基于ADS的射频综合仿真实验的设计

张 兰，岳显昌，唐 瑞，黄世峰，秦斯奇

(武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430079)

0 引言

目前，高校开展的“射频电路实验”课程主要包括基于射频实训系统的以频谱仪为主要测量仪器的测量性实验项目和基于仿真软件的射频模块设计性实验项目，其中射频模块的设计性实验主要是利用ADS、MWO和HFSS等专业软件，进行对典型射频模块如滤波器、天线、功分器和放大器等进行设计、仿真、制作以及测量，从而掌握射频模块的开发流程，熟悉射频电路的制作工艺和测试方法［1-4］。

然而，在培养学生的测量能力以及典型模块的设计能力的基础上，学生对射频收发系统的理解、系统参数设计与评估等方面的能力也需要加强。射频收发系统作为无线通信的主要组成部分，它们的相关设计是射频电路教学的关键内容，现有的实验系统大都采用模块化设计，各个模块参数固定，学生无法修改，学生只是按照顺序把各个模块连接起来，很难在实验过程中体会到射频收发系统各个指标与各个模块的关系，以及各个模块的性能改变对整个系统的影响。

考虑到实验的时间限制、可操作性和可实现性等方面的因素，不可能让学生去设计并实现一个完整的射频收发系统，而通过软件对射频收发系统进行建模并对其关键指标进行仿真和计算是可行的。系统仿真时不需要用到很具体的电路元件，而是使用一个个的行为级功能模块，直接按其参数进行设计，然后对整机方案的各种特性进行仿真，从而快捷地从行为级和功能级的角度去研究系统性能。归纳起来，基于ADS的射频综合实验的设计思路就是在学生完成模块设计性实验后，在其掌握各个典型的射频电路模块设计方法的基础上，再参与综合实验的训练，利用仿真软件的行为级功能模块设计并搭建射频收发系统，使学生能对其组成、功能和结构有充分认识，并对收发系统的重要指标进行仿真，进而评估系统性能，达到培养学生射频系统综合设计能力的目的。

1 实验原理分析

射频发射系统的主要功能是产生并发射信号，通常由发射天线、振荡器、混频器、滤波器和功率放大器组成，其基本结构如图1所示。由信号发生单元合成所需的基带信号，通过混频器将其频谱搬移到所需的频段上，经过功率放大后通过天线发射出去。

系统增益是射频发射系统一个主要指标。使用ADS软件创建射频发射系统的原理图，在其中加入增益仿真控制器，就可以得到增益在系统各个部分的分配情况。

图1 射频发射系统基本框图

射频接收系统的作用是通过接收天线接收所需要频段的信号，用射频滤波器将其谐波、干扰滤除后，通过低噪声放大器把微弱信号进行放大，最后用混频器及滤波器进行频谱搬移，将信号转化为所需要的中频或者基带信号，再送入到相应的模块进行后续处理。其基本结构框图如图2所示。

图2 射频接收系统基本框图

不同的通信系统，接收系统有很多种结构，比较常见的有零中频接收和超外差接收等结构。零中频接收其天线所接收到的射频信号与本振信号频率相同，混频后变为载波频率为零的基带信号，而超外差接收天线所接收到的射频信号与本振信号频率之差为某个预置的中频信号，通过中频带通滤波器得到所需的信号。零中频接收电路相对简单，不存在镜频干扰，但存在着直流偏差、本振泄漏等问题。超外差接收通过适当地选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度，但其电路相对复杂，需要解决镜频干扰抑制问题。

接收系统主要的技术参数包括灵敏度、噪声系数、增益、动态范围和频率选择性等［5］。这些参数与各个模块的选择与连接有关，在接收系统设计时要对它们进行充分地评估。

2 实验内容的设置

基于ADS的射频收发系统设计与仿真实验以实验室原有的实验平台为模型，主要完成一个工作在900 MHz的射频收发系统的设计与仿真，系统发射信号带宽为2 MHz，接收采取超外差式，中频取40 MHz。

2.1 射频发射系统的建模与仿真

发射系统将经过调制后的60 MHz信号(带宽为2 MHz)经过放大后与840 MHz的本振信号进行混频，输出信号经中心频率为900 MHz带通滤波器，滤除其中的一个不需要的边带，得到900 MHz的信号，再经过功率放大、滤波后送入发射天线发射出去。

利用ADS软件中的模拟电路设计环境进行建模，其仿真原理图如图3所示，系统设计时未考虑调制解调部分，将60 MHz信号作为已调制的信号输入到发射系统中，其幅度为0 dBm。滤波器采用的是切比雪夫带通滤波器，其具体的阶数以及电路设计由ADS自带的滤波器设计工具来完成。

