射频系统模拟.pdf

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1、毫米波接收机射频前端 ADS 仿真设计 毫米波接收机射频前端 ADS 仿真设计 赵涔伶 羊恺 电子科技大学空天科学技术研究院 610054 摘要：摘要：本文应用 ADS 软件对毫米波频段的接收机射频前端系统进行了建模和仿真。采用超外差结构接收机，对接收机射频前端进行了指标分配，运用 S 参数仿真、谐波平衡仿真、谐波双音仿真等仿真方法对此接收机射频前端系统的各种性能参数进行了模拟检测。关键词：关键词：毫米波、接收机、射频前端、ADS 仿真 一、引言一、引言 毫米波是整个电磁频谱里不可缺少的一段，具备微波系统和红外系统的特点。毫米波技术是当今微波技术领域最敏感的课题之一,现代的通信、电子对抗、遥感

2、遥测、雷达与制导系统的工作频率已逐步由微波波段扩展到毫米波波段，同时毫米波具有频带宽、波束窄、保密和抗干扰能力强、容量大等优点受到各界关注。而毫米波系统在民用通信、军事、射电天文、遥感遥测系统以及生物效应等方面的应用越来越广泛，作为系统主体部分的接收前端子系统则对整个系统起着至关重要的作用，它的性能和价格直接影响整个系统的的目标能否达到1。本文提出了应用 ADS 软件对毫米波频段的接收机射频前端系统进行了建模和仿真。在 ADS 软件环境下运用了 S 参数仿真、谐波平衡仿真、谐波双音仿真等仿真方法对此接收机射频前端系统的噪声系数、增益、中频输出、三阶交调等各种性能参数进行了模拟检测。二、接收机射

3、频前端的组成二、接收机射频前端的组成 本文采用超外差式接收机，其射频前端部分的结构方框图如下图 1 所示。信号经天线进入接收机首先经过射频低噪声放大器放大，经由射频滤波器抑制镜像干扰和其他杂散信号，再与本振相混频，变换成中频信号，经过滤波放大得到中频输出。图 1 超外差接收机射频前端方框图 图 1 超外差接收机射频前端方框图 三、接收机主要性能指标理论分析三、接收机主要性能指标理论分析2-3 3.13.1 噪声系数 噪声系数 噪声系数定义为接收机输入信噪比和输出信噪比的比值，表达式为/Si NiNFSo No=输入端信噪功率比输出端信噪功率比 (1)噪声系数表征接收机内部噪声的大小。对于一个多

4、级级联系统的噪声系数为:2 13 1111 2NFNFNFNFGG G=+K (2)其中 NFn 为第 n 级的噪声系数，Gn 为第 n 级的增益，n=l，2，3。3.23.2 灵敏度 灵敏度 接收机的灵敏度表征了接收机接收微弱信号的能力。灵敏度越高，则其所接收的信号就越弱。定义为：17410lgsnmSdBmNFBKK=+(3)其中:S 为接收机灵敏度；NF 为接收机噪声系数；B 为中频带宽；Ksn 为检测信号所需的信噪比；Km 为调制特性函数，与信号的调制类型有关。3.33.3 动态范围 动态范围 动态范围表示接收机正常工作时，所允许的输入信号的强度变化范围。所允许的最小输入信号强度通常取

5、最小可检测信号 MDS，所允许的最大输入信号强度则根据正常工作要求的1dB 压缩来定。ldB 压缩点是指当输出功率与线性时相比减小 ldB，或转换损耗增加 ldB 的点，其对应的输入功率称为输入ldB压缩点，用DP表示，实际的输出响应功率为输出ldB压缩点，用1dBP表示。因此我们可以得到:11dBDPPGdB=+(4)最小可检测信号为：MDS=-171dBm+10lgB+NF (5)3.43.4 增益 增益 增益表示接收机对回波信号的放大能力。增益并不是越大越好，它由接收机的系统要求确定的。接收机的增益确定了接收机输出信号的幅度。四、ADS 系统建模与仿真 四、ADS 系统建模与仿真 本文中

6、要求该接收机射频频率为 35-36.5GHz,本振频率为 34GHz，中频输出频率为1-2.5GHz。4.14.1 系统建模和主要指标的估算 系统建模和主要指标的估算 VoutBPF_ChebyshevBPF1N=5Astop=20 dBBWstop=1.2 GHzApass=2 dBBWpass=1.6 GHzFcenter=35.75 GHzAmplifier2AMP4GainCompSat=15 dBTOI=25 dBNF=3.2 dBS12=0S22=polar(0,180)S11=polar(0,0)S21=dbpolar(23,0)TermTerm1Z=50 OhmNum=1Ter

7、mTerm2Z=50 OhmNum=2BPF_ChebyshevBPF2Astop=20 dBBWstop=1.2 GHzRipple=0.01 dBApass=1.5 dBBWpass=1.6 GHzFcenter=1.75 GHzOSCwPhNoiseOSC1P=dbmtow(0)Freq=LOfreqMixerMIX2ConvGain=dbpolar(-7,0)LO_Rej2=30 dBLO_Rej1=11 dBSideBand=LOWERAmplifier2AMP5GainCompSat=21.8 dBTOI=37 dBS12=0S22=polar(0,180)S11=polar(0,

