基于SystemVue的相控陣雷達系統(tǒng)性能評估仿真技術?

姚國國

（中國空空導彈研究院 洛陽 471009）

1 引言

近年來，隨著建模仿真技術的進步，其在軍用和民用領域中的應用更是不斷向深度和廣度拓展，同時對于仿真系統(tǒng)的要求也越來越高［1～2］。在雷達領域，數(shù)字化裝備、相控陣技術的應用與普及，雷達系統(tǒng)復雜度不斷提高。數(shù)字化仿真手段作為雷達系統(tǒng)設計提供分析、研究、評判和決策的重要手段，提前預知、發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計中可能存在的問題具有重要意義。

當前雷達裝備系統(tǒng)越來越復雜，雷達數(shù)字仿真要求其仿真精細程度越來越細化和深入，在仿真某一屬性的同時要兼顧到多種屬性，對仿真平臺和仿真工具的要求也越來越高，現(xiàn)有大多的仿真軟件很難做到同時兼顧?，F(xiàn)有的支持雷達系統(tǒng)仿真軟件有SPW（Signal Processing Work System）軟件、Simulink軟件包等。SPW軟件是基于Unix、Linux等系統(tǒng)，普及程度不高，應用范圍有限。而Simulink軟件包是Matlab平臺下的一個仿真子平臺，適用于動態(tài)系統(tǒng)模型的建模和仿真，但它不具備雷達專業(yè)模型庫，需要結合其它軟件才能實現(xiàn)端口控制和實時控制等［3～5］。

SystemVue是KeySight公司開發(fā)的用于電子系統(tǒng)級（ESL）設計的專用電子設計自動化（EDA）環(huán)境，可支持系統(tǒng)架構師和算法開發(fā)人員在無線、航空航天、國防和通信系統(tǒng)的物理層上進行創(chuàng)新設計，為射頻、DSP和FPGA/ASIC的設計人員提供獨特的仿真平臺。SystemVue作為ESL設計和信號處理的專用平臺，可替代通用的數(shù)字、模擬和數(shù)學環(huán)境，提供射頻信息，從而將物理層研發(fā)和驗證時間縮短一半，并能夠與一些主流EDA（如ADS，Matlab，Modelsim等）流程建立關聯(lián)，進行聯(lián)合仿真。其豐富的多態(tài)化、模塊化、參數(shù)化的設計流程，能夠幫助用戶快速創(chuàng)建通信基帶收發(fā)鏈路、射頻收發(fā)鏈路以及完整的通信系統(tǒng)，同時可以結合安捷倫測試儀器將SystemVue功能擴展到產(chǎn)品的測試驗證階段，進行半實物仿真，提前預知產(chǎn)品設計性能、問題和缺陷。

相比于其它系統(tǒng)級的仿真軟件，SystemVue軟件在雷達系統(tǒng)仿真方面的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面［6～8］：1）具備較完備的射頻設計資源庫；2）具備較完備的雷達、電子戰(zhàn)模型庫；3）具有模塊化、面向對象的結構和界面；4）兼容Matlab等常用軟件并與之交互的能力；5）具有用戶自定義、自編輯的能力。這些特點和優(yōu)勢使得仿真更貼近實際，使用戶更關注于關鍵模塊的設計，節(jié)省大量的時間和精力。

SystemVue強大的電子系統(tǒng)級的建模仿真能力，見諸應用于通信和雷達領域方面的例子，如參考文獻［9］介紹了利用SystemVue軟件分析無線通信原理的仿真實驗教學，參考文獻［10］介紹了在SystemVue環(huán)境下建立了單載波超寬帶的系統(tǒng)仿真，參考文獻［11］介紹了基于SystemVue軟件平臺的雷達模擬仿真技術，參考文獻［12］介紹了SystemVue在火控雷達組網(wǎng)仿真系統(tǒng)中的應用，利用SystemVue實現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)仿真。

2 相控陣雷達系統(tǒng)

以某相控陣雷達為例，相控陣接收雷達收發(fā)系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

圖1 相控陣接收雷達系統(tǒng)原理框圖

相控陣接收雷達收發(fā)系統(tǒng)由天線陣面、TR模塊、功分合成網(wǎng)絡、模擬接收機、頻率源、數(shù)字ADC等幾個主要部分組成。

在本雷達系統(tǒng)中，天線陣面按照8*8的天線陣元分布進行布陣，實現(xiàn)對射頻信號的發(fā)射和接收；TR模塊共包含8*8=64個獨立接收和發(fā)射通道，在發(fā)射狀態(tài)下，每個通道具有獨立的功放模塊，通過控制數(shù)控移相器實現(xiàn)發(fā)射信號的空間波束形成，在接收狀態(tài)下，每個通道具有獨立的接收支路，包含低噪聲放大器、數(shù)控衰減器等，通過控制數(shù)控衰減器、移相器實現(xiàn)對接收信號波束形成；功分合成網(wǎng)絡的作用一是將各路TR通道的接收信號進行通道合成，二是將頻率源產(chǎn)生的發(fā)射信號等功率分配到各個TR通道的發(fā)射信道上；頻率源產(chǎn)生雷達系統(tǒng)所需的本振、發(fā)射等源信號；模擬接收機將功分合成網(wǎng)絡合成的接收信號進行再次放大、下變頻、濾波等，產(chǎn)生滿足高速AD采樣需求的中頻信號；數(shù)字ADC接收模擬接收機的中頻信號進行高速AD采樣。

