一種基于ADS的雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

引言

　　單片化、模塊化、現(xiàn)代化是現(xiàn)代接收機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，包括通信領(lǐng)域、雷達(dá)領(lǐng)域及其他相關(guān)領(lǐng)域的接收機(jī)。但是，由于各種新型器件的研發(fā)周期越來(lái)越短，要求雷達(dá)接收機(jī)的更新?lián)Q代也就越來(lái)越快，這就給接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的、更高的要求。而在傳統(tǒng)接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)字電路的設(shè)計(jì)、仿真已經(jīng)非常成熟，其RTL、系統(tǒng)級(jí)的仿真工具已經(jīng)大量出現(xiàn);但在模擬電路設(shè)計(jì)方面，這種高層次仿真、綜合工具還相對(duì)落后，以前基本依靠系統(tǒng)工程師自身多年經(jīng)驗(yàn)甚至直覺(jué)來(lái)進(jìn)行模擬前端設(shè)計(jì)，根本沒(méi)有優(yōu)化與分配[1]，嚴(yán)重約束了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期。

　　隨著電路結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜和工作頻率的提高，在電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程中， EDA軟件已經(jīng)成為不可缺少的重要工具。EDA軟件所提供的仿真分析方法的速度、準(zhǔn)確與方便性便顯得十分重要，此外該軟件與其他EDA軟件以及測(cè)量?jī)x器間的連接，也是現(xiàn)在的龐大設(shè)計(jì)流程所必須具備的功能之一。Agilent公司推出的ADS軟件以其強(qiáng)大的功能成為現(xiàn)今國(guó)內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的軟件之一。本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法正是基于ADS軟件進(jìn)行仿真分析的。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

　　本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法從系統(tǒng)整體入手，將整體指標(biāo)通過(guò)預(yù)算分析分配給不同的模塊，獲得各模塊具體指標(biāo)后就可以進(jìn)行各模塊的具體設(shè)計(jì)，然后驗(yàn)證其可行性，進(jìn)而大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)的可靠性，避免了重復(fù)工作和資源浪費(fèi)。此種方法消除了以往設(shè)計(jì)方法的盲目性，將采用定量?jī)?yōu)化的方法，自頂而下進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)一般是自下而上，先設(shè)計(jì)每個(gè)單元模塊，再把它們組合成系統(tǒng)整體。這樣做一方面有可能達(dá)不到總體要求;另外一方面，為了滿足整體指標(biāo)，加大了單元模塊設(shè)計(jì)的難度;此外，對(duì)于不同的系統(tǒng)要求和標(biāo)準(zhǔn)，還必須重新設(shè)計(jì)，費(fèi)力而且費(fèi)時(shí)。采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法則完全避免了這些問(wèn)題。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇

　　如今的雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)在符合各種不同標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)必須在各種信號(hào)鏈路中滿足嚴(yán)格的指標(biāo)要求。根據(jù)雷達(dá)接收機(jī)預(yù)先設(shè)定的性能指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇，首先對(duì)各種接收機(jī)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真分析，得到粗略的性能極限標(biāo)界;同時(shí)，根據(jù)關(guān)鍵性能指標(biāo)建立系統(tǒng)優(yōu)化理想行為模型，并利用大量已測(cè)產(chǎn)品行為模型進(jìn)行修正。比如，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行鏈路預(yù)算仿真，預(yù)估整體性能是否滿足接收機(jī)系統(tǒng)要求，同時(shí)作為器件選取依據(jù)。

　　雷達(dá)接收機(jī)的常規(guī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　在傳統(tǒng)接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上可以從頻譜利用率高低方面[2][3]對(duì)接收機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)，在此只簡(jiǎn)單介紹中等頻譜利用率的接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

