利用ADS設(shè)計(jì)仿真C波段T/R組件

倪赫男，顧穎言

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

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利用ADS設(shè)計(jì)仿真C波段T/R組件

倪赫男，顧穎言

(南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)

T/R組件是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件。對(duì)于星載、機(jī)載、艇載等平臺(tái)，如何設(shè)計(jì)出輕小型化、高可靠性、適于批量生產(chǎn)的T/R組件十分重要。在設(shè)計(jì)初期引入Agilent公司的ADS 仿真軟件可以有效縮短開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)效率。文中運(yùn)用ADS進(jìn)行一款C波段輕小型化T/R組件的設(shè)計(jì)與仿真，采用了多種單片微波集成電路芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)各模塊功能，對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的放大器自激問(wèn)題進(jìn)行了探討并提出解決辦法，在C波段實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收功能，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

C波段；T/R組件；ADS仿真軟件；單片微波集成電路；放大器自激

0 引 言

隨著雷達(dá)面臨的目標(biāo)環(huán)境和電磁環(huán)境日益嚴(yán)峻，以及對(duì)雷達(dá)觀測(cè)任務(wù)新需求的不斷增長(zhǎng)，雷達(dá)性能必須大幅提高[1]，而以T/R組件為核心的有源相控陣?yán)走_(dá)可以滿足現(xiàn)代雷達(dá)的眾多需求[2]。對(duì)于星載、機(jī)載、艇載等裝機(jī)平臺(tái)而言，特殊的結(jié)構(gòu)與安裝空間限制了雷達(dá)系統(tǒng)的體積與質(zhì)量[3]。在此背景下，設(shè)計(jì)出輕小型化、高性能的T/R組件勢(shì)在必行。如果在設(shè)計(jì)初期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)仿真，就可以有效縮短開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)效率[4]。

本文利用Agilent公司的ADS仿真軟件設(shè)計(jì)了一款C波段T/R組件，探討了放大器自激問(wèn)題，不僅豐富了C波段T/R組件的研究工作，更為超小型T/R組件的初期設(shè)計(jì)提供了思路。

1 T/R組件設(shè)計(jì)指標(biāo)和系統(tǒng)方案

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

(1)頻段：C波段。(2)輸出功率：≥10 W。(3)發(fā)射

效率：≥20%。(4)接收增益：≥18 dB。(5)接收噪聲系數(shù)：≤2.5 dB。(6)移相位數(shù)：5 bit。(7)衰減位數(shù)：5 bit。

1.2 系統(tǒng)方案

T/R組件由發(fā)射和接收兩條通道組成。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)射通道包括單級(jí)或多級(jí)功率放大電路，接收通道包括數(shù)字衰減器、單級(jí)或多級(jí)低噪聲放大電路以及限幅器，收發(fā)通道公用部分主要包括環(huán)形器、收發(fā)開(kāi)關(guān)、移相器等。其中，移相器和衰減器可以實(shí)現(xiàn)波束掃描和接收通道幅度加權(quán)的功能[5]。

由于T/R組件的射頻端口存在大范圍動(dòng)態(tài)信號(hào)，而且向空間輻射大功率電平信號(hào)，因此，要選擇合適的端口連接方式[6]。常見(jiàn)的系統(tǒng)連接方式有單刀雙擲開(kāi)關(guān)以及環(huán)形器[7]。環(huán)形器電氣性能優(yōu)良，可以抑制負(fù)載牽引，但體積較大，不符合超小型組件的設(shè)計(jì)要求；單刀雙擲開(kāi)關(guān)體積小，更適合本次設(shè)計(jì)。綜合考慮多種因素，最終確定T/R組件原理圖，如圖1所示。

2 T/R組件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

為設(shè)計(jì)出輕小型化T/R組件，電路各模塊均選用成熟的單片微波集成電路(MMIC)芯片，不僅減少分立元件的使用，還可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，提高設(shè)計(jì)效率。

圖1 T/R組件原理圖

2.1 接收通道設(shè)計(jì)與仿真

接收通道包括移相器、收發(fā)開(kāi)關(guān)、低噪聲放大器(LNA)以及衰減器。各器件均采用成熟MMIC芯片，具體參數(shù)及連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 T/R組件接收通道框圖

根據(jù)系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)公式，可以得到圖2中接收通道的噪聲系數(shù)為

(1)

將圖2中的數(shù)值代入式(1)中，可以計(jì)算得到NFS=1.927 dB<2.5 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

提取移相器、衰減器、兩級(jí)LNA的小信號(hào)S參數(shù)，并根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)設(shè)置各芯片參數(shù)，在ADS中對(duì)接收通道進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

圖3 基態(tài)時(shí)接收通道增益曲線

從圖3可以看出，接收通道增益在基態(tài)時(shí)達(dá)到26 dB以上，大于18 dB，很好地滿足了設(shè)計(jì)要求。移相器、衰減器余態(tài)也均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.2 發(fā)射通道設(shè)計(jì)與仿真

