一种高精度幅相调理机制

李 伟

(中国电子科技集团公司第十研究所, 四川 成都 610036)

0 引言

随着现代通讯、测控数传及侦收识别等技术体系对效能需求的不断提高，对任意模拟或数字系统的幅相特性要求也越来越高[1]。如射频系统中通常需要满足：相位精度≤±5°，延时精度≤±10 ps，幅度一致性≤±1 dB，相位一致性≤±5°，窄带幅度平坦度≤±1 dB。虽然“标校电路”、预处理等设备可降低对幅相一致性等指标特性的要求[2]，但幅相抖动、非线性、群时延特性、误码率、信噪比等得不到改善，将影响最终所得信号质量。若幅相不一致性呈现复杂的“离散特性”，更会导致系统效能难以实现[3]。因此，本文提出了一种高精度幅相调理机制，用以高精度、高可靠电子系统中任意功能单元的实现、降低后端算法复杂度、改善信号质量[4]。

1 高精度幅相调理

高精度幅相调理的基本原理是：通过获得任意系统从元器件到系统的网络参数，从而建立精确的可重复、可迭代、可优化的完整模型，并借助计算机辅助设计(CAD)软件实现对幅度、相位、时延的加权与补偿控制，达到幅相调理最优的目的[5]。

图1为本文实现高精度幅相调理流程图。其需要借助HFSS、ADS、IE3D、Genesys、Visual Studio、Matlab、AppCAD等设计软件与自制综合设计软件[6]。

图1 仿真模拟流程

首先，将系统指标分解后可得所需功能单元的链路方案，图2为某型号模拟波束合成(ABF)通道链路的部分原理框图。

图2 射频移相原理框图

得到链路方案后，使用链路计算软件对方案进行初步模拟，获得噪声、增益、三阶等核心指标，并留下足够设计余量，如图3所示。

图3 链路预算

然后将各种调理方式的测试与仿真数据代入可视化编译软件，开发了一套自动设计程序。按照图2流程，通过多次数据迭代，实现了软件可自主优化调理方式。可选择的延时与移相的调理方案有：声表面波(SAW)与薄膜体声波(FBAR)延迟线、电缆、微带、芯片真时延线(TTD)及矢量调制等[7]；可选择的幅度调理方案有布局布线纠错、衰减器选型、链路补偿推荐等。数字电路中主要使用现场可编程门阵列(FPGA)进行幅相调理与补偿。图4为自制综合设计软件。

图4 自制综合设计软件

幅相调理方式选定后，还需进行板级模拟。首先将可测单元、接插件或模块等进行测量，获得其准确网络参数SnP文件；其次将厂家提供或仿真所得数据等进行格式转换，获得网络参数SnP文件；然后根据布局布线和链路特性进行准确的Simulink或ADS建模[8]；最后将图4所得调理方式代入板级模型，并根据系统要求迭代优化，如图5所示。

图5 IE3D与HFSS转换SnP文件

图1～5所得数据具有通用性和继承性，可在模型上进行迭代优化，无需反复加工验证，操作简易快捷。多次迭代调整后，可在任意功能电路中，快速实现高精度幅相加权、高线性幅相特性、高幅相一致性、免调等设计。

图6为某UHF频段阵列天线中的ABF模块，具有高精度幅相和时延加权需求。所有设计、装配、调试测试等过程，均满足相应的国军标要求[9]。板材选用Rogers6010、FR-4等，也可选择刚绕结合板以减少布局布线压力，一般10层左右即可实现[10]；分别使用微带、电缆、SAW时延线等来实现短、中、高多步进的相位与时延加权与补偿；使用步进为0.5 dB的程控衰减器来实现幅度加权与补偿；对FPGA及其外围电路进行了系统的优化，以改善谐波、杂散、相噪等，并提高响应速度与一致性[11]；使用多频合成与隔离，以适应系统需求；更多功能特性随需求各不相同。

图6 某UHF频段ABF实物与测试图

图7为某L频段阵列天线中的ABF模块。如图8所示，板级模拟的相位不连续点与实测结果一致。调整后的功能单元，其4倍相对带宽的幅频曲线基本呈线性，时域杂波抑制度高。

图7 某L频段ABF实物与测试图

图8 某L频段ABF模拟验证图

2 试验验证

为了验证高精度幅相调理方案对任意电子系统的效能提升，需要将各种功能单元按需求进行组合，并连接直流稳压源、信号源、矢量网络分析仪、频谱仪等测试设备进行逐级联试。图9[12]为某相控阵天线验证示意图，同时使用ABF与数字波束合成(DBF)体制，从模拟到数字均有较高的幅相调理需求。图中除电源与监控外，其他功能单元均需验证，测试过程较繁复，且数据量庞大。

图9 试验框图

为了量化对幅相调理的改善，将测试结果与常规调理或未调理过的任意功能单元进行大量的数值比较，表1为幅相调理功能单元间的比较结果。由表可看出，系统互连后会有恶化，不包含损坏与功能异常单元。高精度调理的数值为可达到的最优结果，未调理与常规调理的数值根据工程经验与文献[13-14]相关。

表1 参数比较

3 结束语

通过对图9任意功能单元的逐级联试，所得结果基本可满足相位差一致性≤±1°，延时精度≤±1.5 ps，幅度一致性≤±1 dB，相位一致性≤±1.5°，多倍频相对带宽的幅度平坦度≤±1 dB。幅度、相位、时延为电磁波的“三要素”，由于幅相加权与补偿得到了较好的控制，信道中需要的滤波与幅度均衡等调理电路也得到减少，从而改善了群时延特性、幅相调制非线性、角度调制非线性等参数，进而较大程度地缓解了对后端信号处理的压力，实现了高可靠、高线性幅相特性、快速设计，可应用于任意电子系统、任意信道化设计、任意功能电路或芯片设计等[15]。