一種915MHz射頻收發(fā)系統(tǒng)的ADS設(shè)計(jì)與仿真

1、引言

近幾年來(lái)，無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)越來(lái)越受各國(guó)重視。隨著 供應(yīng)鏈管理、集裝箱、工業(yè)、科研和醫(yī)藥等行業(yè)對(duì)3 m以上射頻識(shí)別技術(shù)的需求不斷增加，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)把研究的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向超高頻段和微波頻段。射頻電路的設(shè)計(jì)主要圍繞著低成本、低功耗、高集成度、高工作頻率和輕 重量等要求進(jìn)行。本文對(duì)915MHz射頻收發(fā)系統(tǒng)做了進(jìn)一步的研究。

ADS(Advanced Design System)軟件是Agilent公司開(kāi)發(fā)的，可以支持從模塊到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠完成射頻和微波電路設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、射頻集成電路設(shè)計(jì)和數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)。該軟件還可以完成時(shí)域和頻域、數(shù)字和模擬、線性和非線性、電磁和數(shù)字信號(hào)處理等多種仿真。本文主要介紹了如何使用ADS設(shè)計(jì)收發(fā)系統(tǒng)，并在ADS的模擬和數(shù)字設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行一些仿真。

2、射頻發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

射 頻發(fā)射系統(tǒng)最重要的指標(biāo)是系統(tǒng)增益。根據(jù)分析選擇，發(fā)射系統(tǒng)的各個(gè)模塊分別采用以下器件：Micro Devices公司生產(chǎn)的PLL400-875作為射頻信號(hào)的發(fā)生器。該器件的輸出中心頻率為915MHz。射頻濾波器采用4DFA-915E-10，此芯片的中心頻率是915 MHz，通帶帶寬為±13dB，插入損失為2.2dB，波紋系數(shù)為1.0dB，最大波紋比為20。混頻器采用Mini-circuits公司生產(chǎn)的ADE-12MH。ADE-12MH的本振和射頻信號(hào)的輸入頻率范圍是10-1200 MHz，全波段轉(zhuǎn)換損耗6.3dB。功率放大器選用Sirenza公司的SPA-2118，該芯片的功率為1W，工作范圍是810MHz-960MHz。

圖1、用于仿真的發(fā)射系統(tǒng)原理圖

使用ADS軟件創(chuàng)建射頻發(fā)射系統(tǒng)的原理圖，再在原理圖中加入增益仿真控制器，就可以知道增益在系統(tǒng)各個(gè)部分的分配情況。用于仿真的發(fā)射系統(tǒng)的原理圖如圖2所示，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2、功率增益預(yù)算曲線

由圖2可知，整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的增益為35.8 dB，因?yàn)檩斎氲男盘?hào)為-10 dBm，所以功率放大器輸出的射頻信號(hào)大小為25.8 dBm。

3、射頻接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

射頻接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真使用行為級(jí)功能模塊實(shí)現(xiàn)，行為功能模塊包括天線、 帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器、本振信號(hào)源、中頻濾波器和中頻放大器等。接收端在設(shè)計(jì)中要考慮增益、噪聲系數(shù)、靈敏度等因素，比發(fā)射端的設(shè)計(jì)更為復(fù) 雜。由于接收端包含很多有源器件，有源器件的非線性對(duì)整個(gè)接收系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大的影響，比如當(dāng)只輸入一個(gè)信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)增益壓縮，當(dāng)輸入兩個(gè)以上的信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)互相調(diào)制等。

在本設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)分析，混頻器采用ADE-12MH。低噪聲放大器采用兩片AD8325分別對(duì)I,Q兩路混頻濾波后的信號(hào)進(jìn) 行放大，AD8325S通過(guò)編程控制放大器的數(shù)字接口，可以使增益0.75dB逐級(jí)變化，最后可以達(dá)到59.45dB。為了保證功放芯片能盡量將能集中在我們所需的頻率上，在功放之前加入一個(gè)射頻帶通濾波器，這樣頻率較高和較低的噪聲信號(hào)可以得以濾除，使得輸入功放 的信號(hào)比較純凈。射頻濾波器采用4DFA-915E-10。在此設(shè)計(jì)中，還用到了Minicireuits公司的功率分配器SCN-27和90度移相功分 器QCN-27。使用ADS對(duì)接收系統(tǒng)進(jìn)行建模，如圖3所示。

圖3、超外差式接收系統(tǒng)原理圖電路

由于各個(gè)模塊的參數(shù)均為已知，通過(guò)計(jì)算可以得出系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)，三階互調(diào)截等。噪聲系數(shù)定義為系統(tǒng)輸入信噪功率比(SNR)i=Pi/Ni與輸出信噪 功率比(SNR)o=Po/No的比值，常用F表示。噪聲系數(shù)表征了信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲造成信噪比惡化的程度。噪聲系數(shù)常用NF(單位為dB) 表示。根據(jù)噪聲系數(shù)的級(jí)聯(lián)式(1)可以計(jì)算出系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)，系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)就是從圖3中的低噪聲放大器向輸出端方向看過(guò)去所表現(xiàn)出的噪聲系數(shù)，也可 以理解為當(dāng)接收信號(hào)由低噪聲放大器傳輸?shù)捷敵龆?，接收端?duì)信噪比的惡化程度。

