一种基于ADS的雷达接收机系统设计方法

一种基于ADS的雷达接收机系统设计方法

　引言

　　单片化、模块化、现代化是现代接收机技术的发展趋势，包括通信领域、雷达领域及其他相关领域的接收机。但是，由于各种新型器件的研发周期越来越短，要求雷达接收机的更新换代也就越来越快，这就给接收机系统设计提出了新的、更高的要求。而在传统接收机系统设计中，数字电路的设计、仿真已经非常成熟，其RTL、系统级的仿真工具已经大量出现;但在模拟电路设计方面，这种高层次仿真、综合工具还相对落后，以前基本依靠系统工程师自身多年经验甚至直觉来进行模拟前端设计，根本没有优化与分配[1]，严重约束了系统开发周期。

　　随着电路结构的日趋复杂和工作频率的提高，在电路与系统设计的流程中， EDA软件已经成为不可缺少的重要工具。EDA软件所提供的仿真分析方法的速度、准确与方便性便显得十分重要，此外该软件与其他EDA软件以及测量仪器间的连接，也是现在的庞大设计流程所必须具备的功能之一。Agilent公司推出的ADS软件以其强大的功能成为现今国内各大学和研究所使用最多的软件之一。本文的系统设计方法正是基于ADS软件进行仿真分析的。

　　系统设计方法

　　本文提出的系统设计方法从系统整体入手，将整体指标通过预算分析分配给不同的模块，获得各模块具体指标后就可以进行各模块的具体设计，然后验证其可行性，进而大大缩短设计时间，提高设计的可靠性，避免了重复工作和资源浪费。此种方法消除了以往设计方法的盲目性，将采用定量优化的方法，自顶而下进行设计，如图1所示。传统设计一般是自下而上，先设计每个单元模块，再把它们组合成系统整体。这样做一方面有可能达不到总体要求;另外一方面，为了满足整体指标，加大了单元模块设计的难度;此外，对于不同的系统要求和标准，还必须重新设计，费力而且费时。采用自顶向下的设计方法则完全避免了这些问题。

系统结构的优化选择

　　如今的雷达接收机系统在符合各种不同标准的同时必须在各种信号链路中满足严格的指标要求。根据雷达接收机预先设定的性能指标进行系统结构的优化选择，首先对各种接收机结构性能进行仿真分析，得到粗略的性能极限标界;同时，根据关键性能指标建立系统优化理想行为模型，并利用大量已测产品行为模型进行修正。比如，要对系统进行链路预算仿真，预估整体性能是否满足接收机系统要求，同时作为器件选取依据。

　　雷达接收机的常规结构如图2所示。

　　在传统接收机结构设计基础上可以从频谱利用率高低方面[2][3]对接收机结构进行分类，在此只简单介绍中等频谱利用率的接收机结构。

　　此种结构中，未使用频带数和系统占用的大致相等，因此射频前端应该支持在数个频带上的同时并行感知活动。从电路观点来看，接收机组成器件数目大大增加。从实际应用考虑，并行处理路数应控制在4或5路为佳。此时，需要大功率精确控制多路本振信号，而它们又需要在固定频率上工作，因此要求也相应的很宽泛。为了做到并行一致性，可用频率必须足够多，同时在ADC之后可以采用通道校准算法进行通道校准[4]。因此，并行通道的基带端口增大了带宽，这就比低频谱利用中需要更高速率和分辨率的A/D转换器。

　　综上所述，不同的系统结构，其性能指标极限和集成度是不同的，而指标极限和集成度又随着工艺的改进而变化。因此，进行系统结构优化选择时，还必须考虑未来工艺、电源电压以及电路结构的演变对优化模型的影响。

　　中等频谱利用率接收机结构的系统模型如图3所示。

　　从而得到系统结构性能向量为：

　　

　　其中A1表示中等频谱利用率接收机结构性能向量，f1、f2、f3、f4分别代表各滤波器的性能函数，a1、a2代表各放大器的性能函数，m1、m2代表各混频器的性能函数。

　通过类似的方法，可以分别得到低频谱利用率和高频谱利用率接收机结构的性能向量A2、A3，并最终通过优化函数：

　　

　　得到最优接收机系统结构。

　　通过这个仿真，将看到系统总增益在系统各个部分的分配情况。预算增益仿真在谐波平衡分析以及交流分析中都可以进行，但如果在交流仿真中进行的话，混频器不能是晶体管级的。这里进行的是行为级仿真，混频器的非线性特征是已知的，因此需要用交流分析来进行仿真[4][5]。