8、0)S21=dbpolar(20.8,0)图 2 接收机射频前端的 ADS 模型 图 2 接收机射频前端的 ADS 模型 根据设计需要可在 ADS 中搭建出接收机射频前端的模型如图 2。根据上述理论分析可用计算公式估算出以下几个主要指标：系统最大增益：17 dB 噪声系数：3.379 dB 灵敏度（按信噪比 12dB）：S=-174+3.379+10log(1.5*109)+12=-66.86 dBm 最小可检测信号：MDS=-171+10log(1.5*109)+3.379=-75.86 dBm 线性动态范围：DR=P1dB-MDS=(-6)-(-75.86)=69.86 dB 整机输出三阶

9、互调：20.282 dBm 4.24.2 不同的 ADS 仿真方法检测系统指标 不同的 ADS 仿真方法检测系统指标 4.2.1 S 参数仿真 4.2.1 S 参数仿真 在搭建出的接收机射频前端模型中加入 S 参数仿真器，。由此可得到接收机增益、噪声和群延时的仿真结果分别为图 3、图 4 和图 5。从图 3 可看出系统最大增益为 17.574dB，与计算结果相符；邻道抑制达到了 50dB；通频带宽为 1.5GHz；通带内的波动不大于 0.15dB。由图 4 可看出通带内的噪声系数大约为 3.3dB，也与计算的结果相一致。图 3 接收机信道选择性仿真结果 图 3 接收机信道选择性仿真结果 图 4

10、 接收机噪声系数 图 4 接收机噪声系数 图图 5 群延时群延时 4.2.2 谐波平衡仿真 4.2.2 谐波平衡仿真 如图 6 建立接收机射频前端子系统的谐波平衡法仿真模型，可以得到接收机中频输出频谱，以及所有的干扰功率和信号输出。VoutP_1 TonePORT3Freq=LO GHzP=polar(dbmtow(1 3),0)Z=50 OhmNum=3P_1 TonePORT4Freq=RF_IN GHzP=polar(dbmtow(-1 5),0)Z=50 OhmNum=1VARVAR1LO=34RF_IN=35.75EqnVarBPF_ChebyshevBPF3Astop=20 dBB

11、Wstop=1.2 GHzRipple=0.01 dBApass=2 dBBWpass=1.6 GHzFcenter=35.75 GHzAmplifier2AMP3GainCompSat=1 1 dBTOI=21 dBNF=2.1 dBS1 2=0S22=polar(0,1 80)S1 1=polar(0,0)S21=dbpolar(1 7,0)Amplifier2AMP4GainCompSat=22 dBTOI=37 dBS1 2=0S22=polar(0,1 80)S1 1=polar(0,0)S21=dbpolar(1 3,0)MixerMIX2GainCompSat=1.5 dBTOI

12、=9.5 dBS33=0S22=polar(0,1 80)S1 1=polar(0,0)ConvGain=dbpolar(-9.5,0)RF_Rej=28 dBLO_Rej2=35 dBLO_Rej1=42 dBImageRej=SideBand=LOWERBPF_ChebyshevBPF4Astop=20 dBBWstop=1.2 GHzRipple=0.01 dBApass=1.5 dBBWpass=1.6 GHzFcenter=1.75 GHzHarmonicBalanceHB1Order2=3Order1=3Freq2=RF_IN GHzFreq1=LO GHzMaxOrder=4HA

13、RMONIC BALANCETermTerm2Z=50 OhmNum=2 图 6 接收机射频前端的谐波平衡仿真模型 图 6 接收机射频前端的谐波平衡仿真模型 当 RFfreq=35.75GHz,LOfreq=34GHz，RFP=-15dBm,LOP=13dBm 时的接收机中频输出频谱如图 7 所示，此中频信号附近的干扰信号都很弱，都小于-120dBm。图 7 接收机中频输出频谱图 7 接收机中频输出频谱 另外，首先可列出接收机的中频输出功率的测量方程，由于输出的信号是靠混频产生的，因此需要用函数 mix 来定义方程，如下所示，式中的中的-1 表示本振，1 表示射频输入，结果即是中频输出。即中频

14、输出功率的测量方程为：Pif=dBm(mix(Vout,-1,1)(6)再定义 Spur_dBc 为所有的干扰功率和信号输出的比值,除期望得到的中频输出外，该值越大表示干扰信号功率越小：Spur_dBc=Pif-dBm(Vout)(7)将式（6）和式（7）加入仿真结果的等式中便可得到接收机混频产物的列表。表 1 为中频输出，而表 2、3 和 4 确定出最严重的干扰分别为第二阶谐波、本振和射频泄漏。其中，表 2 显示出第二阶谐波信号功率均小于-100dB。表 3 和表 4 表示本振泄漏和射频泄漏均小于-200 dB，这说明本振链路和射频链路的隔离都很好。同理，可以由此仿真模型得到不同射频输入信号

