基于SystemVue的相控阵雷达系统性能评估仿真技术∗

姚国国

（中国空空导弹研究院 洛阳 471009）

1 引言

近年来，随着建模仿真技术的进步，其在军用和民用领域中的应用更是不断向深度和广度拓展，同时对于仿真系统的要求也越来越高［1～2］。在雷达领域，数字化装备、相控阵技术的应用与普及，雷达系统复杂度不断提高。数字化仿真手段作为雷达系统设计提供分析、研究、评判和决策的重要手段，提前预知、发现系统设计中可能存在的问题具有重要意义。

当前雷达装备系统越来越复杂，雷达数字仿真要求其仿真精细程度越来越细化和深入，在仿真某一属性的同时要兼顾到多种属性，对仿真平台和仿真工具的要求也越来越高，现有大多的仿真软件很难做到同时兼顾。现有的支持雷达系统仿真软件有SPW（Signal Processing Work System）软件、Simulink软件包等。SPW软件是基于Unix、Linux等系统，普及程度不高，应用范围有限。而Simulink软件包是Matlab平台下的一个仿真子平台，适用于动态系统模型的建模和仿真，但它不具备雷达专业模型库，需要结合其它软件才能实现端口控制和实时控制等［3～5］。

SystemVue是KeySight公司开发的用于电子系统级（ESL）设计的专用电子设计自动化（EDA）环境，可支持系统架构师和算法开发人员在无线、航空航天、国防和通信系统的物理层上进行创新设计，为射频、DSP和FPGA/ASIC的设计人员提供独特的仿真平台。SystemVue作为ESL设计和信号处理的专用平台，可替代通用的数字、模拟和数学环境，提供射频信息，从而将物理层研发和验证时间缩短一半，并能够与一些主流EDA（如ADS，Matlab，Modelsim等）流程建立关联，进行联合仿真。其丰富的多态化、模块化、参数化的设计流程，能够帮助用户快速创建通信基带收发链路、射频收发链路以及完整的通信系统，同时可以结合安捷伦测试仪器将SystemVue功能扩展到产品的测试验证阶段，进行半实物仿真，提前预知产品设计性能、问题和缺陷。

相比于其它系统级的仿真软件，SystemVue软件在雷达系统仿真方面的优势体现在以下几个方面［6～8］：1）具备较完备的射频设计资源库；2）具备较完备的雷达、电子战模型库；3）具有模块化、面向对象的结构和界面；4）兼容Matlab等常用软件并与之交互的能力；5）具有用户自定义、自编辑的能力。这些特点和优势使得仿真更贴近实际，使用户更关注于关键模块的设计，节省大量的时间和精力。

SystemVue强大的电子系统级的建模仿真能力，见诸应用于通信和雷达领域方面的例子，如参考文献［9］介绍了利用SystemVue软件分析无线通信原理的仿真实验教学，参考文献［10］介绍了在SystemVue环境下建立了单载波超宽带的系统仿真，参考文献［11］介绍了基于SystemVue软件平台的雷达模拟仿真技术，参考文献［12］介绍了SystemVue在火控雷达组网仿真系统中的应用，利用SystemVue实现了数据融合系统仿真。

2 相控阵雷达系统

以某相控阵雷达为例，相控阵接收雷达收发系统的原理框图如图1所示。

图1 相控阵接收雷达系统原理框图

相控阵接收雷达收发系统由天线阵面、TR模块、功分合成网络、模拟接收机、频率源、数字ADC等几个主要部分组成。

在本雷达系统中，天线阵面按照8*8的天线阵元分布进行布阵，实现对射频信号的发射和接收；TR模块共包含8*8=64个独立接收和发射通道，在发射状态下，每个通道具有独立的功放模块，通过控制数控移相器实现发射信号的空间波束形成，在接收状态下，每个通道具有独立的接收支路，包含低噪声放大器、数控衰减器等，通过控制数控衰减器、移相器实现对接收信号波束形成；功分合成网络的作用一是将各路TR通道的接收信号进行通道合成，二是将频率源产生的发射信号等功率分配到各个TR通道的发射信道上；频率源产生雷达系统所需的本振、发射等源信号；模拟接收机将功分合成网络合成的接收信号进行再次放大、下变频、滤波等，产生满足高速AD采样需求的中频信号；数字ADC接收模拟接收机的中频信号进行高速AD采样。

受限于篇幅，本文仅给出了利用SystemVue软件建立系统仿真模型的流程和步骤、各部分主要技术指标的计算和仿真结果，而不再对各部分电路的详细设计和具体指标分配展开论述。

