基于SystemVue和ADS的微波電路設計實驗教學研究

凌 丹，崔曉偉

(清華大學 電子工程系，北京 100084)

0 引 言

微波電路廣泛應用在諸如移動通信、雷達、遙感、衛星通信、導航等各類無線收發系統中。作為核心子系統，微波電路子系統的指標參數對于確定整個無線收發系統的總體指標起著非常關鍵的作用。

微波頻段涵蓋了300 MHz～300 GHz，甚至更高頻段[1]。因為微波電路的物理尺寸與工作波長相比擬，電路特性呈現分布參數效應[2-3]，所以其設計和實現都與其他低頻和高頻電路有很大區別。而微波子系統作為各大系統中的重要組成部分，最終要服務于大系統。因此，微波電路組成的微波子系統的設計應與大系統相結合，從系統的角度去進行規劃和設計實現。

我校電子工程系開設了限選課“微波電路設計”，旨在幫助學生深入學習理解微波電路的工作原理和作用；并從系統的角度，結合SystemVue和先進設計系統(Advanced design system,ADS)仿真軟件，討論如何在實驗教學中將系統和單元電路協同考慮，從系統設計的統籌規劃下設計實現微波電路，有利于學生進一步學習理解應用專業知識，培養綜合設計能力，提升探究和創新能力。

1 軟件簡介

1.1 SystemVue

SystemVue軟件是一種電子系統級仿真軟件。它通過多種仿真技術支撐數字基帶和射頻微波的混合仿真，提供豐富的無線通信、雷達、衛星模型庫，還可與儀表互聯實現半實物仿真。這里說的系統級仿真是基于基帶或射頻電路的行為級模型對系統性能進行評估[4]。

SystemVue針對射頻和基帶系統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級設計，使用射頻元件功能模塊(非實際電路)來搭建系統，通過調整拓撲結構、模塊參數等來滿足系統設計要求，為后續的模塊電路的設計和選型提供依據[4]。

1.2 ADS

ADS軟件支持系統和射頻設計師開發所有類型的射頻設計，從簡單到最復雜，從射頻∕微波模塊到用于通信和航空航天∕國防的MMIC。ADS電子設計自動化功能十分強大，包含時域電路、頻域電路、三維電磁、通信系統、數字信號處理仿真設計[5]。

2 設計流程

在實驗教學中，結合通信系統和單元電路的全套訓練思想，設計了微波電路完整的流程,如圖1所示。

圖1 設計流程圖

首先，使用SystemVue設計通信系統，包括基帶信號單元和微波電路；然后，利用SystemVue的Optimization仿真功能，針對系統的指標要求對所需要設計的微波單元電路的相應參數設置變量，通過優化來滿足系統性能要求；基于上一步確定的指標要求，在ADS軟件中設計相應的微波電路。最后，利用SystemVue和ADS的聯合仿真功能，通過系統級仿真來驗證微波電路設計的有效性。

3 通信系統仿真實例

以QPSK發射機的微波電路設計為例來設計相應的實驗內容。

QPSK發射機由基帶信號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生成單元產生的基帶信號經上變頻、濾波和放大等操作轉換為適合于無線傳輸的射頻信號。

模型中使用Data Flow仿真引擎對基帶信號進行仿真，并利用RF_Link將Spectrasys射頻設計嵌入到Data Flow中，將QPSK調制信號進行射頻放大并上變頻到2.8 GHz。

3.1 系統原理及結構

QPSK調制發射機的原理圖如圖2所示。

QPSK調制信號的比特率BitRate為2 Mb/s，其符號速率SymbolRate則為1 Ms/s。這里通過基于Matlab語法的Equations編寫公式來定義上述2個變量。在SystemVue中使用Bit元件并配置其屬性產生偽隨機數字信號。

Mapper元件用于完成比特流到QPSK符號的映射。SetSampleRate元件設置SampleRate參數為SymbolRate。

CxToRect元件將輸入的復數數據轉換成實部和虛部，也就得到了相應的I和Q兩路信號。這兩路信號所連接的Filter元件采用根升余弦濾波器對發射波形進行成型濾波，滾降系數為0.35，并在濾波的同時完成8倍內插。

Modulator元件用來將QPSK符號映射濾波后得到基帶復符號數據通過正交調制加載到頻率為800MHz的載波上。這里的仿真編輯器采用默認設置，其優先級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，結構如圖3所示。在子系統中，MultiSource元件設置了與QPSK調制頻率一致的信號源。RFAMP元件對射頻信號進行功率放大。Bandpass_Filter設置了一個帶通濾波器，得到所需頻段的調制信號。Mixer和PwrOscillator和Output Port元件完成信號的上變頻并輸出，設置本振信號為2 GHz，從而實現上變頻2 GHz的作用。

