基于ADS的毫米波收發(fā)組件設(shè)計及仿真

甄可龍1 唐云菲2 呂善偉3

（1中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081）

（2冀州市職業(yè)教育中心 河北 冀州 053200）

（3北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100191）

基于ADS的毫米波收發(fā)組件設(shè)計及仿真

甄可龍1 唐云菲2 呂善偉3

（1中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081）

（2冀州市職業(yè)教育中心 河北 冀州 053200）

（3北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100191）

接收發(fā)射組件（T/R組件）是相控陣天線的核心部分，在通信、雷達(dá)等應(yīng)用領(lǐng)域日益得到重視。針對毫米波段的T/R組件進(jìn)行了研究，在相控陣技術(shù)基本原理分析基礎(chǔ)上，對功放、低噪放、移相、衰減、開關(guān)及中頻放大等模塊進(jìn)行了選型設(shè)計，利用安捷倫ADS軟件對T/R組件進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果顯示接收組件具有較好的噪聲系數(shù)，發(fā)射組件功率輸出滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

毫米波收發(fā)組件相控陣ADS

1 引言

以T/R組件為核心的相控陣技術(shù)在通信、雷達(dá)等領(lǐng)域得到廣泛重視，相控陣天線可以實現(xiàn)波束無慣性快捷掃描、波束賦形、數(shù)字多波束和空間功率合成等優(yōu)點，結(jié)合擴(kuò)頻、跳頻等技術(shù)，具有較強抗干擾和功能擴(kuò)展能力[1-4]。相控陣天線具有良好空氣動力學(xué)特性和隱身性能，尤其適合在機(jī)載平臺上使用。相控陣天線系統(tǒng)一般由天線單元、T/R組件、饋電網(wǎng)絡(luò)、波控分機(jī)、電源等分機(jī)構(gòu)成。

一部相控陣系統(tǒng)包含幾十乃至成千上萬個T/R組件，T/R組件的性能直接決定了相控陣天線系統(tǒng)的整體指標(biāo)，是相控陣天線最核心部分[5]。隨著通信及雷達(dá)系統(tǒng)帶寬的日益增加，低頻段已經(jīng)滿足不了高速率傳輸需求，針對毫米波頻段的T/R組件進(jìn)行了仿真設(shè)計。

2 T/R組件原理設(shè)計

毫米波相控陣T/R組件是一個包含限幅、放大、變頻、移相及衰減等多種功能的復(fù)雜系統(tǒng)[6]，根據(jù)功能模塊的劃分，提出了設(shè)計方案框圖，如圖1所示。

圖1 T/R組件設(shè)計方案框圖

組件采用超外差工作方式，收發(fā)狀態(tài)通過控制單刀雙擲開關(guān)實現(xiàn)分時工作；外部頻綜輸出高穩(wěn)定度信號，經(jīng)倍頻放大作為本振輸出；采用6位數(shù)控移相器和6位數(shù)控衰減器來控制信號相位和幅度，實現(xiàn)波束掃描及信號強度的控制；電源用來提供T/R組件的直流偏置，控制單元控制收發(fā)開關(guān)狀態(tài)。處于接收狀態(tài)時，毫米波信號通過限幅保護(hù)電路和低噪聲放大，經(jīng)下變頻后進(jìn)行移相衰減，然后經(jīng)中頻放大濾波，最后送中頻處理單元；發(fā)射狀態(tài)時，輸入的中頻信號經(jīng)移相衰減后上變頻到毫米波頻段，經(jīng)濾波器抑制掉本振泄漏，通過前置驅(qū)放推動末級功率放大器輸出功率，送至天線輻射單元實現(xiàn)功率合成。

3 性能指標(biāo)及各分機(jī)設(shè)計

TR組件的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)：工作頻段：Ka頻段；輸入輸出中頻：L頻段；帶寬：±200 MHz；發(fā)射功率：≥20 dBm；噪聲系數(shù)：<5 dB；接收增益：≥30 dB。進(jìn)行收發(fā)鏈路設(shè)計，包括射頻開關(guān)、限幅器、低噪聲放大器（LNA）、雙平衡混頻器、倍頻放大器、功放及驅(qū)動、衰減及移相和中頻放大器等模塊。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如下。