15、下的接收机混频产物。freq Mix(1)Mix(2)Spur_dBc dBm(Vout)1.750 GHz-1 1 0.000 2.365 表 1 中频输出 表 1 中频输出 freq Mix(1)Mix(2)Spur_dBc dBm(Vout)3.500 GHz-2 2 126.657-124.292 139.5 GHz 2 2 331.451-329.086 表 2 第二阶谐波 表 2 第二阶谐波 freq Mix(1)Mix(2)Spur_dBc dBm(Vout)34.00 GHz 1 0 226.413-224.048 表 3 本振泄漏 表 3 本振泄漏 freq Mix(1)Mi

16、x(2)Spur_dBc dBm(Vout)35.75 GHz 0 1 223.359-220.994 表 4 射频泄漏 表 4 射频泄漏 4.2.3 谐波双音仿真 4.2.3 谐波双音仿真 VinVoutVARVAR1RFpwr=-1 5LOpwr=1 3LO=34 GHzOffset=5 MHzRF_IN_0=RF_IN+OffsetRF_IN=35.75 GHzEqnVarP_1 TonePORT3Freq=LOP=polar(dbmtow(LOpwr),0)Z=50 OhmNum=3BPF_ChebyshevBPF2Astop=20 dBBWstop=1.2 GHzRipple=0.0

17、1 dBApass=1.5 dBBWpass=1.6 GHzFcenter=1.75 GHzMixerMIX1GainCompSat=1.5 dBTOI=9.5 dBS33=0S22=polar(0,1 80)S1 1=polar(0,0)ConvGain=dbpolar(-9.5,0)RF_Rej=28 dBLO_Rej2=35 dBLO_Rej1=42 dBImageRej=SideBand=LOWERAmplifier2AMP2GainCompSat=22 dBTOI=37 dBS1 2=0S22=polar(0,1 80)S1 1=polar(0,0)S21=dbpolar(1 3,0

18、)Amplifier2AMP1GainCompSat=1 1 dBTOI=21 dBNF=2.1 dBS1 2=0S22=polar(0,1 80)S1 1=polar(0,0)S21=dbpolar(1 7,0)BPF_ChebyshevBPF1Astop=20 dBBWstop=1.2 GHzRipple=0.01 dBApass=2 dBBWpass=1.6 GHzFcenter=35.75 GHzSweepPlanSwpPlan1Reverse=noSweepPlan=UseSweepPlan=Start=31.5 GHz Stop=40 GHz Step=0.5 GHz Lin=SW

19、EEP PLANHarmonicBalanceHB1SweepPlan=SwpPlan1 SweepVar=RF_INOrder3=3Order2=3Order1=3Freq3=RF_IN_0Freq2=RF_INFreq1=LOMaxOrder=4HARMONIC BALANCEP_nTonePORT1P2=polar(dbmtow(RFpwr),0)P1=polar(dbmtow(RFpwr),0)Freq2=RF_IN_0Freq1=RF_INZ=50 OhmNum=1TermTerm2Z=50 OhmNum=2 图 8 接收机射频前端的谐波双音仿真模型 图 8 接收机射频前端的谐波双音

20、仿真模型 如图 8 建立谐波双音仿真的模型，由此可得到各种射频频率下的交调产物，其中35.75GHz 的射频频率的交调产物如下表 5 所示：表 5 35.75GHz 的射频频率的交调产物 表 5 35.75GHz 的射频频率的交调产物 在仿真结果中加入以下五个等式，可进一步得到接收机的中频输出三阶交调 IP3 和射频输入 IP3,见表 6 和表 7，与前文公式计算得出三阶交调结果 20.282 dBm 相近。IP3_out_low=ip3_out(Vout,-1,1,0,-1,2,-1)IP3_out_high=ip3_out(Vout,-1,0,1,-1,-1,2)IP3_in_low=ip

21、3_in(Vout,gain,-1,1,0,-1,2,-1,50)IP3_in_high=ip3_in(Vout,gain,-1,0,1,-1,-1,2,50)gain=dbm(mix(Vout,-1,1,0)+15 (8)表 6 接收机中频输出 IP3表 6 接收机中频输出 IP3 表 7 接收机射频输入 IP3 表 7 接收机射频输入 IP3 五、结论 五、结论 本文利用了 ADS 软件对毫米波接收机射频前端子系统进行了设计，同时通过软件仿真对系统的各种特性进行了全面的模拟，其中某些指标与公式计算得出的结果相近，但 ADS 更省时，且更加形象直观的表示出接收机子系统的性能，这更显出其独特的优越性和重要性，是系统设计中不可缺少的。参考文献：参考文献：1薛良金.毫米波工程基础.哈尔滨工业大学出版社等,2004 2戈稳.雷达接收机技术.电子工业出版社,2005 3袁杰.实用无线电设计.电子工业出版社,2006