　　此種結(jié)構(gòu)中，未使用頻帶數(shù)和系統(tǒng)占用的大致相等，因此射頻前端應(yīng)該支持在數(shù)個(gè)頻帶上的同時(shí)并行感知活動(dòng)。從電路觀點(diǎn)來(lái)看，接收機(jī)組成器件數(shù)目大大增加。從實(shí)際應(yīng)用考慮，并行處理路數(shù)應(yīng)控制在4或5路為佳。此時(shí)，需要大功率精確控制多路本振信號(hào)，而它們又需要在固定頻率上工作，因此要求也相應(yīng)的很寬泛。為了做到并行一致性，可用頻率必須足夠多，同時(shí)在ADC之后可以采用通道校準(zhǔn)算法進(jìn)行通道校準(zhǔn)[4]。因此，并行通道的基帶端口增大了帶寬，這就比低頻譜利用中需要更高速率和分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。

　　綜上所述，不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其性能指標(biāo)極限和集成度是不同的，而指標(biāo)極限和集成度又隨著工藝的改進(jìn)而變化。因此，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇時(shí)，還必須考慮未來(lái)工藝、電源電壓以及電路結(jié)構(gòu)的演變對(duì)優(yōu)化模型的影響。

　　中等頻譜利用率接收機(jī)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)模型如圖3所示。

　　從而得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能向量為：

　　其中A1表示中等頻譜利用率接收機(jī)結(jié)構(gòu)性能向量，f1、f2、f3、f4分別代表各濾波器的性能函數(shù)，a1、a2代表各放大器的性能函數(shù)，m1、m2代表各混頻器的性能函數(shù)。

通過(guò)類(lèi)似的方法，可以分別得到低頻譜利用率和高頻譜利用率接收機(jī)結(jié)構(gòu)的性能向量A2、A3，并最終通過(guò)優(yōu)化函數(shù)：

　　得到最優(yōu)接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　通過(guò)這個(gè)仿真，將看到系統(tǒng)總增益在系統(tǒng)各個(gè)部分的分配情況。預(yù)算增益仿真在諧波平衡分析以及交流分析中都可以進(jìn)行，但如果在交流仿真中進(jìn)行的話，混頻器不能是晶體管級(jí)的。這里進(jìn)行的是行為級(jí)仿真，混頻器的非線性特征是已知的，因此需要用交流分析來(lái)進(jìn)行仿真[4][5]。

　　仿真會(huì)在接收機(jī)總增益最大和最小兩種情況下進(jìn)行以便得到較為全面的分析結(jié)果。當(dāng)VGA增益為最大值時(shí)，信號(hào)源的功率電平為接收機(jī)的靈敏度-113dBm(已考慮了天線雙工器的損耗);反之，當(dāng)VGA的增益最小時(shí)，信號(hào)源應(yīng)輸入接收機(jī)所能接收的最大功率。這些參數(shù)的變化都要在VAR中設(shè)置出來(lái)。

　　可以在原框圖的基礎(chǔ)上設(shè)置預(yù)算路徑并建立預(yù)算方程，筆者兩次仿真的結(jié)果，如圖4(a)和4(b)所示，可以清楚地看到接收機(jī)在VGA增益最大和最小的情況下整機(jī)增益的分配情況。

　　由圖4還可以看出，接收機(jī)前端一般要有AGC的加入，以便動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的輸入功率，使之匹配ADC。

　　圖5所示為接收機(jī)功率增益預(yù)算，從圖中可以看出功率增益在各個(gè)器件上的分配情況。

　　射頻模塊的優(yōu)化選擇

　　在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇中，已經(jīng)得到最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。而系統(tǒng)性能指標(biāo)無(wú)法直接應(yīng)用于結(jié)構(gòu)規(guī)劃和模塊設(shè)計(jì)，需要把這些指標(biāo)轉(zhuǎn)換為能直接反映射頻模塊性能的參數(shù)，如噪聲系數(shù)、線性度、穩(wěn)定性等，因此可以分配具體的性能參數(shù)到各射頻模塊中去。

