基于SystemVue的相控陣雷達系統性能評估仿真技術?

姚國國

（中國空空導彈研究院 洛陽 471009）

1 引言

近年來，隨著建模仿真技術的進步，其在軍用和民用領域中的應用更是不斷向深度和廣度拓展，同時對于仿真系統的要求也越來越高［1～2］。在雷達領域，數字化裝備、相控陣技術的應用與普及，雷達系統復雜度不斷提高。數字化仿真手段作為雷達系統設計提供分析、研究、評判和決策的重要手段，提前預知、發現系統設計中可能存在的問題具有重要意義。

當前雷達裝備系統越來越復雜，雷達數字仿真要求其仿真精細程度越來越細化和深入，在仿真某一屬性的同時要兼顧到多種屬性，對仿真平臺和仿真工具的要求也越來越高，現有大多的仿真軟件很難做到同時兼顧。現有的支持雷達系統仿真軟件有SPW（Signal Processing Work System）軟件、Simulink軟件包等。SPW軟件是基于Unix、Linux等系統，普及程度不高，應用范圍有限。而Simulink軟件包是Matlab平臺下的一個仿真子平臺，適用于動態系統模型的建模和仿真，但它不具備雷達專業模型庫，需要結合其它軟件才能實現端口控制和實時控制等［3～5］。

SystemVue是KeySight公司開發的用于電子系統級（ESL）設計的專用電子設計自動化（EDA）環境，可支持系統架構師和算法開發人員在無線、航空航天、國防和通信系統的物理層上進行創新設計，為射頻、DSP和FPGA/ASIC的設計人員提供獨特的仿真平臺。SystemVue作為ESL設計和信號處理的專用平臺，可替代通用的數字、模擬和數學環境，提供射頻信息，從而將物理層研發和驗證時間縮短一半，并能夠與一些主流EDA（如ADS，Matlab，Modelsim等）流程建立關聯，進行聯合仿真。其豐富的多態化、模塊化、參數化的設計流程，能夠幫助用戶快速創建通信基帶收發鏈路、射頻收發鏈路以及完整的通信系統，同時可以結合安捷倫測試儀器將SystemVue功能擴展到產品的測試驗證階段，進行半實物仿真，提前預知產品設計性能、問題和缺陷。

相比于其它系統級的仿真軟件，SystemVue軟件在雷達系統仿真方面的優勢體現在以下幾個方面［6～8］：1）具備較完備的射頻設計資源庫；2）具備較完備的雷達、電子戰模型庫；3）具有模塊化、面向對象的結構和界面；4）兼容Matlab等常用軟件并與之交互的能力；5）具有用戶自定義、自編輯的能力。這些特點和優勢使得仿真更貼近實際，使用戶更關注于關鍵模塊的設計，節省大量的時間和精力。

SystemVue強大的電子系統級的建模仿真能力，見諸應用于通信和雷達領域方面的例子，如參考文獻［9］介紹了利用SystemVue軟件分析無線通信原理的仿真實驗教學，參考文獻［10］介紹了在SystemVue環境下建立了單載波超寬帶的系統仿真，參考文獻［11］介紹了基于SystemVue軟件平臺的雷達模擬仿真技術，參考文獻［12］介紹了SystemVue在火控雷達組網仿真系統中的應用，利用SystemVue實現了數據融合系統仿真。

2 相控陣雷達系統

以某相控陣雷達為例，相控陣接收雷達收發系統的原理框圖如圖1所示。

圖1 相控陣接收雷達系統原理框圖

相控陣接收雷達收發系統由天線陣面、TR模塊、功分合成網絡、模擬接收機、頻率源、數字ADC等幾個主要部分組成。

在本雷達系統中，天線陣面按照8*8的天線陣元分布進行布陣，實現對射頻信號的發射和接收；TR模塊共包含8*8=64個獨立接收和發射通道，在發射狀態下，每個通道具有獨立的功放模塊，通過控制數控移相器實現發射信號的空間波束形成，在接收狀態下，每個通道具有獨立的接收支路，包含低噪聲放大器、數控衰減器等，通過控制數控衰減器、移相器實現對接收信號波束形成；功分合成網絡的作用一是將各路TR通道的接收信號進行通道合成，二是將頻率源產生的發射信號等功率分配到各個TR通道的發射信道上；頻率源產生雷達系統所需的本振、發射等源信號；模擬接收機將功分合成網絡合成的接收信號進行再次放大、下變頻、濾波等，產生滿足高速AD采樣需求的中頻信號；數字ADC接收模擬接收機的中頻信號進行高速AD采樣。

受限于篇幅，本文僅給出了利用SystemVue軟件建立系統仿真模型的流程和步驟、各部分主要技術指標的計算和仿真結果，而不再對各部分電路的詳細設計和具體指標分配展開論述。

