使用ADS进行雷达TR组件设计

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TR组件中的主要元件
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。
64 = 4096个状态组合) • 在系统仿真中使用真实的测量数据将帮助设计人
员提高仿真精度，并可以了解MMIC芯片的频响 特性对系统的影响
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在ADS软件中使用DAC
使用DAC元件，通过扫描文件指针进行多个S参数文件的扫描
Att_Datafile.txt
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TR组件中的主要元件
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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TR组件中的主要元件
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
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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
使用ADS软件进行收发组件系统仿真
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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
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• 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
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TR组件中的主要元件
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。
容应该多大？
答案: 125 uF 13
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TR组件中的主要元件
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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TR组件中的主要元件
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 至开关。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。如果在发射时，LNA呈现的是匹配的负载，问题倒是不大。
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TR 组件 – 系统级分析
Driver and Power Amp
Duplexe r
Tx Power Monitoring
Digital Phase Digital
TR
Shifter
Attenuator Switch
LNA Stage 1 and 2
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使用MMIC芯片替换理想的数字移相器 和数字衰减器
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设计挑战
• 如何使用MMIC芯片数据进行系统仿真分析？ • 6位MMIC单元器件会有64个状态的S参数文件 • 手动更改文件进行仿真工作量太大(总共有64 X
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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
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Tx 功率监控
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TR组件中的主要元件
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大大降低成本。
6位数字移相器 (MMIC芯片特性)
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使用MMIC数字衰减器的TR组件系统
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使用MMIC数字衰减器的TR组件系统 的仿真结果
通过扫描 AState 变量，在ADS仿真中可以读取 不同的数据文件进行系统性能的验证
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6位数字衰减器 (MMIC芯片特性)
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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: http://www.microwaves101.com/encyclopedia/transmitreceivemodules.cfm
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使用MMIC数字衰减器和移相器的TR组件系统
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使用MMIC数字衰减器和移相器的TR组件系统的仿真结果
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TR组件中的主要元件
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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TR组件中的主要元件
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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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
Rx Protection Switch
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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
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TR组件中的主要元件
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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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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典型的收发组件系统框图
Tx入
数字 移相器
Rx 出
数字 衰减器
收发开关
激励 + PA
Tx Out
Rx In
双工器
耦合器
低噪放级 1、2
限幅器或 接收机保护开关