　　射頻模塊一般都可以分為放大、濾波、混頻等模塊，以放大器為例，其實(shí)際的行為模型還必須考慮各種非線性因素。

　　●噪聲?？梢哉J(rèn)為是與有用信號(hào)不相關(guān)的隨機(jī)干擾，主要有熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲三種類(lèi)型。接收機(jī)的噪聲系數(shù)主要取決于它的前端電路，若無(wú)高頻放大器，主要由混頻電路決定。

　　●線性度。用來(lái)衡量線性度的指標(biāo)主要有三階交調(diào)、二階交調(diào)和1dB壓縮點(diǎn)。

　　●穩(wěn)定性。因晶體管都存在著內(nèi)部反饋，當(dāng)反饋量達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)引起放大器穩(wěn)定性變壞而導(dǎo)致自激。

　　這些非線性因素不是孤立的，而是與輸入信號(hào)疊加在一起共同組成系統(tǒng)的輸入輸出。用Sideal、Sn、Sl、Ss分別表示模塊的理想信號(hào)、噪聲、線性度、穩(wěn)定性，則其輸入、輸出信號(hào)可以分別表示為

　　從而可以得到實(shí)際器件的行為模型，并結(jié)合ADS仿真分析其性能。

器件選型

　　在此只對(duì)一些典型器件如射頻濾波器、低噪聲放大器等進(jìn)行仿真、分析。

　　濾波器

　　由于是對(duì)天線接收下來(lái)的微弱射頻信號(hào)直接濾波，因此要求射頻濾波器的插損和帶內(nèi)波動(dòng)等都盡可能小。為了滿足系統(tǒng)性能要求和提高接收機(jī)設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍，通常需要幾組濾波器，以減少干擾信號(hào)的數(shù)量和幅度，以及進(jìn)入接收機(jī)的噪聲。同時(shí)為了覆蓋整個(gè)頻段，采用電調(diào)諧濾波器是必然趨勢(shì)。電調(diào)諧濾波器是通過(guò)改變?yōu)V波網(wǎng)絡(luò)中的可變電容，來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)的變化。利用電壓改變可變電容的容量，達(dá)到所需要的頻率響應(yīng)。本設(shè)計(jì)中，每個(gè)頻段可以分別用一個(gè)電調(diào)諧濾波器來(lái)覆蓋。

　　多個(gè)電調(diào)諧濾波器的連接如圖6所示，其輸入信號(hào)為天線接收下來(lái)的射頻信號(hào)，輸出信號(hào)為經(jīng)過(guò)電調(diào)諧濾波器選擇的信號(hào)，可以滿足對(duì)濾波器(包括射頻濾波器和中頻濾波器)的超寬帶要求。因此，利用電子開(kāi)關(guān)和信號(hào)處理器的控制端口，就可以把濾波器置于帶內(nèi)任意感興趣的頻段。
低噪聲放大器

　　根據(jù)所要求的靈敏度、帶通濾波器插損和ADC輸入電平的要求，設(shè)計(jì)放大器的增益和匹配等問(wèn)題。在搭建電路時(shí)尤其要注意電源旁路、寄生電容和外圍器件的選擇對(duì)充分發(fā)揮低噪聲放大器性能的影響。本文可以利用ADS軟件，按照參數(shù)要求，自行設(shè)計(jì)一個(gè)低噪聲放大器，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、仿真，得到如圖7所示的仿真結(jié)果。從結(jié)果可以看出，此低噪聲放大器基本滿足設(shè)計(jì)要求，可用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。接著可以根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果繪制電路版圖，并加工成電路板。最后對(duì)加工好的電路進(jìn)行調(diào)試，使其滿足設(shè)計(jì)要求，此項(xiàng)工作將在以后完成。

　　把上述設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的基帶等效系統(tǒng)優(yōu)化方法結(jié)合起來(lái)，就形成了一個(gè)自上而下、能全面評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)流程。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文在常規(guī)接收機(jī)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，利用ADS軟件，提出了一種高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，大大縮短了雷達(dá)接收機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，并且目前已逐步在筆者所在課題組項(xiàng)目中應(yīng)用。