(1)

接收機(jī)的一個(gè)很重要指標(biāo)是靈敏度，它定義為：在給定的信噪比的條件下，接收機(jī)所能檢測(cè)的最低輸入信號(hào)電平。靈敏度與所要求的輸出信號(hào)質(zhì)量(即輸出信噪比)有關(guān)，還與接收機(jī)本身的噪聲大小有關(guān)。接收機(jī)的靈敏度可由下式(2)計(jì)算得出：

Pin,min(dBm)=NRS(dBm/Hz)+NF(dB)+(SNR)o,min(dB)+10logB (2)

假設(shè)接收機(jī)輸入端滿足共軛匹配，由源內(nèi)阻Rs產(chǎn)生的噪聲輸送給接收機(jī)的噪聲功率為其額定輸出，即：NRS=4KTaRs/4Rs=KTa。假設(shè)Ta=290 K，則NRS=-174 dBm/Hz。所以靈敏度可表示為：

Pin,min(dBm)=-174dBm/Hz+NF(dB)+(SNR)o,min(dB)+10logB

接收機(jī)所接收的信號(hào)強(qiáng)弱是變化的，通信系統(tǒng)的有效性取決于它的動(dòng)態(tài)范圍，即高性能的工作所能承受的信號(hào)變化范圍。動(dòng)態(tài)范圍的下限是靈敏度，上限由最大可接受的信號(hào)失真決定。在本設(shè)計(jì)中考慮的是低噪聲放大器的輸入端的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍可由下式(3)得到：

(3)

利用ADS軟件對(duì)接收端進(jìn)行S參數(shù)仿真，該仿真可以用于測(cè)量各個(gè)器件的S參數(shù)等。在本仿真中，可以看成是當(dāng)900~930MHz，以1MHz為步長(zhǎng)的各個(gè)頻率分量通過(guò)該接收端時(shí)，接收端對(duì)各個(gè)頻率分量的增益或衰減大小的仿真。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 、S參數(shù)仿真結(jié)果

由 仿真結(jié)果可知在中心頻率915MHz處，增益最大，為63.287dB。在標(biāo)記maker2處，頻率與標(biāo)記maker1處相差12.21MHz，衰減相差14.698dB，符合技術(shù)指標(biāo)。在標(biāo)記maker3處，頻率與標(biāo)記maker1處相差12.06MHz，衰減相差13.080dB，符合技術(shù)指標(biāo)。

圖5、接收系統(tǒng)功率增益預(yù)算曲線

利用ADS軟件對(duì)接收系統(tǒng)進(jìn)行增益預(yù)算仿真，可以知道系統(tǒng)增益在系統(tǒng)各個(gè)部分中的分配情況。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6、輸入信號(hào)的功率譜

由圖3可以看到在射頻帶通濾波器BPF1處，系統(tǒng)增益為-1dB，這是因?yàn)樯漕l帶通濾波器有1dB的插入衰減。在射頻放大器AMP1處，系統(tǒng)增益為20dB，這是射頻放大器的21 dB增益減去射頻帶通濾波器的1 dB插入衰減，系統(tǒng)前端總共有20dB的增益。根據(jù)標(biāo)記m7可知，在負(fù)載終端2系統(tǒng)增益為63.287dB。

接收機(jī)輸出的信號(hào)是射頻頻率與本振頻率的差值以及它們的各次諧波和互調(diào)，各次諧波和互調(diào)通過(guò)中頻濾波器時(shí)已經(jīng)衰減，通過(guò)接收機(jī)的頻域響應(yīng)可以查看上述頻率 轉(zhuǎn)換。在ADS軟件中，諧波平衡仿真主要用于頻域分析，采用諧波平衡仿真可以得到接收機(jī)的頻域響應(yīng)。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7、中頻輸出的功率譜

由圖4可以看出，輸入端口在915 MHz時(shí)，信號(hào)為-39.999dBm，這與輸入端口的的單頻功率源輸入功率一致。由圖5可知，中頻輸出端口在70MHz時(shí)，信號(hào)為22.501dBm。

4、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)際的集成射頻模塊的選擇，以及利用ADS分別對(duì)射頻接收和發(fā)射系統(tǒng)的仿真，可以得到系統(tǒng)的一些重要性能指標(biāo)。通過(guò)對(duì)這些性能指標(biāo)進(jìn)行分析，可以得出設(shè)計(jì)的射頻收發(fā)系統(tǒng)是可行的，可以滿足實(shí)際無(wú)線通信環(huán)境對(duì)射頻系統(tǒng)的要求。