受限于篇幅，本文僅給出了利用SystemVue軟件建立系統(tǒng)仿真模型的流程和步驟、各部分主要技術指標的計算和仿真結果，而不再對各部分電路的詳細設計和具體指標分配展開論述。

3 主要仿真模塊

3.1 接收狀態(tài)仿真模型

建立接收狀態(tài)下的總仿真模型如圖2所示。仿真模型由相控陣天線模塊、TR模塊、模擬接收機模塊、ADC模塊、頻率源模塊組成。相控陣天線接收到的信號經(jīng)過TR模塊進行放大、功率合成；在模擬接收機進行下變頻、濾波、放大，得到中心頻率為60MHz的模擬中頻信號，該中頻信號經(jīng)過ADC采樣，得到數(shù)字信號。

下面將逐次建立各個模塊的仿真模型并給出主要參數(shù)的計算和仿真結果。

3.2 天線陣面仿真模型

天線陣面按照8*8陣元正方形布陣排布，射頻信號頻率為12GHz，天線單元間距設置為0.5倍射頻信號頻率波長，陣面接收信號功率密度按照-50dBW/m2進行設置。天線陣面仿真模型如圖3所示。

圖2 接收狀態(tài)下仿真模型

圖3 天線陣面模型

3.3 TR模塊仿真模型

建立TR模塊的仿真模型如圖4所示。模型中包含射頻開關、2級低噪放、數(shù)控衰減器、數(shù)控移相器、功分合成網(wǎng)絡、驅動功放、末級功放等器件。

對鏈路的增益和噪聲系數(shù)按以下公式進行計算。

圖4 TR模塊的仿真模型

按照圖4中各級器件的增益、噪聲系數(shù)計算TR模塊的增益和噪聲系數(shù)如下所示。

鏈路總增益計算結果為G=-0.4+20+20-2-2-8.5-4-0.5+10*log10（64）=40.66dB。

噪聲系數(shù)計算結果為F=10*log10(100.04+

當TR模塊處于接收狀態(tài)時，在TR模塊單通道入口處注入一個信號，對其接收性能進行仿真。TR模塊級聯(lián)增益、各級增益和噪聲系數(shù)仿真結果見圖5所示。

圖5 TR模塊級聯(lián)增益、各級增益、噪聲系數(shù)仿真結果

從圖5中的仿真結果可看出，8*8陣元的TR模塊單通道級聯(lián)增益為40.6dB，噪聲系數(shù)仿真結果為2.6dB，與理論計算結果相符。

3.4 模擬接收機模型

建立模擬接收機的仿真模型如圖6所示。模型中包含低噪放、混頻器、數(shù)控衰減器、濾波器、放大器等器件。模擬接收機接收的12GHz射頻信號經(jīng)過放大、與12.06GHz本振信號混頻、放大、濾波等電路，得到滿足AD采樣要求的60MHz中頻信號。

鏈路增益和噪聲系數(shù)按照式（1）進行計算，計算結果分別為30.5dB、2.8dB。

圖6 模擬接收機仿真模型

圖7 模擬接收機級聯(lián)增益和各級增益仿真結果

從圖7中的仿真結果可看出，模擬接收機的級聯(lián)增益為30.5dB，噪聲系數(shù)仿真結果為2.79dB，與理論計算結果相符。

3.5 ADC模型

ADC采用14bit的AD，最大輸入信號范圍2V，采樣率設置為240MHz，動態(tài)范圍設置為70dBc。仿真模型見圖8所示。

3.6 接收狀態(tài)下系統(tǒng)仿真結果

相控陣天線接收到的信號經(jīng)過如圖2所示的整個接收鏈路后，在ADC端口輸出的信號頻譜仿真結果如圖9所示。可看出輸出中頻信號為60MHz/-21.8dBm。

圖8 ADC仿真模型

圖9 經(jīng)過ADC采用后的信號頻譜

接收系統(tǒng)級聯(lián)增益、噪聲系數(shù)如圖10所示，系統(tǒng)總增益為71.2dB，為TR模塊增益、模擬接收機增益之和，噪聲系數(shù)為2.629dB。

仿真結果統(tǒng)計表見表1。

天線的無源增益按照公式：

式中：G為天線增益；ρ為口面效率；A天線口徑；λ為波長。

圖10 接收狀態(tài)下級聯(lián)增益、噪聲系數(shù)

表1 仿真結果統(tǒng)計

取射頻信號頻率為12GHz，8×8單元，單元間距0.5*λ，ρ取80%，計算得到天線無源增益為22.1dB。

波束寬度按照以下公式計算：

式中：λ為波長；d為單元間距；N為單元數(shù)；θ為掃描角；取法線方向，d=0.5*λ，得到 θ3dB為12.75°。

相控陣天線掃描方向圖仿真結果如圖11所示，天線無源增益為22.9dB，θ3dB波束寬度為13°。

圖11 相控陣天線掃描方向圖

從仿真結果可看出，仿真的結果與理論計算相符，證明仿真結果的可信性。

4 結語

本文以某相控陣雷達系統(tǒng)為例，利用System-Vue軟件建立了相控陣雷達系統(tǒng)仿真模型，并對各主要組成部分的主要指標進行了計算和數(shù)字仿真，最后給出了系統(tǒng)計算和仿真結果，證明仿真結果的可信性。SystemVue仿真軟件具備較完備的雷達模型庫，以及與其它軟件協(xié)同設計仿真的能力、模塊化和圖形化等特點使其在構建復雜雷達系統(tǒng)數(shù)字仿真方面具有獨特的優(yōu)勢，表現(xiàn)出了它的優(yōu)越性。