與接收通道不同，發(fā)射輸出一般都是飽和功率輸出，其增益一般是大信號(hào)增益。輸出功率飽和越深，輸出信號(hào)波動(dòng)越小，但附加效率越差[4]。

發(fā)射通道包括移相器、收發(fā)開(kāi)關(guān)和功率放大電路。功率放大電路采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，一級(jí)是驅(qū)動(dòng)放大器，另一級(jí)是功率放大器，均采用成熟MMIC芯片。根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)對(duì)各芯片進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，在ADS中對(duì)發(fā)射通道進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

圖4 輸出功率隨輸入功率變化曲線

從圖4可以看出，隨著輸入功率的增大，輸出功率相應(yīng)增加，但逐步進(jìn)入飽和狀態(tài)，通道的大信號(hào)增益逐漸減小，產(chǎn)生了增益壓縮。輸出功率在輸入功率大于7 dBm時(shí)，大于40 dBm(10 W)，符合設(shè)計(jì)要求。根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)，可以計(jì)算得到發(fā)射通道工作時(shí)，總功耗為

(2)

因此，發(fā)射效率為

(3)

該發(fā)射功率符合設(shè)計(jì)要求。

3 穩(wěn)定性分析

3.1 功率放大器

功率放大器作為發(fā)射通道的核心部分，其穩(wěn)定性直接影響發(fā)射通道乃至整個(gè)T/R組件的性能。因此，功率放大器的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

功率放大器合成芯片組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“功放芯片組”)原理框圖如圖5所示。其中，RFi為射頻輸入，RFo為射頻輸出，Vgs為柵源電壓，Vds為漏源電壓。功放芯片組內(nèi)部由兩個(gè)GaAs功率單片及功分器瓷片、直流偏置電容芯片、直流過(guò)渡瓷片構(gòu)成。組件設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)功放芯片組進(jìn)行小信號(hào)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖5 功放芯片組原理框圖

圖6 功放芯片組小信號(hào)測(cè)試結(jié)果

從圖6可以看出，功放芯片組在7.2 GHz頻率附近會(huì)有較大的增益駐波奇異點(diǎn)，表明其在7.2 GHz附近存在不穩(wěn)定和輕微的自激。

功放芯片組結(jié)構(gòu)裝配圖如圖7所示，其中，1為連排電容，2為金絲，3、7為功分器芯片，4、9為直流過(guò)度瓷片，5為金帶，6為功率放大器芯片，8為載體。

圖7 功放芯片組結(jié)構(gòu)裝配圖

對(duì)裝備圖分析發(fā)現(xiàn)，圓圈內(nèi)的三處結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)射頻反饋回路。分析表明：在功放芯片組供電回路中，存在與射頻輸出端口的交叉，會(huì)導(dǎo)致微波信號(hào)耦合到供電線上，通過(guò)供電回路反饋到功放芯片組輸入端。該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致輸出、輸入端口隔離度變差，初步估計(jì)為導(dǎo)致功率放大器自激的原因。

將射頻回路去掉，進(jìn)行小信號(hào)測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。設(shè)圖6中的原結(jié)構(gòu)為a結(jié)構(gòu)，圖8中去掉射頻回路的結(jié)構(gòu)為b結(jié)構(gòu)。與a結(jié)構(gòu)相比，b結(jié)構(gòu)的增益和輸入駐波較為平緩，無(wú)奇異點(diǎn)。

圖8 b裝配小信號(hào)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)建立功放芯片組無(wú)源部分電路模型，進(jìn)一步對(duì)a、b兩種結(jié)構(gòu)輸入、輸出端隔離度進(jìn)行仿真并測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。仿真結(jié)果表明：在7.2 GHz處，b結(jié)構(gòu)輸出、輸入端隔離度非常高，而a結(jié)構(gòu)隔離度出現(xiàn)奇異點(diǎn)(奇異點(diǎn)處為-32.3 dB)。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，在7.2GHz處，b結(jié)構(gòu)輸出、輸入端隔離度達(dá)到-53.4 dB左右，a結(jié)構(gòu)隔離度為-32.6 dB左右。這說(shuō)明射頻回路導(dǎo)致a結(jié)構(gòu)輸出、輸入端隔離度急劇變差。

圖9 不同裝配功放芯片組隔離度仿真與測(cè)試曲線

進(jìn)一步分析和試驗(yàn)表明：第一，由于反饋通道的存在，導(dǎo)致a結(jié)構(gòu)中功放的輸入、輸出端端口隔離度較b結(jié)構(gòu)中的狀態(tài)變差15 dB左右；第二，功率單片在帶外7.2 GHz附近有增益高點(diǎn)，為31 dB左右；第三，流片時(shí)工藝的閾值電壓波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致增益差異。以上三種因素最終導(dǎo)致帶外存在增益畸高點(diǎn)，造成功率放大器出現(xiàn)自激現(xiàn)象。

