使用ADS软件进行收发组件系统设计

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@

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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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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: /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。