利用ADS设计仿真C波段T/R组件

倪赫男，顾颖言

(南京电子技术研究所， 南京 210039)



·收/发技术·

利用ADS设计仿真C波段T/R组件

倪赫男，顾颖言

(南京电子技术研究所， 南京 210039)

T/R组件是有源相控阵雷达的核心部件。对于星载、机载、艇载等平台，如何设计出轻小型化、高可靠性、适于批量生产的T/R组件十分重要。在设计初期引入Agilent公司的ADS 仿真软件可以有效缩短开发周期，提高设计效率。文中运用ADS进行一款C波段轻小型化T/R组件的设计与仿真，采用了多种单片微波集成电路芯片来实现各模块功能，对于设计过程中出现的放大器自激问题进行了探讨并提出解决办法，在C波段实现发射与接收功能，仿真结果符合设计要求。

C波段；T/R组件；ADS仿真软件；单片微波集成电路；放大器自激

0 引 言

随着雷达面临的目标环境和电磁环境日益严峻，以及对雷达观测任务新需求的不断增长，雷达性能必须大幅提高[1]，而以T/R组件为核心的有源相控阵雷达可以满足现代雷达的众多需求[2]。对于星载、机载、艇载等装机平台而言，特殊的结构与安装空间限制了雷达系统的体积与质量[3]。在此背景下，设计出轻小型化、高性能的T/R组件势在必行。如果在设计初期对系统进行合理的设计仿真，就可以有效缩短开发周期，提高设计效率[4]。

本文利用Agilent公司的ADS仿真软件设计了一款C波段T/R组件，探讨了放大器自激问题，不仅丰富了C波段T/R组件的研究工作，更为超小型T/R组件的初期设计提供了思路。

1 T/R组件设计指标和系统方案

1.1 设计指标

(1)频段：C波段。(2)输出功率：≥10 W。(3)发射

效率：≥20%。(4)接收增益：≥18 dB。(5)接收噪声系数：≤2.5 dB。(6)移相位数：5 bit。(7)衰减位数：5 bit。

1.2 系统方案

T/R组件由发射和接收两条通道组成。一般来说，发射通道包括单级或多级功率放大电路，接收通道包括数字衰减器、单级或多级低噪声放大电路以及限幅器，收发通道公用部分主要包括环形器、收发开关、移相器等。其中，移相器和衰减器可以实现波束扫描和接收通道幅度加权的功能[5]。

由于T/R组件的射频端口存在大范围动态信号，而且向空间辐射大功率电平信号，因此，要选择合适的端口连接方式[6]。常见的系统连接方式有单刀双掷开关以及环形器[7]。环形器电气性能优良，可以抑制负载牵引，但体积较大，不符合超小型组件的设计要求；单刀双掷开关体积小，更适合本次设计。综合考虑多种因素，最终确定T/R组件原理图，如图1所示。

2 T/R组件系统设计与仿真

为设计出轻小型化T/R组件，电路各模块均选用成熟的单片微波集成电路(MMIC)芯片，不仅减少分立元件的使用，还可以简化设计过程，提高设计效率。

图1 T/R组件原理图

2.1 接收通道设计与仿真

接收通道包括移相器、收发开关、低噪声放大器(LNA)以及衰减器。各器件均采用成熟MMIC芯片，具体参数及连接关系如图2所示。

图2 T/R组件接收通道框图

根据系统的级联噪声系数公式，可以得到图2中接收通道的噪声系数为

(1)

将图2中的数值代入式(1)中，可以计算得到NFS=1.927 dB<2.5 dB，满足设计要求。

提取移相器、衰减器、两级LNA的小信号S参数，并根据产品手册设置各芯片参数，在ADS中对接收通道进行仿真，结果如图3所示。

图3 基态时接收通道增益曲线

从图3可以看出，接收通道增益在基态时达到26 dB以上，大于18 dB，很好地满足了设计要求。移相器、衰减器余态也均符合设计指标要求。

2.2 发射通道设计与仿真

与接收通道不同，发射输出一般都是饱和功率输出，其增益一般是大信号增益。输出功率饱和越深，输出信号波动越小，但附加效率越差[4]。

发射通道包括移相器、收发开关和功率放大电路。功率放大电路采用两级结构，一级是驱动放大器，另一级是功率放大器，均采用成熟MMIC芯片。根据产品手册对各芯片进行参数设置，在ADS中对发射通道进行仿真，结果如图4所示。