這里還用到了兩類Sink元件。普通Sink元件用于收集數據用于后續的分析和顯示；SpectrumAnalyzer元件可對輸入數據直接完成頻譜分析的功能。

圖2 QPSK調制發射機原理圖

圖3 射頻電路子系統原理圖

解調。可以根據QPSK調制參數來配置其參數。

3.2 仿真結果

QPSK發射機的調制信號質量與微波電路的參數密切相關。QPSK發射機的質量可以用發射信號的EVM指標來衡量，該參數與微波電路中放大器的非線性指標如1 dB壓縮點和三階交調截斷點等指標相關。

在SystemVue中搭建包括基帶信號和微波電路的QPSK發射機系統，進行仿真，同時評估EVM指標。利用SystemVue的Optimization優化功能，針對給定的系統級EVM指標，對RF_Link子電路中放大器的1 dB壓縮點和三階交調參數設置變量，可以獲得滿足系統級EVM指標要求的設置。

優化之前，運行仿真分析，可以看到星座圖、眼圖、頻譜、調制質量等參數及曲線的變化，如圖4所示。

在星座圖上，采用的QPSK調制的4個符號對應了4個相位即星座圖上的4個點，它反映了數字調制的映射關系。從仿真的星座圖上看，信號空間中實際信號的分布比較集中。

眼圖是一系列數字信號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擾和噪聲的影響[6]。眼圖的“眼睛”張開的大小反映著碼間串擾的強弱。這里可以看到碼間串擾較小。

誤差向量EVM是在一個給定時刻理想無誤差基準信號與實際發射信號的向量差，能全面衡量調制信號的幅度誤差和相位誤差。它是考量調制信號質量的一種指標。定義為誤差矢量信號平均功率的均方根值與理想信號平均功率的均方根值之比，并以百分比的形式表示[6]，結果為9.1%。從頻譜上分析，調制信號帶寬大約為1 MHz。

優化發射機的電路參數將對仿真結果帶來影響。當放大器的1 dB壓縮點輸出功率OP1dB由原來的-5 dBm調整為1 dBm，三階交調點輸出功率由5 dBm調整為11 dBm。運行仿真，得到如圖5所示的結果。EVM結果為7.5%，性能有所改善。

圖4 優化前的發射機仿真結果

圖5 優化后的仿真結果

4 微波電路設計

根據上述發射機系統仿真性能，對微波放大器的指標提出了要求。這樣就可以使用ADS軟件對微波單元電路進行仿真設計。

本文設計的放大器的中心頻率為800 MHz，增益為16 dB，噪聲系數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Uce=3 V，Ic=10 mA。對三極管加入直流饋電電路，設計輸入和輸出匹配電路[7-8]，為了保證三極管的穩定性，加入了負反饋電路。對電路中的輸入、輸出、負反饋電路進行優化設計[9]，以實現S21大于16 dB，噪聲系數小于3 dB，穩定系數大于1，以及端口匹配小于-16 dB的設計目標。

原理圖中MSub用于設置介質板參數，這里選用了介電常數為4.4的1 mm厚的基板。

S-PARAMETERS用于掃描指定頻率范圍內的S參數；OPTIM用于設置優化方法、迭代次數等參數；VAR用于設置優化的變量初值及范圍；StabFact用于設置穩定系數掃描；DC設置三極管的直流掃描；Zin用于掃描2個端口的輸入阻抗；GOAL用于設置優化目標，如S21、S11、S22等[10]。

經過優化后達到既定目標，得到如圖7所示的S參數、噪聲系數和穩定系數性能曲線。S21反映了放大器的增益，S11和S22反映了2個端口的匹配性能。基本都滿足設計要求。同時，對設計的放大器仿真其1 dB壓縮點和三階交調，均滿足要求。

設計好放大器，再利用SystemVue和ADS的聯合仿真功能[11]。先使用ADS對放大器進行包絡性能仿真，然后使用SystemVue的ADS Cosim元件將放大器的仿真結果代入到系統中再進行系統仿真，從而得到ADS設計的放大器對QPSK發射系統的性能的影響，進一步驗證微波電路設計的有效性。

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 語

在無線通信系統設計[12]中，無論是基帶信號處理[13]，還是射頻電路、天線設計、系統設計，都面臨巨大的挑戰?；鶐盘柕奶幚硪獓栏癜凑崭鞣N標準規定來實現日益復雜的信號編解碼、濾波及基帶調制解調技術；射頻/微波收發系統要按照無線通信系統的測試規范要求來設計[14]，從而滿足日益苛刻的帶寬、功率、增益、噪聲等指標，還要滿足信號頻譜、波形質量、接收機靈敏度和抗干擾要求，以及發射機工作效率等指標；對于系統設計，需要考慮優化系統架構，協調基帶和射頻系統之間的指標分配等要求[4]?；赟ystemVue和ADS軟件，如何在系統設計的指導下去設計實現物理層基本電路，并在通信系統中驗證設計的有效性。這種綜合考慮基帶調制和微波電路的實驗教學方法，使得抽象難懂的理論形象化，有利于學生進一步深入理解系統構成和微波電路的工作原理及在系統中的作用，從而激發學生的興趣，培養綜合設計和創新能力，達到更好的教學效果[15-16]。