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