一種高精度幅相調理機制

李 偉

(中國電子科技集團公司第十研究所, 四川 成都 610036)

0 引言

隨著現代通訊、測控數傳及偵收識別等技術體系對效能需求的不斷提高，對任意模擬或數字系統的幅相特性要求也越來越高[1]。如射頻系統中通常需要滿足：相位精度≤±5°，延時精度≤±10 ps，幅度一致性≤±1 dB，相位一致性≤±5°，窄帶幅度平坦度≤±1 dB。雖然“標校電路”、預處理等設備可降低對幅相一致性等指標特性的要求[2]，但幅相抖動、非線性、群時延特性、誤碼率、信噪比等得不到改善，將影響最終所得信號質量。若幅相不一致性呈現復雜的“離散特性”，更會導致系統效能難以實現[3]。因此，本文提出了一種高精度幅相調理機制，用以高精度、高可靠電子系統中任意功能單元的實現、降低后端算法復雜度、改善信號質量[4]。

1 高精度幅相調理

高精度幅相調理的基本原理是：通過獲得任意系統從元器件到系統的網絡參數，從而建立精確的可重復、可迭代、可優化的完整模型，并借助計算機輔助設計(CAD)軟件實現對幅度、相位、時延的加權與補償控制，達到幅相調理最優的目的[5]。

圖1為本文實現高精度幅相調理流程圖。其需要借助HFSS、ADS、IE3D、Genesys、Visual Studio、Matlab、AppCAD等設計軟件與自制綜合設計軟件[6]。

圖1 仿真模擬流程

首先，將系統指標分解后可得所需功能單元的鏈路方案，圖2為某型號模擬波束合成(ABF)通道鏈路的部分原理框圖。

圖2 射頻移相原理框圖

得到鏈路方案后，使用鏈路計算軟件對方案進行初步模擬，獲得噪聲、增益、三階等核心指標，并留下足夠設計余量，如圖3所示。

圖3 鏈路預算

然后將各種調理方式的測試與仿真數據代入可視化編譯軟件，開發了一套自動設計程序。按照圖2流程，通過多次數據迭代，實現了軟件可自主優化調理方式。可選擇的延時與移相的調理方案有：聲表面波(SAW)與薄膜體聲波(FBAR)延遲線、電纜、微帶、芯片真時延線(TTD)及矢量調制等[7]；可選擇的幅度調理方案有布局布線糾錯、衰減器選型、鏈路補償推薦等。數字電路中主要使用現場可編程門陣列(FPGA)進行幅相調理與補償。圖4為自制綜合設計軟件。

圖4 自制綜合設計軟件

幅相調理方式選定后，還需進行板級模擬。首先將可測單元、接插件或模塊等進行測量，獲得其準確網絡參數SnP文件；其次將廠家提供或仿真所得數據等進行格式轉換，獲得網絡參數SnP文件；然后根據布局布線和鏈路特性進行準確的Simulink或ADS建模[8]；最后將圖4所得調理方式代入板級模型，并根據系統要求迭代優化，如圖5所示。

圖5 IE3D與HFSS轉換SnP文件

圖1～5所得數據具有通用性和繼承性，可在模型上進行迭代優化，無需反復加工驗證，操作簡易快捷。多次迭代調整后，可在任意功能電路中，快速實現高精度幅相加權、高線性幅相特性、高幅相一致性、免調等設計。

圖6為某UHF頻段陣列天線中的ABF模塊，具有高精度幅相和時延加權需求。所有設計、裝配、調試測試等過程，均滿足相應的國軍標要求[9]。板材選用Rogers6010、FR-4等，也可選擇剛繞結合板以減少布局布線壓力，一般10層左右即可實現[10]；分別使用微帶、電纜、SAW時延線等來實現短、中、高多步進的相位與時延加權與補償；使用步進為0.5 dB的程控衰減器來實現幅度加權與補償；對FPGA及其外圍電路進行了系統的優化，以改善諧波、雜散、相噪等，并提高響應速度與一致性[11]；使用多頻合成與隔離，以適應系統需求；更多功能特性隨需求各不相同。

圖6 某UHF頻段ABF實物與測試圖

圖7為某L頻段陣列天線中的ABF模塊。如圖8所示，板級模擬的相位不連續點與實測結果一致。調整后的功能單元，其4倍相對帶寬的幅頻曲線基本呈線性，時域雜波抑制度高。

圖7 某L頻段ABF實物與測試圖

圖8 某L頻段ABF模擬驗證圖

2 試驗驗證

為了驗證高精度幅相調理方案對任意電子系統的效能提升，需要將各種功能單元按需求進行組合，并連接直流穩壓源、信號源、矢量網絡分析儀、頻譜儀等測試設備進行逐級聯試。圖9[12]為某相控陣天線驗證示意圖，同時使用ABF與數字波束合成(DBF)體制，從模擬到數字均有較高的幅相調理需求。圖中除電源與監控外，其他功能單元均需驗證，測試過程較繁復，且數據量龐大。

圖9 試驗框圖

為了量化對幅相調理的改善，將測試結果與常規調理或未調理過的任意功能單元進行大量的數值比較，表1為幅相調理功能單元間的比較結果。由表可看出，系統互連后會有惡化，不包含損壞與功能異常單元。高精度調理的數值為可達到的最優結果，未調理與常規調理的數值根據工程經驗與文獻[13-14]相關。

表1 參數比較

3 結束語

通過對圖9任意功能單元的逐級聯試，所得結果基本可滿足相位差一致性≤±1°，延時精度≤±1.5 ps，幅度一致性≤±1 dB，相位一致性≤±1.5°，多倍頻相對帶寬的幅度平坦度≤±1 dB。幅度、相位、時延為電磁波的“三要素”，由于幅相加權與補償得到了較好的控制，信道中需要的濾波與幅度均衡等調理電路也得到減少，從而改善了群時延特性、幅相調制非線性、角度調制非線性等參數，進而較大程度地緩解了對后端信號處理的壓力，實現了高可靠、高線性幅相特性、快速設計，可應用于任意電子系統、任意信道化設計、任意功能電路或芯片設計等[15]。