图4 输出功率随输入功率变化曲线

从图4可以看出，随着输入功率的增大，输出功率相应增加，但逐步进入饱和状态，通道的大信号增益逐渐减小，产生了增益压缩。输出功率在输入功率大于7 dBm时，大于40 dBm(10 W)，符合设计要求。根据产品手册，可以计算得到发射通道工作时，总功耗为

(2)

因此，发射效率为

(3)

该发射功率符合设计要求。

3 稳定性分析

3.1 功率放大器

功率放大器作为发射通道的核心部分，其稳定性直接影响发射通道乃至整个T/R组件的性能。因此，功率放大器的稳定性至关重要。

功率放大器合成芯片组(以下简称“功放芯片组”)原理框图如图5所示。其中，RFi为射频输入，RFo为射频输出，Vgs为栅源电压，Vds为漏源电压。功放芯片组内部由两个GaAs功率单片及功分器瓷片、直流偏置电容芯片、直流过渡瓷片构成。组件设计过程中，对功放芯片组进行小信号测试，测试结果如图6所示。

图5 功放芯片组原理框图

图6 功放芯片组小信号测试结果

从图6可以看出，功放芯片组在7.2 GHz频率附近会有较大的增益驻波奇异点，表明其在7.2 GHz附近存在不稳定和轻微的自激。

功放芯片组结构装配图如图7所示，其中，1为连排电容，2为金丝，3、7为功分器芯片，4、9为直流过度瓷片，5为金带，6为功率放大器芯片，8为载体。

图7 功放芯片组结构装配图

对装备图分析发现，圆圈内的三处结构形成了一个射频反馈回路。分析表明：在功放芯片组供电回路中，存在与射频输出端口的交叉，会导致微波信号耦合到供电线上，通过供电回路反馈到功放芯片组输入端。该现象会导致输出、输入端口隔离度变差，初步估计为导致功率放大器自激的原因。

将射频回路去掉，进行小信号测试，结果如图8所示。设图6中的原结构为a结构，图8中去掉射频回路的结构为b结构。与a结构相比，b结构的增益和输入驻波较为平缓，无奇异点。

图8 b装配小信号测试结果

通过建立功放芯片组无源部分电路模型，进一步对a、b两种结构输入、输出端隔离度进行仿真并测试，结果如图9所示。仿真结果表明：在7.2 GHz处，b结构输出、输入端隔离度非常高，而a结构隔离度出现奇异点(奇异点处为-32.3 dB)。实测结果与仿真结果一致，在7.2GHz处，b结构输出、输入端隔离度达到-53.4 dB左右，a结构隔离度为-32.6 dB左右。这说明射频回路导致a结构输出、输入端隔离度急剧变差。

图9 不同装配功放芯片组隔离度仿真与测试曲线

进一步分析和试验表明：第一，由于反馈通道的存在，导致a结构中功放的输入、输出端端口隔离度较b结构中的状态变差15 dB左右；第二，功率单片在带外7.2 GHz附近有增益高点，为31 dB左右；第三，流片时工艺的阈值电压波动也会导致增益差异。以上三种因素最终导致带外存在增益畸高点，造成功率放大器出现自激现象。

产生自激的条件之一为|AF|>1，其中，A为基本放大电路的增益，F为反馈网络的反馈系数。在7 GHz附近，功放芯片的增益为31 dB左右，若输入、输出端口隔离度不够，导致反馈系数F足够大，将使功放电路具备上述自激的条件。除了去掉原装配图中的射频回路来破坏自激，还可以在原装配结构基础上改变直流偏置电路的结构，增加高频滤波电路滤除耦合的微波射频信号，来提高带外增益高处的隔离度，从而降低反馈网络的反馈系数来破坏产品自激。

根据以上分析，在原装配图基础上，功放模块并联两个100 pF电容到地，在直流偏置通道上增加旁路电容，并对贴电容前、后系统无源部分隔离度进行仿真与测试，结果如图10所示。在7.2 GHz附近，原结构隔离度为-32.6 dB左右，|AF|接近1，在级联使用后，容易导致自激；贴电容后隔离度小于-47 dB，与原结构相比隔离度增强大于15 dB，有效降低端口间反馈系数，使|AF|远小于1，破坏了产品自激。

