ＡＤＳ在Ｔ／Ｒ組件方案論證中的應用

摘 要：T/R組件是有源相控陣雷達的關鍵部件，組件要求質量較輕，成本較低，便于批量生產。如何優化設計方案，選擇合適的微波射頻芯片，來滿足系統的性能是非常重要的。在組件設計初期的方案論證過程中引入對ADS仿真軟件的應用，在虛擬實驗室中仿真、優化系統性能指標，可以縮短開發周期、避免不必要的成本浪費。

關鍵詞：T/R組件；ADS；電路仿真；指標分配

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

隨著第四代戰斗機的需要和有源相控陣技術的發展成熟，有源相控陣雷達的設計和生產受到越來越多的重視。其中T/R組件的設計生產是有源相控陣雷達設計的關鍵因素。由于在一部雷達中所裝備的T/R組件數量巨大，而組件中所使用的各類器件又比較昂貴，因此，在符合雷達既定設計指標的條件下，如何盡量降低組件的體積、重量、控制元器件成本，是每個設計人員需要仔細思考的重要問題。在設計初期對系統組成進行合理的論證和規劃，可以有效地縮短開發周期和設計成本。

Advanced Design System(ADS)是Agilent公司推出的微波電路和通信系統仿真軟件。其功能非常強大，仿真手段豐富多樣，可實現包括時域和頻域、數字與模擬、線性與非線性、噪聲等多種仿真分析手段，并可對設計結果進行成品率分析與優化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，是非常優秀的微波電路、系統信號鏈路的設計工具。主要應用于：射頻和微波電路的設計，通信系統的設計，DSP設計和向量仿真。本文主要介紹ADS在T/R組件系統論證中的仿真應用。

1 系統組成和主要指標

一個典型的T/R組件主要由接收前端、高功率發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組件主要的技術指標包括：接收增益、接收噪聲系數、接收三階交調、發射增益、發射功率等。下面針對以上指標使用ADS進行方案論證。主要的工作是對各級電路進行指標分配，通過仿真來論證所選方案(元器件)是否可以達到系統設計要求，藉此，指導元器件的選擇和電路的實施。

設定系統指標：

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

2 系統仿真

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，所有的功能級元器件模型可以從ADS的RF/Analog library中選取。從諧波平衡庫(harmonic balance library)選取P[CD#*2]1 tone source作為輸入信號源，選取50 Ohm terminal作為輸出負載。為了取得比較真實的仿真效果，模型的參數設置選取生產廠家提供的器件典型參數值。因為共用電路是分時應用在接收和發射狀態，所以仿真時，在接收和發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保護器(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進行低噪聲放大，以提高雷達系統的接收靈敏度，然后進行相應的移相和幅度衰減處理。

由于接收通道一般都是針對小信號的處理，所以用到的仿真工具主要是S參數(S-Paramaters)仿真器和諧波平衡(Harmonic Balance)仿真器。在仿真器中設置相應的頻率范圍，然后進行仿真即可獲取相應的仿真結果。接收通道主要的技術指標有噪聲系數、接收增益和三階交調等。這三個指標是相互關聯制約的，下面通過仿真說明如何通過在各級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。設計中需要將總的增益量合理分配給兩個或者更多個放大器，同時要滿足接收通道對其他指標(噪聲系數、三階交調)的要求。

圖3是圖2電路在保持接收增益和各級噪聲系數相同的條件下， LNA1不同的放大量與接收通道噪聲系數的對應關系。可以看出，第一級低噪放的放大量越大，接收噪聲系數就越小。但是，由于第一級低噪放的輸出功率和三階交調都比較低，過大的增益會惡化三階交調指標。如圖2所示兩級增益較大的放大器前后級聯在一起，其仿真結果如表1所示，可以看出增益被壓縮了，并且系統的三階交調指標也不能達到系統要求。如果將LNA2后移到鏈路的最后，仿真結果如表2所示，三階交調指標將得到明顯的改善，但同時接收噪聲系數又有所惡化。

為了在噪聲系數與三階交調之間需求平衡，可以將LNA2拆分為兩個增益較小的放大器，分別放置在LNA1之后和鏈路的最末級，更改后的電路如圖4所示，仿真結果如表3所示，通過合理調節幾個放大器之間的放大量和三階交調量，最終得到適合系統需求的參數。相對于通道的增益，在另一個角度上輸入信號功率對三階交調具有同樣的影響所用。圖5是圖4電路在不同的輸入信號功率條件下，對應的三階交調指標。可以明顯地看出，較低的信號功率可以獲得較好的三階交調指標。

發射通道一般由預先放大器和功率放大器組成。是將激勵器產生的發射信號，放大到一定功率電平，然后經由天線發射出去。發射通道比較關心的是發射輸入功率、發射輸入功率和附加效率等指標。發射通道的功能是提供相位和幅度經過調整的高穩定微波能量，輸出能力由微波器件的功率水平決定，發射輸出一般都是飽和功率輸出。因為T/R組件的能量損耗主要來自發射功率放大器，所以要特別注意提高效率，減小功耗。相對于接收通道來說，這里的增益一般是大信號增益。輸出功率飽和越深，輸出信號波動越小，但附加效率越差。

發射通道仿真電路如圖6所示。由于涉及到大信號的處理，仿真器選擇了諧波平衡(HARMONIC BALANCE)仿真器和大信號S參數(LSSP)仿真器。可以對通道的功率飽和，增益壓縮和諧波分布等參數進行仿真。

圖6電路中末級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。對于大增益電路，如果級聯電路之間匹配的不好，很容易出現電路自激現象。使用平衡電路可以減少級聯電路之間的失配，有效避免自激現象的出現，同時可以提高信號的輸出功率。

圖6電路的部分仿真結果如圖7所示，分別給出了在不同的輸入信號功率條件下，發射通道的輸出功率和大信號增益指標的變化趨勢。隨著輸入信號功率增大，輸出功率相應增大，但可以明顯看出輸出功率逐步進入飽和，通道的大信號增益逐漸減小。應當指出，電路的小信號增益是固定的，當輸出功率飽和過深時，則增益壓縮過大，電路的效率也就相應降低。在滿足系統指標要求的情況下，應選擇較小的輸入功率，提高系統效率，降低電源電路的負擔。如圖7所示，當輸入信號功率>-2 dBm時，輸出功率>39 dBm，都滿足系統需要。為提高系統效率，同時保證足夠的系統指標余量，輸入功率應選擇略大于-2 dBm的一個值。

3 結 語

介紹了ADS仿真軟件在T/R組件方案論證中的應用。仿真選取了比較簡單的電路，僅在說明軟件使用的方法和作用。對于實際應用中的電路，可能更加復雜，例如可以包括信號的上下變頻、濾波、檢波，甚至信號的模數轉換等電路。對于如此復雜的電路，ADS仍然可以進行仿真和論證。通過行為級的系統仿真，確定各級電路的參數分配，然后進行各級電路的具體設計，即實際電路級的設計仿真，其仿真結果又可以反饋到系統級中進行論證，重新修正各級電路的參數分配。如此循環優化，逐步完成系統的設計論證，其設計流程如圖8所示。

參 考 文 獻

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［3］盧朝政.利用ADS進行高功率放大器匹配電路設計［A］.EEsof用戶會論文集錦\\[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計方向的研究。