產(chǎn)生自激的條件之一為|AF|>1，其中，A為基本放大電路的增益，F(xiàn)為反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)。在7 GHz附近，功放芯片的增益為31 dB左右，若輸入、輸出端口隔離度不夠，導(dǎo)致反饋系數(shù)F足夠大，將使功放電路具備上述自激的條件。除了去掉原裝配圖中的射頻回路來(lái)破壞自激，還可以在原裝配結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改變直流偏置電路的結(jié)構(gòu)，增加高頻濾波電路濾除耦合的微波射頻信號(hào)，來(lái)提高帶外增益高處的隔離度，從而降低反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)來(lái)破壞產(chǎn)品自激。

根據(jù)以上分析，在原裝配圖基礎(chǔ)上，功放模塊并聯(lián)兩個(gè)100 pF電容到地，在直流偏置通道上增加旁路電容，并對(duì)貼電容前、后系統(tǒng)無(wú)源部分隔離度進(jìn)行仿真與測(cè)試，結(jié)果如圖10所示。在7.2 GHz附近，原結(jié)構(gòu)隔離度為-32.6 dB左右，|AF|接近1，在級(jí)聯(lián)使用后，容易導(dǎo)致自激；貼電容后隔離度小于-47 dB，與原結(jié)構(gòu)相比隔離度增強(qiáng)大于15 dB，有效降低端口間反饋系數(shù)，使|AF|遠(yuǎn)小于1，破壞了產(chǎn)品自激。

圖10 貼電容前后隔離度仿真與測(cè)試曲線

對(duì)貼電容后的功放芯片組進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?，采用貼電容的措施后，功放模塊在7.2 GHz附近增益和駐波奇異點(diǎn)消除。

綜合上述理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，去掉射頻回路或在功放芯片組饋電電路上加兩片100 pF單層芯片電容，都可以有效消除功放在T/R組件中自激的風(fēng)險(xiǎn)，從而保證功放的穩(wěn)定性。

3.2 T/R組件系統(tǒng)穩(wěn)定性

在T/R組件設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要保證器件自身的穩(wěn)定性外，系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性設(shè)計(jì)同樣至關(guān)重要。

對(duì)于收發(fā)通道構(gòu)成的閉合回路，要想避免振蕩，環(huán)路總增益必須小于1[8]，即環(huán)路上所有開(kāi)關(guān)、隔離器等的隔離度之和要大于所有放大器增益之和。根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)計(jì)算，環(huán)路上隔離度為85 dB，大于放大器增益之和81 dB，系統(tǒng)穩(wěn)定。在ADS中建立系統(tǒng)模型，代入小信號(hào)參數(shù)，并根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)設(shè)置各芯片參數(shù)，仿真結(jié)果如圖12所示。

系統(tǒng)絕對(duì)穩(wěn)定的條件是K>1且b>0。從圖12可以看出，基態(tài)時(shí)系統(tǒng)在工作頻率范圍內(nèi)處于絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)驗(yàn)證，其他情況下，系統(tǒng)也絕對(duì)穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用ADS仿真設(shè)計(jì)了一款C波段T/R組件，對(duì)于設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的功率放大器自激問(wèn)題進(jìn)行了分析與解決，使得整個(gè)T/R組件可以穩(wěn)定工作，具有發(fā)射功率大、增益高、接收噪聲系數(shù)低等特點(diǎn)。由于采用多種MMIC芯片實(shí)現(xiàn)各模塊功能，為制作輕小型化、高可靠性T/R組件奠定了基礎(chǔ)，提供了設(shè)計(jì)思路。在實(shí)際制作中，結(jié)合多芯片組件及金屬陶瓷封裝等工藝，可以制造出符合設(shè)計(jì)要求的、 輕小型化T/R組件，它們具有很廣闊的應(yīng)用前景。

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倪赫男 男，1990年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樯漕l電路設(shè)計(jì)。

顧穎言 女，1965年生，研究員級(jí)高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槔走_(dá)T/R組件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微波器件與電路。

Design and Simulation of C-band T/R Module on ADS

NI Henan，GU Yingyan

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

The T/R module is the core part of active phased array radar. For space-borne, airborne and shipborne platforms, how to design a miniature, highly reliable T/R module suitable for mass production is very important. The introduction of Agilent ADS software in early stages can effectively shorten the design cycle and improve the design efficiency. A kind of C-band T/R module is presented in this paper, using a variety of monolithic microwave integrated circuit chips to realize the function of each part. The self-excited problem of amplifier is discussed and the solutions are presented. Transmitting and receiving function in C-band is realized and the simulation results meet the design requirements well.

C-band; T/R module; ADS simulation software; monolithic microwave integrated circuit; amplifier self-excited

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.015

倪赫男 Email：1185668304@qq.com

2015-06-24

2015-08-21

TN83；TN85

A

1004-7859(2015)10-0060-05