图3 发射系统仿真电路

发射电路原理图建立以后，在ADS的模拟设计环境下，添加相关的仿真控件，进行预算路径设定，建立预算增益方程，对发射系统进行预算仿真，得到各个模块的增益和系统的增益，如图4所示。由图4可知，系统输入信号为0 dBm，系统增益为15 dBm，输出到天线的信号幅度为15 dBm。

图4 发射系统的预算增益仿真结果

2.2 射频接收系统的建模与仿真

接收系统采用超外差接收结构，中频为40 MHz。经天线接收到带宽为2 MHz的弱信号送入中心频率为900 MHz的射频滤波器，经滤波后的信号送入到低噪声放大器进行放大，低噪声放大器的选择对于降低系统噪声系数是至关重要的。接着信号被功分器等分为两路，分别进行正交混频(下变频)，再经中频滤波、中频放大得到中频I/Q信号，其电路结构如图5所示。如果是零中频结构，混频后不再是中频处理而是基带处理，通过调整混频器的本振频率、将中频滤波器改用低通滤波器即可。

图5 接收系统仿真电路

首先，对接收系统的频率选择性进行仿真。通过设置射频输入信号的范围，利用软件的S参量仿真控件，可得到在不同输入频率下的输出信号增益变化情况，如图6所示。从图中可知，中心频率900 MHz处的增益约为90 dB，为系统的最大增益，通频带宽约为2 MHz，满足设计要求。利用谐波平衡仿真控制器，将射频输入以及本振信号作为基波频率，得到接收系统的频域响应特性曲线如图7所示。其中左图为射频输入Vin的功率谱，右图为输出信号Vout_i的功率谱，由于I/Q两路信号完全对称，所以只需要取其中的一路输出进行仿真即可。混频输出的信号是射频频率与本振频率的差值以及它们的各次谐波和互调，各次谐波和互调通过中频滤波器时衰减，通过接收系统的频域响应特性可以看出上述频率转换。从仿真结果可以看出，接收系统将射频输入信号的频谱从900 MHz搬移到40 MHz。

图6 不同输入频率的输出信号增益变化曲线

图7 接收系统的频域响应特性曲线

接着，对接收系统进行预置增益仿真，得到900 MHz情况下系统增益在各个模块的分布情况如图8所示。图中只给出增益的变化值。射频输入功率预置时，应为最小值-107 dBm，中频放大器的预置增益取最大值。

最后，对接收系统进行噪声特性分析。利用谐波仿真噪声控制器，设定噪声分析的范围和步进量，可得到相位噪声如图9所示。

图8 接收系统增益预置仿真曲线

图9(a)和图9(b)分别为I/Q两路的相位噪声在接收系统输出端的分布情况。

图9 接收系统噪声特性仿真曲线

除此之外，还可以进行本振输出功率对接收系统性能影响的分析以及整机增益随本振功率的变化特性分析等等［6］。

3 结语

“射频电路实验”是一门工程性和实践性很强的课程，需要很多的理论知识和实际技能，射频电路实践教学是对理论教学有效地补充和完善。基于ADS的射频前端综合仿真实验，在学生熟练掌握各典型射频电路模块的设计方法的基础上，利用专业设计工具来完成典型的射频发射和接收系统前端的建模与关键技术指标的仿真，从而使学生对射频系统的整体设计有一个较为系统的理解和把握。

本文从实验原理分析和实验内容的设置两个方面对一个基于ADS的射频综合实验的设计进行讨论，旨在更好地培养学生射频系统综合设计能力，促进射频电路实践教学质量的全面提高。

［1］ 万吉娜.AT-RF3020射频实训系统在射频实验教学中的应用［J］.北京:国外电子测量技术，2008，27(12):58-61.

［2］ 傅世强，李婵娟，房少军.射频工程人才能力培养模式的研究［J］.南京:电气电子教学学报，2012，34(6):8-10.

［3］ 涂治红，谢泽明，禇庆昕等.“射频电路与天线”创新性实验［J］.上海:实验室研究与探索，2011，30(4):74-77.

［4］ 傅世强，李婵娟，房少军.射频微波与天线类课程综合创新性实验系统设计.［J］.北京:实验技术与管理，2014，11(31):204-207.

［5］ 弋稳.雷达接收机技术［M］.北京:电子工业出版社，2005.4:13-16.

［6］ 冯新宇，车向前，穆秀春.ADS2009射频电路设计与仿真实例［M］.北京:电子工业出版社，2010:240-253.