⑴微波開關(guān)和限幅器

典型T/R組件使用2個微波開關(guān)，第一個開關(guān)使接收支路和發(fā)射支路共用天線，并保持足夠隔離度，一般工作在大功率狀態(tài)，也可用環(huán)形器來代替。第二個開關(guān)作用是讓接收路和發(fā)射路共用數(shù)字衰減器和移相器，工作在小功率狀態(tài)。對于微波開關(guān)要求隔離度大、插損小。限幅器屬于自控式衰減器，作用是防止發(fā)射功率或外來強干擾進(jìn)入接收支路燒毀低噪聲放大器。

射頻開關(guān)選用Alpha公司的AP640R5-00型單刀雙擲開關(guān)，采用PIN工藝，在24～35 GHz頻帶內(nèi)典型指標(biāo)為：插損＜1.1 dB，隔離度＞30 dB，具有較強的功率承受能力。中頻開關(guān)選用M/A-COM公司MA4AGSW2型單刀雙擲開關(guān)，0～20 GHz帶內(nèi)插損為0.6 dB，隔離度為45 dB。

⑵低噪聲放大器低噪聲放大器是接收鏈路關(guān)鍵部件，保證整機(jī)低噪聲系數(shù)的前提下對接收信號進(jìn)行放大，以滿足后級鏈路所需的功率電平。噪聲系數(shù)是衡量接收機(jī)的重要指標(biāo)，由公式（1）得出串聯(lián)分機(jī)和整機(jī)噪聲系數(shù)之間的相互關(guān)系，低噪放芯片要求噪聲系數(shù)小、增益高、動態(tài)范圍大。

低噪放模塊采用2塊MMIC串聯(lián)使用，第一級選用Eudyna公司的FMM5704X，工作頻帶36～40 GHz，NF=2.0 dB，Gain=18 dB，P-1dB=9 dBm。第二級選用Hittite公司HMC261，工作頻帶20～40 GHz，功率增益14 dB，P-1輸出功率為12 dBm。

⑶雙平衡混頻器

雙平衡混頻器具有良好諧波抑制效果。設(shè)計采用Hittite公司的HMC329芯片，同時作為上變頻和下變頻使用，RF信號頻段為35～40 GHz，當(dāng)本振驅(qū)動功率為13 dBm時，典型變頻損耗為9 dB。

⑷倍頻放大芯片

倍頻放大芯片用于本振信號的產(chǎn)生，采用UMS公司的CHX2091，工作頻帶20～40 GHz，倍頻損耗最大為-2 dB，輸入功率12 dBm。

⑸功率放大和驅(qū)動放大芯片

功放模塊由前置驅(qū)動放大器和后級大功率放大器構(gòu)成，它在T/R組件中將經(jīng)過移相、衰減后的射頻調(diào)制信號放大到足夠功率，由天線輻射出去。其主要指標(biāo)有飽和輸出功率、諧波抑制度、雜散抑制度及幅相一致性等，功放模塊是T/R組件的核心部分。

設(shè)計中功放芯片選用TriQuint公司的TGA4521-EPU，工作頻帶內(nèi)功率增益為15 dB，P-1功率輸出為23 dBm，38 GHz時飽和輸出功率可達(dá)24 dBm。為滿足功放正常工作要求，前置驅(qū)放選用Hittite公司的HMC283，在17～40 GHz頻段的Psat功率輸出為17 dBm，增益26 dB。

⑹移相和衰減器芯片

通過對數(shù)字移相器的控制，實現(xiàn)相控陣天線的波束掃描。移相器是T/R組件中的關(guān)鍵器件，要求能提供精確相移、插損小、相位一致性好，移相引起幅度變化要小。對相控陣天線副瓣電平有特殊要求時還要進(jìn)行幅度加權(quán)，數(shù)控衰減器作用是對信號幅度加權(quán)。數(shù)控衰減器要求控制精度高、插損小、附加相移小。移相器和衰減器一般用在下變頻之后，移相器典型插損值為5.5 dB，衰減器典型插損值為3.5 dB。

