划,可以有效地缩短开发周期和设计成本。

Advanced Design System(ADS)是Agilent公司推出的微波电路和通信系统仿真软件。其功能非常强大,仿真手段丰富多样,可实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析手段,并可对设计结果进行成品率分析与优化,从而大大提高了复杂电路的设计效率,是非常优秀的微波电路、系统信号链路的设计工具。主要应用于：射频和微波电路的设计,通信系统的设计,DSP设计和向量仿真。本文主要介绍ADS在T/R组件系统论证中的仿真应用。

1 系统组成和主要指标

一个典型的T/R组件主要由接收前端、高功率发射电路和包括移相衰减控制的共用电路等部分组成。组成框图如图1所示。

T/R组件主要的技术指标包括：接收增益、接收噪声系数、接收三阶交调、发射增益、发射功率等。下面针对以上指标使用ADS进行方案论证。主要的工作是对各级电路进行指标分配,通过仿真来论证所选方案(元器件)是否可以达到系统设计要求,藉此,指导元器件的选择和电路的实施。

设定系统指标：

接收增益≥25 dB；接收噪声系数≤4 dB；接收三阶交调≤-40 dBc；发射输出功率≥39 dBm；发射输入功率≤3 dBm。

2 系统仿真

在Agilent的ADS仿真软件中,有非常完善的仿真工具和元器件仿真模型,所有的功能级元器件模型可以从ADS的RF/Analog library中选取。从谐波平衡库(harmonic balance library)选取P[CD#*2]1 tone source作为输入信号源,选取50 Ohm terminal作为输出负载。为了取得比较真实的仿真效果,模型的参数设置选取生产厂家提供的器件典型参数值。因为共用电路是分时应用在接收和发射状态,所以仿真时,在接收和发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电路如图2所示。接收通道主要由接收机保护器(限幅器)和低噪声放大器(LNA)组成,作用是将由天线接收到的微弱信号进行低噪声放大,以提高雷达系统的接收灵敏度,然后进行相应的移相和幅度衰减处理。

由于接收通道一般都是针对小信号的处理,所以用到的仿真工具主要是S参数(S-Paramaters)仿真器和谐波平衡(Harmonic Balance)仿真器。在仿真器中设置相应的频率范围,然后进行仿真即可获取相应的仿真结果。接收通道主要的技术指标有噪声系数、接收增益和三阶交调等。这三个指标是相互关联制约的,下面通过仿真说明如何通过在各级电路上的合理分配来寻求三者之间的合理平衡。

图2链路中无源电路的总衰减指为-19 dB,要达到25 dB的接收增益,放大器的总放大量为：25-(-19)=44 dB,考虑各级电路匹配失衡造成的损耗和必要的增益余量,取电路总放大量为 46 dB。设计中需要将总的增益量合理分配给两个或者更多个放大器,同时要满足接收通道对其他指标(噪声系数、三阶交调)的要求。

图3是图2电路在保持接收增益和各级噪声系数相同的条件下, LNA1不同的放大量与接收通道噪声系数的对应关系。可以看出,第一级低噪放的放大量越大,接收噪声系数就越小。但是,由于第一级低噪放的输出功率和三阶交调都比较低,过大的增益会恶化三阶交调指标。如图2所示两级增益较大的放大器前后级联在一起,其仿真结果如表1所示,可以看出增益被压缩了,并且系统的三阶交调指标也不能达到系统要求。如果将LNA2后移到链路的最后,仿真结果如表2所示,三阶交调指标将得到明显的改善,但同时接收噪声系数又有所恶化。

为了在噪声系数与三阶交调之间需求平衡,可以将LNA2拆分为两个增益较小的放大器,分别放置在LNA1之后和链路的最末级,更改后的电路如图4所示,仿真结果如表3所示,通过合理调节几个放大器之间的放大量和三阶交调量,最终得到适合系统需求的参数。相对于通道的增益,在另一个角度上输入信号功率对三阶交调具有同样的影响所用。图5是图4电路在不同的输入信号功率条件下,对应的三阶交调指标。可以明显地看出,较低的信号功率可以获得较好的三阶交调指标。

发射通道一般由预先放大器和功率放大器组成。是将激励器产生的发射信号,放大到一定功率电平,然后经由天线发射出去。发射通道比较关心的是发射输入功率、发射输入功率和附加效率等指标。发射通道的功能是提供相位和幅度经过调整的高稳定微波能量,输出能力由微波器件的功率水平决定,发射输出一般都是饱和功率输出。因为T/R组件的能量损耗主要来自发射功率放大器,所以要特别注意提高效率,减小功耗。相对于接收通道来说,这里的增益一般是大信号增益。输出功率饱和越深,输出信号波动越小,但附加效率越差。

发射通道仿真电路如图6所示。由于涉及到大信号的处理,仿真器选择了谐波平衡(HARMONIC BALANCE)仿真器和大信号S参数(LSSP)仿真器。可以对通道的功率饱和,增益压缩和谐波分布等参数进行仿真。

图6电路中末级的高功率放大器使用了平衡电路的方式,在其输入/输出链接了耦合器电路。对于大增益电路,如果级联电路之间匹配的不好,很容易出现电路自激现象。使用平衡电路可以减少级联电路之间的失配,有效避免自激现象的出现,同时可以提高信号的输出功率。

图6电路的部分仿真结果如图7所示,分别给出了在不同的输入信号功率条件下,发射通道的输出功率和大信号增益指标的变化趋势。随着输入信号功率增大,输出功率相应增大,但可以明显看出输出功率逐步进入饱和,通道的大信号增益逐渐减小。应当指出,电路的小信号增益是固定的,当输出功率饱和过深时,则增益压缩过大,电路的效率也就相应降低。在满足系统指标要求的情况下,应选择较小的输入功率,提高系统效率,降低电源电路的负担。如图7所示,当输入信号功率>-2 dBm时,输出功率>39 dBm,都满足系统需要。为提高系统效率,同时保证足够的系统指标余量,输入功率应选择略大于-2 dBm的一个值。

3 结语

介绍了ADS仿真软件在T/R组件方案论证中的应用。仿真选取了比较简单的电路,仅在说明软件使用的方法和作用。对于实际应用中的电路,可能更加复杂,例如可以包括信号的上下变频、滤波、检波,甚至信号的模数转换等电路。对于如此复杂的电路,ADS仍然可以进行仿真和论证。通过行为级的系统仿真,确定各级电路的参数分配,然后进行各级电路的具体设计,即实际电路级的设计仿真,其仿真结果又可以反馈到系统级中进行论证,重新修正各级电路的参数分配。如此循环优化,逐步完成系统的设计论证,其设计流程如图8所示。