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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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: http://www.microwaves101.com/encyclopedia/transmitreceivemodules.cfm
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典型的收发组件系统框图
Tx入
激励 + PA
数字
移相器
数字
衰减器
收发开关
Tx Out
Rx In
双工器
耦合器
Rx 出
低噪放级
1、2
限幅器或
接收机保护开关
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。
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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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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
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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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。
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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。
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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
容应该多大?
答案: 125 uF
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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
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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• 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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