3 主要仿真模块

3.1 接收状态仿真模型

建立接收状态下的总仿真模型如图2所示。仿真模型由相控阵天线模块、TR模块、模拟接收机模块、ADC模块、频率源模块组成。相控阵天线接收到的信号经过TR模块进行放大、功率合成；在模拟接收机进行下变频、滤波、放大，得到中心频率为60MHz的模拟中频信号，该中频信号经过ADC采样，得到数字信号。

下面将逐次建立各个模块的仿真模型并给出主要参数的计算和仿真结果。

3.2 天线阵面仿真模型

天线阵面按照8*8阵元正方形布阵排布，射频信号频率为12GHz，天线单元间距设置为0.5倍射频信号频率波长，阵面接收信号功率密度按照-50dBW/m2进行设置。天线阵面仿真模型如图3所示。

图2 接收状态下仿真模型

图3 天线阵面模型

3.3 TR模块仿真模型

建立TR模块的仿真模型如图4所示。模型中包含射频开关、2级低噪放、数控衰减器、数控移相器、功分合成网络、驱动功放、末级功放等器件。

对链路的增益和噪声系数按以下公式进行计算。

图4 TR模块的仿真模型

按照图4中各级器件的增益、噪声系数计算TR模块的增益和噪声系数如下所示。

链路总增益计算结果为G=-0.4+20+20-2-2-8.5-4-0.5+10*log10（64）=40.66dB。

噪声系数计算结果为F=10*log10(100.04+

当TR模块处于接收状态时，在TR模块单通道入口处注入一个信号，对其接收性能进行仿真。TR模块级联增益、各级增益和噪声系数仿真结果见图5所示。

图5 TR模块级联增益、各级增益、噪声系数仿真结果

从图5中的仿真结果可看出，8*8阵元的TR模块单通道级联增益为40.6dB，噪声系数仿真结果为2.6dB，与理论计算结果相符。

3.4 模拟接收机模型

建立模拟接收机的仿真模型如图6所示。模型中包含低噪放、混频器、数控衰减器、滤波器、放大器等器件。模拟接收机接收的12GHz射频信号经过放大、与12.06GHz本振信号混频、放大、滤波等电路，得到满足AD采样要求的60MHz中频信号。

链路增益和噪声系数按照式（1）进行计算，计算结果分别为30.5dB、2.8dB。

图6 模拟接收机仿真模型

图7 模拟接收机级联增益和各级增益仿真结果

从图7中的仿真结果可看出，模拟接收机的级联增益为30.5dB，噪声系数仿真结果为2.79dB，与理论计算结果相符。

3.5 ADC模型

ADC采用14bit的AD，最大输入信号范围2V，采样率设置为240MHz，动态范围设置为70dBc。仿真模型见图8所示。

3.6 接收状态下系统仿真结果

相控阵天线接收到的信号经过如图2所示的整个接收链路后，在ADC端口输出的信号频谱仿真结果如图9所示。可看出输出中频信号为60MHz/-21.8dBm。

图8 ADC仿真模型

图9 经过ADC采用后的信号频谱

接收系统级联增益、噪声系数如图10所示，系统总增益为71.2dB，为TR模块增益、模拟接收机增益之和，噪声系数为2.629dB。

仿真结果统计表见表1。

天线的无源增益按照公式：

式中：G为天线增益；ρ为口面效率；A天线口径；λ为波长。

图10 接收状态下级联增益、噪声系数

表1 仿真结果统计

取射频信号频率为12GHz，8×8单元，单元间距0.5*λ，ρ取80%，计算得到天线无源增益为22.1dB。

波束宽度按照以下公式计算：

式中：λ为波长；d为单元间距；N为单元数；θ为扫描角；取法线方向，d=0.5*λ，得到 θ3dB为12.75°。

相控阵天线扫描方向图仿真结果如图11所示，天线无源增益为22.9dB，θ3dB波束宽度为13°。

图11 相控阵天线扫描方向图

从仿真结果可看出，仿真的结果与理论计算相符，证明仿真结果的可信性。

4 结语

本文以某相控阵雷达系统为例，利用System-Vue软件建立了相控阵雷达系统仿真模型，并对各主要组成部分的主要指标进行了计算和数字仿真，最后给出了系统计算和仿真结果，证明仿真结果的可信性。SystemVue仿真软件具备较完备的雷达模型库，以及与其它软件协同设计仿真的能力、模块化和图形化等特点使其在构建复杂雷达系统数字仿真方面具有独特的优势，表现出了它的优越性。