使用ADS进行雷达TR组件设计

更新时间：2023-05-26 11:30:01 阅读量：实用文档文档下载

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使用ADS软件进行收发组件系统仿真

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

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

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

典型的收发组件系统框图

Tx入数字移相器数字衰减器收发开关

激励+ PA

Tx Out双工器

Rx In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

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。

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

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。8

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。

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

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。

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。

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 uF13

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。

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。

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

TR组件–系统级分析Driver and Power Amp Tx Power Monitoring Duplexe r

Digital Phase Shifter

TR Digital Attenuator Switch

LNA Stage 1 and 2

Rx Protection Switch

TR组件–系统仿真结果

TR组件–理想数字衰减器特性扫描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

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

使用MMIC芯片替换理想的数字移相器和数字衰减器

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 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

nt Technologies

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

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24

6位数字衰减器 (MMIC芯片特性)

6位数字移相器 (MMIC芯片特性)

使用MMIC数字衰减器的TR组件系统

使用MMIC数字衰减器的TR组件系统的仿真结果

使用MMIC数字衰减器和移相器的TR组件系统

使用MMIC数字衰减器和移相器的TR组件系统的仿真结果

使用数据流共仿真功能进行射频脉冲 TR组件仿真

脉冲射频响应

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

贴片天线阵的设计开始单个贴片天线设计贴片天线S11响应初始值

天线参数结果

优化后的贴片天线响应

构建天线阵天线阵天线参数结果天线远场分布

天线阵三维显示

贴片天线之间的耦合

设计挑战将TR系统组件和天线阵结合起来进行分析是非常有必要的，这样可以了解波束控制，天线对于TR组件系统的负载效应等特性。困难的是需要找到一种将天线阵(一般使用电磁场工具进行仿真)和TR组件系统(使用MMIC芯片数据或电路特性在原理图中进行仿真)集成在一起的方法。对于这一点，大多数的软件都无法做到将完

整系统中最重要的两个部分结合起来，并可以了解集成在一起的系统性能。更多的时候，工程师只是将设计的天线的多端口S参数文件拿来，做为TR组件系统(或者设计的其它系统)的负载。

ADS软件的解决方案 ADS可以提供 Momentum Far Field Design Kit (Momentum远场设计包)–可以从ADS软件技术支持网站中下载这个设计包允许设计人员将电路/系统元件同电磁场仿真元件结合在一起进行仿真。这个工具同时可以启动辐射模式工具，自动更新在每个馈源上的幅度和相位设计，人下一种幻灯片中将要介绍的。另一个好处就是无论在这种系统-电路-天线的共仿真中有多少个馈源，都不需要手工进行干预。

将收发系统和天线阵结合起来

进行天线阵和收发组件系统的联合仿真

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hko4.html

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