3 主要仿真模塊

3.1 接收狀態仿真模型

建立接收狀態下的總仿真模型如圖2所示。仿真模型由相控陣天線模塊、TR模塊、模擬接收機模塊、ADC模塊、頻率源模塊組成。相控陣天線接收到的信號經過TR模塊進行放大、功率合成；在模擬接收機進行下變頻、濾波、放大，得到中心頻率為60MHz的模擬中頻信號，該中頻信號經過ADC采樣，得到數字信號。

下面將逐次建立各個模塊的仿真模型并給出主要參數的計算和仿真結果。

3.2 天線陣面仿真模型

天線陣面按照8*8陣元正方形布陣排布，射頻信號頻率為12GHz，天線單元間距設置為0.5倍射頻信號頻率波長，陣面接收信號功率密度按照-50dBW/m2進行設置。天線陣面仿真模型如圖3所示。

圖2 接收狀態下仿真模型

圖3 天線陣面模型

3.3 TR模塊仿真模型

建立TR模塊的仿真模型如圖4所示。模型中包含射頻開關、2級低噪放、數控衰減器、數控移相器、功分合成網絡、驅動功放、末級功放等器件。

對鏈路的增益和噪聲系數按以下公式進行計算。

圖4 TR模塊的仿真模型

按照圖4中各級器件的增益、噪聲系數計算TR模塊的增益和噪聲系數如下所示。

鏈路總增益計算結果為G=-0.4+20+20-2-2-8.5-4-0.5+10*log10（64）=40.66dB。

噪聲系數計算結果為F=10*log10(100.04+

當TR模塊處于接收狀態時，在TR模塊單通道入口處注入一個信號，對其接收性能進行仿真。TR模塊級聯增益、各級增益和噪聲系數仿真結果見圖5所示。

圖5 TR模塊級聯增益、各級增益、噪聲系數仿真結果

從圖5中的仿真結果可看出，8*8陣元的TR模塊單通道級聯增益為40.6dB，噪聲系數仿真結果為2.6dB，與理論計算結果相符。

3.4 模擬接收機模型

建立模擬接收機的仿真模型如圖6所示。模型中包含低噪放、混頻器、數控衰減器、濾波器、放大器等器件。模擬接收機接收的12GHz射頻信號經過放大、與12.06GHz本振信號混頻、放大、濾波等電路，得到滿足AD采樣要求的60MHz中頻信號。

鏈路增益和噪聲系數按照式（1）進行計算，計算結果分別為30.5dB、2.8dB。

圖6 模擬接收機仿真模型

圖7 模擬接收機級聯增益和各級增益仿真結果

從圖7中的仿真結果可看出，模擬接收機的級聯增益為30.5dB，噪聲系數仿真結果為2.79dB，與理論計算結果相符。

3.5 ADC模型

ADC采用14bit的AD，最大輸入信號范圍2V，采樣率設置為240MHz，動態范圍設置為70dBc。仿真模型見圖8所示。

3.6 接收狀態下系統仿真結果

相控陣天線接收到的信號經過如圖2所示的整個接收鏈路后，在ADC端口輸出的信號頻譜仿真結果如圖9所示。可看出輸出中頻信號為60MHz/-21.8dBm。

圖8 ADC仿真模型

圖9 經過ADC采用后的信號頻譜

接收系統級聯增益、噪聲系數如圖10所示，系統總增益為71.2dB，為TR模塊增益、模擬接收機增益之和，噪聲系數為2.629dB。

仿真結果統計表見表1。

天線的無源增益按照公式：

式中：G為天線增益；ρ為口面效率；A天線口徑；λ為波長。

圖10 接收狀態下級聯增益、噪聲系數

表1 仿真結果統計

取射頻信號頻率為12GHz，8×8單元，單元間距0.5*λ，ρ取80%，計算得到天線無源增益為22.1dB。

波束寬度按照以下公式計算：

式中：λ為波長；d為單元間距；N為單元數；θ為掃描角；取法線方向，d=0.5*λ，得到 θ3dB為12.75°。

相控陣天線掃描方向圖仿真結果如圖11所示，天線無源增益為22.9dB，θ3dB波束寬度為13°。

圖11 相控陣天線掃描方向圖

從仿真結果可看出，仿真的結果與理論計算相符，證明仿真結果的可信性。

4 結語

本文以某相控陣雷達系統為例，利用System-Vue軟件建立了相控陣雷達系統仿真模型，并對各主要組成部分的主要指標進行了計算和數字仿真，最后給出了系統計算和仿真結果，證明仿真結果的可信性。SystemVue仿真軟件具備較完備的雷達模型庫，以及與其它軟件協同設計仿真的能力、模塊化和圖形化等特點使其在構建復雜雷達系統數字仿真方面具有獨特的優勢，表現出了它的優越性。