⑺中頻放大器

對中頻信號放大的放大模塊采用AHB110C芯片，其工作頻帶為0～3 GHz，典型增益為22 dB，噪聲系數(shù)5 dB，P-1功率輸出為15 dBm。

4 接收及發(fā)射鏈路仿真

⑴發(fā)射鏈路設(shè)計及仿真

發(fā)射支路主要作用是將中頻信號上變頻至Ka頻段，并將信號放大到發(fā)射功率電平20 dBm，同時對本振信號泄漏和下邊帶信號進(jìn)行抑制。鏈路信號流程如下：首先10 dBm的中頻信號經(jīng)中頻收發(fā)開關(guān)、數(shù)控移相器和衰減器后，與倍頻得到的本振信號進(jìn)行混頻，上變頻后的信號經(jīng)帶通濾波后，通過驅(qū)放芯片放大，驅(qū)動末級功放芯片功率輸出。將器件參數(shù)加入到ADS系統(tǒng)模型中進(jìn)行仿真，得到如下仿真數(shù)據(jù)，如圖2和圖3所示。

圖2發(fā)射鏈路中頻、射頻頻域仿真數(shù)據(jù)

圖3發(fā)射鏈路中頻、射頻時域仿真數(shù)據(jù)

根據(jù)ADS軟件對中頻輸入端及射頻輸出端的時頻域仿真結(jié)果，可見組件正常工作，發(fā)射鏈路輸出功率為22.39 dBm,滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

（2）接收鏈路設(shè)計與仿真

接收支路的作用是將從天線單元接收到毫米波信號經(jīng)收發(fā)開關(guān)、限幅器和低噪聲放大，下變頻到中頻信號放大濾波后輸出。器件參數(shù)加入到ADS系統(tǒng)模型中仿真，得到如下仿真數(shù)據(jù)，如圖4和圖5所示。

圖4接收鏈路射頻、中頻頻域仿真數(shù)據(jù)

圖5接收鏈路射頻、中頻時域仿真數(shù)據(jù)

圖4和圖5為接收鏈路射頻輸入及中頻輸出端的時域頻域仿真結(jié)果，可見該接收鏈路正常工作。仿真噪聲系數(shù)值為4.45 dB，滿足系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

從接收和發(fā)射鏈路的時頻域及噪聲系數(shù)仿真結(jié)果得出，該方案能實現(xiàn)T/R組件信號的正常收發(fā)，能較好的滿足設(shè)計指標(biāo)，為相控陣系統(tǒng)整機(jī)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。此外，T/R組件的設(shè)計還應(yīng)考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)、電磁兼容、效率功耗及散熱等多種因素，是一個綜合性系統(tǒng)工程。

[1]MAILL0UX R J.相控陣天線手冊[M]羅群,朱和平,周萬幸,等,譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]尹武,周繼宇,單俊濤.一種改進(jìn)的自適應(yīng)波束賦形算法[J].無線電通信技術(shù),2012,38(4)：48-50.

[3]韓國棟,杜彪,陳如山.衛(wèi)星移動通信相控陣天線研究現(xiàn)狀與技術(shù)展望[J].無線電通信技術(shù),2013,39(4)：1-6.

[4]李勇,李文計.一種Ka頻段多波束天線的工程實現(xiàn)[J].無線電通信技術(shù),2012,38(4)：45-47.

[5]胡明春,周志鵬,嚴(yán)偉.相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2010.

[6]薛正輝,李偉明,任武.陣列天線分析與綜合[M].北京：航空航天大學(xué)出版社,2011.

Design and Simulation of Millimeter Wave Tx/Rx Module Based on ADS

ZHEN Ke-long1TANG Yun-fei2LV Shan-wei3
(1 The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)
(2 Jizhou Vocational Education Center,Jizhou Hebei 053200,China)
(3 School of Electronics and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

The transmitter and receiver(Tx/Rx)module is the core of phased array antenna,and plays a significant role in the field of communication and radar.This paper studies the Tx/Rx module in millimeter wave band,designs such modules as power amplifier, low-noise amplifier,phase shift,attenuation,switch and intermediate frequency amplifier based on the basic principle analysis of phased array technology,and simulates the Tx/Rx module by Agilent ADS software.The simulation results show that the Tx/Rx module has the better noise figure and its power output can satisfy the design specification requirements.

millimeter wave;transmitter and receiver module;phased array;ADS

TP391.72

A

1008-1739（2014）14-69-4

定稿日期：2014-06-26