一种915MHz射频收发系统的ADS设计与仿真

1、引言

近几年来，无线射频识别技术越来越受各国重视。随着供应链管理、集装箱、工业、科研和医药等行业对3 m以上射频识别技术的需求不断增加，国内外已经把研究的热点转向超高频段和微波频段。射频电路的设计主要围绕着低成本、低功耗、高集成度、高工作频率和轻重量等要求进行。本文对915MHz射频收发系统做了进一步的研究。

ADS(Advanced Design System)软件是Agilent公司开发的，可以支持从模块到系统的设计，能够完成射频和微波电路设计、通信系统设计、射频集成电路设计和数字信号处理设计。该软件还可以完成时域和频域、数字和模拟、线性和非线性、电磁和数字信号处理等多种仿真。本文主要介绍了如何使用ADS设计收发系统，并在ADS的模拟和数字设计环境下进行一些仿真。

2、射频发射系统的设计与仿真

射频发射系统最重要的指标是系统增益。根据分析选择，发射系统的各个模块分别采用以下器件：Micro Devices公司生产的PLL400-875作为射频信号的发生器。该器件的输出中心频率为915 MHz。射频滤波器采用4DFA-915E-10，此芯片的中心频率是915 MHz，通带带宽为±13 dB，插入损失为2.2dB，波纹系数为1.0 dB，最大波纹比为20。混频器采用Mini-circuits公司生产的ADE-12MH。ADE-12MH的本振和射频信号的输入频率范围是10-1200 MHz，全波段转换损耗6.3 dB。功率放大器选用Sirenza公司的SPA-2118，该芯片的功率为1 W，工作范围是810 MHz-960 MHz。

图1、用于仿真的发射系统原理图

使用ADS软件创建射频发射系统的原理图，再在原理图中加入增益仿真控制器，就可以知道增益在系统各个部分的分配情况。用于仿真的发射系统的原理图如图2所示，仿真结果如图2所示。

图2、功率增益预算曲线

由图2可知，整个发射系统的增益为35.8 dB，因为输入的信号为-10 dBm，所以功率放大器输出的射频信号大小为25.8 dBm。

3、射频接收系统的设计与仿真

射频接收系统的设计与仿真使用行为级功能模块实现，行为功能模块包括天线、带通滤波器、低噪声放大器、混频器、本振信号源、中频滤波器和中频放大器等。接收端在设计中要考虑增益、噪声系数、灵敏度等因素，比发射端的设计更为复杂。由于接收端包含很多有源器件，有源器件的非线性对整个接收系统会产生很大的影响，比如当只输入一个信号时会出现增益压缩，当输入两个以上的信号时会出现互相调制等。

在本设计中，经过分析，混频器采用ADE-12MH。低噪声放大器采用两片AD8325分别对I,Q两路混频滤波后的信号进行放大，AD8325S通过编程控制放大器的数字接口，可以使增益0.75dB逐级变化，最后可以达到59.45 dB。为了保证功放芯片能尽量将能集中在我们所需的频率上，在功放之前加入一个射频带通滤波器，这样频率较高和较低的噪声信号可以得以滤除，使得输入功放的信号比较纯净。射频滤波器采用4DFA-915E-10。在此设计中，还用到了Minicireuits公司的功率分配器SCN-27和90度移相功分器QCN-27。使用ADS对接收系统进行建模，如图3所示。

图3、超外差式接收系统原理图电路

由于各个模块的参数均为已知，通过计算可以得出系统总的噪声系数，三阶互调截点等。噪声系数定义为系统输入信噪功率比(SNR)i=Pi/Ni与输出信噪功率比(SNR)o=Po/No的比值，常用F表示。噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。噪声系数常用NF(单位为dB)表示。根据噪声系数的级联式(1)可以计算出系统总的噪声系数，系统总的噪声系数就是从图3中的低噪声放大器向输出端方向看过去所表现出的噪声系数，也可以理解为当接收信号由低噪声放大器传输到输出端，接收端对信噪比的恶化程度。

  (1)

接收机的一个很重要指标是灵敏度，它定义为：在给定的信噪比的条件下，接收机所能检测的最低输入信号电平。灵敏度与所要求的输出信号质量(即输出信噪比)有关，还与接收机本身的噪声大小有关。接收机的灵敏度可由下式(2)计算得出：

P_{in,min(dBm)=NRS(dBm/Hz)+NF(dB)+(SNR)o,min(dB)+10logB}  (2)

假设接收机输入端满足共轭匹配，由源内阻Rs产生的噪声输送给接收机的噪声功率为其额定输出，即：N_RS=4KT_aR_s／4R_s=KT_a。假设T_a=290 K，则NRS=-174 dBm／Hz。所以灵敏度可表示为：

P_{in,min(dBm)=-174dBm/Hz+NF(dB)+(SNR)o,min(dB)+10logB}

接收机所接收的信号强弱是变化的，通信系统的有效性取决于它的动态范围，即高性能的工作所能承受的信号变化范围。动态范围的下限是灵敏度，上限由最大可接受的信号失真决定。在本设计中考虑的是低噪声放大器的输入端的动态范围。动