　　仿真会在接收机总增益最大和最小两种情况下进行以便得到较为全面的分析结果。当VGA增益为最大值时，信号源的功率电平为接收机的灵敏度-113dBm(已考虑了天线双工器的损耗);反之，当VGA的增益最小时，信号源应输入接收机所能接收的最大功率。这些参数的变化都要在VAR中设置出来。

　　可以在原框图的基础上设置预算路径并建立预算方程，笔者两次仿真的结果，如图4(a)和4(b)所示，可以清楚地看到接收机在VGA增益最大和最小的情况下整机增益的分配情况。

　　由图4还可以看出，接收机前端一般要有AGC的加入，以便动态调节输入信号的输入功率，使之匹配ADC。

　　图5所示为接收机功率增益预算，从图中可以看出功率增益在各个器件上的分配情况。

　　射频模块的优化选择

　　在系统结构的优化选择中，已经得到最优的系统结构。而系统性能指标无法直接应用于结构规划和模块设计，需要把这些指标转换为能直接反映射频模块性能的参数，如噪声系数、线性度、稳定性等，因此可以分配具体的性能参数到各射频模块中去。

　　射频模块一般都可以分为放大、滤波、混频等模块，以放大器为例，其实际的行为模型还必须考虑各种非线性因素。

　　●噪声。可以认为是与有用信号不相关的随机干扰，主要有热噪声、散粒噪声和闪烁噪声三种类型。接收机的噪声系数主要取决于它的前端电路，若无高频放大器，主要由混频电路决定。

　　●线性度。用来衡量线性度的指标主要有三阶交调、二阶交调和1dB压缩点。

　　●稳定性。因晶体管都存在着内部反馈，当反馈量达到一定程度时，将会引起放大器稳定性变坏而导致自激。

　　这些非线性因素不是孤立的，而是与输入信号叠加在一起共同组成系统的输入输出。用Sideal、Sn、Sl、Ss分别表示模块的理想信号、噪声、线性度、稳定性，则其输入、输出信号可以分别表示为

　　从而可以得到实际器件的行为模型，并结合ADS仿真分析其性能

器件选型

　　在此只对一些典型器件如射频滤波器、低噪声放大器等进行仿真、分析。

　　滤波器

　　由于是对天线接收下来的微弱射频信号直接滤波，因此要求射频滤波器的插损和带内波动等都尽可能小。为了满足系统性能要求和提高接收机设备的动态范围，通常需要几组滤波器，以减少干扰信号的数量和幅度，以及进入接收机的噪声。同时为了覆盖整个频段，采用电调谐滤波器是必然趋势。电调谐滤波器是通过改变滤波网络中的可变电容，来实现网络频率响应的变化。利用电压改变可变电容的容量，达到所需要的频率响应。本设计中，每个频段可以分别用一个电调谐滤波器来覆盖。

　　多个电调谐滤波器的连接如图6所示，其输入信号为天线接收下来的射频信号，输出信号为经过电调谐滤波器选择的信号，可以满足对滤波器(包括射频滤波器和中频滤波器)的超宽带要求。因此，利用电子开关和信号处理器的控制端口，就可以把滤波器置于带内任意感兴趣的频段。

低噪声放大器

　　根据所要求的灵敏度、带通滤波器插损和ADC输入电平的要求，设计放大器的增益和匹配等问题。在搭建电路时尤其要注意电源旁路、寄生电容和外围器件的选择对充分发挥低噪声放大器性能的影响。本文可以利用ADS软件，按照参数要求，自行设计一个低噪声放大器，并对其参数进行优化、仿真，得到如图7所示的仿真结果。从结果可以看出，此低噪声放大器基本满足设计要求，可用于系统设计中。接着可以根据软件设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。最后对加工好的电路进行调试，使其满足设计要求，此项工作将在以后完成。

　　把上述设计方法与传统的基带等效系统优化方法结合起来，就形成了一个自上而下、能全面评价系统结构性能的设计流程。

　　结语

　　本文在常规接收机设计方法的基础上，利用ADS软件，提出了一种高效的系统设计方法。经过验证，大大缩短了雷达接收机系统的开发周期，并且目前已逐步在笔者所在课题组项目中应用。