图10 贴电容前后隔离度仿真与测试曲线

对贴电容后的功放芯片组进行测试，结果如图11所示。可以看出，采用贴电容的措施后，功放模块在7.2 GHz附近增益和驻波奇异点消除。

综合上述理论分析和试验结果，去掉射频回路或在功放芯片组馈电电路上加两片100 pF单层芯片电容，都可以有效消除功放在T/R组件中自激的风险，从而保证功放的稳定性。

3.2 T/R组件系统稳定性

在T/R组件设计过程中，除了要保证器件自身的稳定性外，系统的整体稳定性设计同样至关重要。

对于收发通道构成的闭合回路，要想避免振荡，环路总增益必须小于1[8]，即环路上所有开关、隔离器等的隔离度之和要大于所有放大器增益之和。根据产品手册计算，环路上隔离度为85 dB，大于放大器增益之和81 dB，系统稳定。在ADS中建立系统模型，代入小信号参数，并根据产品手册设置各芯片参数，仿真结果如图12所示。

系统绝对稳定的条件是K>1且b>0。从图12可以看出，基态时系统在工作频率范围内处于绝对稳定状态。经验证，其他情况下，系统也绝对稳定。

4 结束语

本文利用ADS仿真设计了一款C波段T/R组件，对于设计中出现的功率放大器自激问题进行了分析与解决，使得整个T/R组件可以稳定工作，具有发射功率大、增益高、接收噪声系数低等特点。由于采用多种MMIC芯片实现各模块功能，为制作轻小型化、高可靠性T/R组件奠定了基础，提供了设计思路。在实际制作中，结合多芯片组件及金属陶瓷封装等工艺，可以制造出符合设计要求的、 轻小型化T/R组件，它们具有很广阔的应用前景。

[1] Skolnik M I. Introduction to radar systems[M]. 3rd ed. New York: McGraw-Hill Company, Inc, 2001.

[2] 朱培斌.相控阵雷达述评[J]. 雷达与对抗，1992(2): 1-7,18. Zhu Peibin. Review of phased array radar[J]. Radar & Ecm, 1992(2): 1-7,18.

[3] 胡明春，周志鹏，严 伟. 相控阵雷达收发组件技术[M]. 北京：国防工业出版社，2010.Hu Mingchun, Zhou Zhipeng, Yan Wei. Technology of T/R module for phased array radar[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010.

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[5] 谢武涛，吕慎刚，邓云伯. 一种星载L波段小型化T/R组件研制[J]. 现代雷达，2011，33(10)：74-76. Xie Wutao, Lü Shengang, Deng Yunbo. Development of L-band small-sized space-borne T/R module[J]. Modern Radar, 2011, 33(10): 74-76.

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[8] Skolnik Merrill I. 雷达手册[M]. 王 军，译. 北京：电子工业出版社，2003. Skolnik M I. Radar handbook[M]. Wang Jun, translate. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2003.

倪赫男 男，1990年生，硕士研究生。研究方向为射频电路设计。

顾颖言 女，1965年生，研究员级高级工程师，硕士生导师。研究方向为雷达T/R组件系统设计、微波器件与电路。

Design and Simulation of C-band T/R Module on ADS

NI Henan，GU Yingyan

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)

The T/R module is the core part of active phased array radar. For space-borne, airborne and shipborne platforms, how to design a miniature, highly reliable T/R module suitable for mass production is very important. The introduction of Agilent ADS software in early stages can effectively shorten the design cycle and improve the design efficiency. A kind of C-band T/R module is presented in this paper, using a variety of monolithic microwave integrated circuit chips to realize the function of each part. The self-excited problem of amplifier is discussed and the solutions are presented. Transmitting and receiving function in C-band is realized and the simulation results meet the design requirements well.

C-band; T/R module; ADS simulation software; monolithic microwave integrated circuit; amplifier self-excited

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.015

倪赫男 Email：1185668304@qq.com

2015-06-24

2015-08-21

TN83；TN85

A

1004-7859(2015)10-0060-05