Agilent EEsof EDA
使用ADS 软件进行收发组件系统设计EEsof EDA
应用工程师谢成诚cheng-cheng_xie@https://www.doczj.com/doc/8410355122.html,
Agilent EEsof EDA
目标
?本专题的主要目标…..
–了解ADS 做为射频微波系统完整的设计平台所具有的功能
–从有源相控阵雷达系统TR 组件的系统级设计实例出发，演示ADS 软件集成的设计仿真环境
Agilent EEsof EDA
内容安排
?收发组件(TR Module)概况及主要元件
?TR 组件系统级仿真
?TR 组件中的微波单片电路( MMIC)
?TR 组件的射频脉冲仿真
?贴片天线阵
?TR 组件及贴片天线阵混合仿真
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T/R 组件的尺寸及工作频率
T/R 组件被安放在相控阵中的单元之中，单元尺寸是工作频率的函数
从经验上来讲，组件是以半波长间距进行摆放，如10 GHz 的半波长是1.5 cm, 或600 mils. Source: https://www.doczj.com/doc/8410355122.html,/encyclopedia/transmitreceivemodules.cfm
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典型的收发组件系统框图
数字
移相器数字衰减器收发开关低噪放级1、2激励+ PA 限幅器或
接收机保护开关双工器耦合器
Tx 入
Tx 功率监控
Tx Out Rx In Rx 出
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数字移相器
移相器可以为每个单元电路提供相位增减从而使扫描波束改变方向。由于收发单元都需要移相单元，因此移相单元经常置于收发公用通道中。这种情况下，移相器一般是无源互易网路。也可以采用有源移相器。
移相器并不是理想的，也包含移相误差。但是有一种未被理解的说法是和频率有关的、VSWR 性能较差的移相器的相位误差会显著提高。
通过带入真实的负载，就可以更真实的了解移相器的性能，降低产品的上市时间和降低成本。
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衰减器
衰减器用来帮助改善相控阵主瓣宽度，降低旁瓣大小。一般在接收模式下使用这种方式，而在发射模式下，往往希望辐射更多的能量。衰减器的第二个作用是调整各个单元的幅度一致性。
在现代TR 组件系统中通常会使用数字衰减器
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双工器
双工器可以使发射单元和接收单元共用天线单元。可以是铁氧体环行器，也可以使用单刀多掷开关。使用环行器时，因为不是固态器件，所以不必要安装在屏蔽盒里。所以有的时候可以看到TR 组件中露在外面的环行器。
另外一个问题是双工器在扫描极端的角度时，会遇到天线驻波比急剧恶化的情形。这种失配传递到功放后，由于负载牵引效应，会引起功放功率的下降，这种效果甚至比直接的负载失配更严重。在发射时，LNA 呈现的是匹配的负载，问题倒是不大。
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限幅器/接收机保护开关(RPS)
限幅器是用来防止低噪放在信号发射时或其它杂波进入时的损伤
限幅器/接收机保护开关的第二个作用是在信号发射时为双工器提供负载，以吸收由天线反射回的信号功率。在进行大角度扫描时，会有很大的反射功率。
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低噪声放大器(LNA)
LNA 决定了系统的噪声系数，同时在天线和LNA 之间的各种损耗对噪声系数有影响，要控制到最小。
如图所示，使用了两个串联的LNA 。
为了最大可能地提高TR 组件的灵敏度，会尽力地将LNA 及功放靠近天线以减少传输线的损耗有时LNA 需要设计成在偏置关断时能提供好的阻抗匹配
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高功率放大器(HPA)
高功率放大器是TR 组件中最大的和最昂贵的部分，同时也是无用热量的主要来源。
功放经常采用两路方式，使用正交或同相Wilkinson 耦合器进行合成。正交合成的好处在于看进去的合成的阻抗匹配性能非常好。
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调制电路
T/R 组件必须很快的从发射状态转换到接收方式。在信号接收期间，发射信号支路是关断的；同样，在发射状态下，接收放大器是关断的。这一般是通过电路，切断需要关断的放大器的漏极电流实现的。理论上，也可以使用栅极对放大器进行调制。但是一般没有这样做，可能是因为在调制波形建立期间，栅极上的噪声要比使用漏极进行模式转换产生的影响大了很多。
P-沟道MOSFET 通常用于控制放大器的开断。它能提供很小的导通阻抗。
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电荷存储电容
因为T/R 单元必须尽快地进行开关，而电源往往相距的比较远(电长度)，电荷存储电容可以在脉冲期间保持放大器的偏置电压：
一般来说，功放在脉冲期间可以接受的电压跌落可以到5%, 功率也大概下降5%
问题: 对于10W 的功放，供电电压为8V ，电流峰值5A ，工作在10us 的脉冲状态下，电荷存储电容应该多大？
答案: 125 uF
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波束成形数字电路
相控阵中的移相器必须设定相应的移相值以控制波束指向。这些复杂的工作都是通过计算机完成的，一般称为波束成形计算机。
外壳
一般会使用密闭壳体安置T/R 组件以确保组件能长时间正常工作。一般会使用和内部板材(如GaAs, 硅, 各种介质等)热扩散系数匹配的材料。
外壳是T/R 组件中质量最大的部分。对于地面应用不会有什么问题，而对于飞机或航天应用，有时会有问题。
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介质
T/R 组件通常使用微带线进行互联，或者使用共面波导，带线等。介质材料会使用陶瓷，氧化铝介质等。
内部监测(BITE)
在相控阵完成了几个小时的测试之后，可以会有人问，“相控阵中有些问题，怎么能知道那个模块的问题?”
T/R 组件中通常会有内部测试电路，用来监控电路的状态。很难对所有的模块进行监控，一般而言功放可能最快出故障的部件，需要对它的状态进行监控。
在T/R 组件的系统框图中可以看出，在双工器之后的耦合器就是用来进行内部监测的。
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内容安排
?收发组件(TR Module)概况及主要元件
?TR 组件系统级仿真
?TR 组件中的微波单片电路( MMIC)
?TR 组件的射频脉冲仿真
?贴片天线阵
?TR 组件及贴片天线阵混合仿真
TR 组件–系统级分析
Digital Phase Shifter Digital
Attenuator
TR
Switch
LNA Stage 1 and 2Rx Protection
Switch
Driver and Power Amp
Tx Power
Monitoring
Duplexer
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TR 组件–系统仿真结果
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TR 组件–理想数字衰减器特性扫描
?对数字衰减器模型进行扫描从0 –31.5 dB 0.5 dB 间隔(64个状态)
?正如所希望的，系统输出功率随衰减值随线性减少
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TR 组件–理想移相器特性扫描
?对数字移相器模型进行扫描从0 –90度5.625度间隔(16 个状态)
?实际系统中一般使用6位移相器，相移范围从0 -354.375 度