基于ADS的毫米波收發組件設計及仿真

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冀州市職業教育中心 河北 冀州 053200）

（3北京航空航天大學電子信息工程學院 北京 100191）

基于ADS的毫米波收發組件設計及仿真

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冀州市職業教育中心 河北 冀州 053200）

（3北京航空航天大學電子信息工程學院 北京 100191）

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

毫米波收發組件相控陣ADS

1 引言

以T/R組件為核心的相控陣技術在通信、雷達等領域得到廣泛重視，相控陣天線可以實現波束無慣性快捷掃描、波束賦形、數字多波束和空間功率合成等優點，結合擴頻、跳頻等技術，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。相控陣天線系統一般由天線單元、T/R組件、饋電網絡、波控分機、電源等分機構成。

一部相控陣系統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的整體指標，是相控陣天線最核心部分[5]。隨著通信及雷達系統帶寬的日益增加，低頻段已經滿足不了高速率傳輸需求，針對毫米波頻段的T/R組件進行了仿真設計。

2 T/R組件原理設計

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雜系統[6]，根據功能模塊的劃分，提出了設計方案框圖，如圖1所示。

圖1 T/R組件設計方案框圖

組件采用超外差工作方式，收發狀態通過控制單刀雙擲開關實現分時工作；外部頻綜輸出高穩定度信號，經倍頻放大作為本振輸出；采用6位數控移相器和6位數控衰減器來控制信號相位和幅度，實現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，控制單元控制收發開關狀態。處于接收狀態時，毫米波信號通過限幅保護電路和低噪聲放大，經下變頻后進行移相衰減，然后經中頻放大濾波，最后送中頻處理單元；發射狀態時，輸入的中頻信號經移相衰減后上變頻到毫米波頻段，經濾波器抑制掉本振泄漏，通過前置驅放推動末級功率放大器輸出功率，送至天線輻射單元實現功率合成。

3 性能指標及各分機設計

TR組件的設計技術指標：工作頻段：Ka頻段；輸入輸出中頻：L頻段；帶寬：±200 MHz；發射功率：≥20 dBm；噪聲系數：<5 dB；接收增益：≥30 dB。進行收發鏈路設計，包括射頻開關、限幅器、低噪聲放大器（LNA）、雙平衡混頻器、倍頻放大器、功放及驅動、衰減及移相和中頻放大器等模塊。設計標準及相關技術指標如下。

⑴微波開關和限幅器

典型T/R組件使用2個微波開關，第一個開關使接收支路和發射支路共用天線，并保持足夠隔離度，一般工作在大功率狀態，也可用環形器來代替。第二個開關作用是讓接收路和發射路共用數字衰減器和移相器，工作在小功率狀態。對于微波開關要求隔離度大、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。

射頻開關選用Alpha公司的AP640R5-00型單刀雙擲開關，采用PIN工藝，在24～35 GHz頻帶內典型指標為：插損＜1.1 dB，隔離度＞30 dB，具有較強的功率承受能力。中頻開關選用M/A-COM公司MA4AGSW2型單刀雙擲開關，0～20 GHz帶內插損為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鍵部件，保證整機低噪聲系數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。噪聲系數是衡量接收機的重要指標，由公式（1）得出串聯分機和整機噪聲系數之間的相互關系，低噪放芯片要求噪聲系數小、增益高、動態范圍大。

低噪放模塊采用2塊MMIC串聯使用，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，當本振驅動功率為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功率放大和驅動放大芯片

功放模塊由前置驅動放大器和后級大功率放大器構成，它在T/R組件中將經過移相、衰減后的射頻調制信號放大到足夠功率，由天線輻射出去。其主要指標有飽和輸出功率、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。

設計中功放芯片選用TriQuint公司的TGA4521-EPU，工作頻帶內功率增益為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

通過對數字移相器的控制，實現相控陣天線的波束掃描。移相器是T/R組件中的關鍵器件，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，數控衰減器作用是對信號幅度加權。數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5 dB，P-1功率輸出為15 dBm。

4 接收及發射鏈路仿真

⑴發射鏈路設計及仿真

發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的中頻信號經中頻收發開關、數控移相器和衰減器后，與倍頻得到的本振信號進行混頻，上變頻后的信號經帶通濾波后，通過驅放芯片放大，驅動末級功放芯片功率輸出。將器件參數加入到ADS系統模型中進行仿真，得到如下仿真數據，如圖2和圖3所示。

圖2發射鏈路中頻、射頻頻域仿真數據

圖3發射鏈路中頻、射頻時域仿真數據

根據ADS軟件對中頻輸入端及射頻輸出端的時頻域仿真結果，可見組件正常工作，發射鏈路輸出功率為22.39 dBm,滿足系統指標要求。

（2）接收鏈路設計與仿真

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

圖4接收鏈路射頻、中頻頻域仿真數據

圖5接收鏈路射頻、中頻時域仿真數據

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果，可見該接收鏈路正常工作。仿真噪聲系數值為4.45 dB，滿足系統設計指標要求。

5 結束語

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

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

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

[3]韓國棟,杜彪,陳如山.衛星移動通信相控陣天線研究現狀與技術展望[J].無線電通信技術,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[J].無線電通信技術,2012,38(4)：45-47.

[5]胡明春,周志鵬,嚴偉.相控陣雷達收發組件技術[M].北京：國防工業出版社,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