毫米波電路中腔體效應(yīng)仿真設(shè)計(jì)

博微太赫茲信息科技有限公司 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 高炳西 齊登鋼 吳博文 張 丹 馮 輝

引言

隨著毫米波通訊、雷達(dá)等技術(shù)發(fā)展，微波毫米波集成電路技術(shù)得到飛速發(fā)展，微波毫米波集成電路向小型化高集成度方向發(fā)展。隨著組件集成度與工作頻率越來越高，組件空間尺寸越來越小，微波毫米波集成電路中存在的腔體效應(yīng)對組件性能的影響成為微波毫米波電路設(shè)計(jì)中不可忽視的重要問題。

腔體效應(yīng)是指由組件的空間參數(shù)（形狀、尺寸）和電路分布參數(shù)等造成的寄生參量對微波組件傳輸及工作性能參數(shù)的影響。在微波毫米波集成電路組件中，由于腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加上元器件對腔體的微擾，目前尚無精確的解析理論支持微波腔體效應(yīng)分析與設(shè)計(jì)。本文介紹一種通過電磁仿真軟件HFSS分析微波毫米波組件腔體效應(yīng)的方法。

1.微波腔體效應(yīng)仿真設(shè)計(jì)

當(dāng)裸片被封裝在金屬腔體內(nèi)部后，由于其工作波長與金屬腔體的特征長度相當(dāng)，腔體的諧振頻率會與組件的工作頻率重合，腔體內(nèi)部容易產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，進(jìn)而影響組件的正常工作。所以分析腔體的諧振特性，對保證組件的穩(wěn)定工作具有非常重要的指導(dǎo)意義。工程上較常見的方法是通過合理設(shè)計(jì)腔體尺寸、在腔體內(nèi)壁面粘貼或涂抹吸波材料等方法消除組件內(nèi)的腔體效應(yīng)。

本文通過一種工作頻率為W波段的寬帶低噪聲放大器腔體設(shè)計(jì)實(shí)例，介紹兩種腔體效應(yīng)的HFSS仿真分析方法。

1.1 本征模式分析方法

根據(jù)電磁場理論[1]，矩形腔體內(nèi)會存在TE和TM 模式兩種類型的電磁振蕩，其諧振頻率為：

其中，m，n，l分別為對應(yīng)a，h，d長度方向上的駐波個(gè)數(shù)，根據(jù)上式可以計(jì)算矩形諧振腔的諧振頻率。但在實(shí)際的微波毫米波集成電路腔體中，由于其結(jié)構(gòu)形態(tài)較為復(fù)雜，腔體內(nèi)部元器件及外圍電路等都會對腔體的諧振特性會產(chǎn)生微擾作用，所以在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，簡單的解析理論[2]計(jì)算是不完善的，可以借助專業(yè)的電磁仿真軟件進(jìn)行仿真分析。為了提高仿真精度與準(zhǔn)確性，仿真分析中應(yīng)盡可能將芯片及其外圍電路按照其實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)代入仿真模型，進(jìn)行整體仿真。

圖1 腔體效應(yīng)仿真模型

其次，寬頻帶組件的真實(shí)工作頻率范圍往往寬于其標(biāo)稱的工作頻率范圍，腔體效應(yīng)仿真設(shè)計(jì)時(shí)，其諧振頻率應(yīng)不能與實(shí)際工作頻率重合。

本文以一種W波段寬帶低噪聲放大器模塊腔體效應(yīng)為例，介紹使用HFSS本征模式分析腔體效應(yīng)的方法。圖1為低噪聲放大器模塊腔體效應(yīng)仿真模型。腔體的尺寸近似為（a,h,d）=( 5.6, 1.1, 9.95)mm。并將供電電極、外圍濾波電容、放大器芯片，傳輸微帶線等按實(shí)際應(yīng)用形態(tài)帶入仿真模型，由于放大器芯片內(nèi)部電路較為復(fù)雜，采用相應(yīng)材質(zhì)的50ohm微帶線代替。考慮到HFSS中建模較為復(fù)雜，通過第三方機(jī)械建模軟件SolidWorks導(dǎo)入，導(dǎo)入模型后再重新分配各元器件的材料屬性。

表I 65～120GHz范圍內(nèi)腔體諧振頻率及其模數(shù)

選擇HFSS中Eigenmode求解器，設(shè)置最小求解頻率65GHz，求解模個(gè)數(shù)20。表I為頻率在65～120GHz范圍內(nèi)，HFSS仿真本征模頻率與通過理論公式計(jì)算結(jié)果以及對應(yīng)的模數(shù)。從表I的計(jì)算結(jié)果來看，65～120GHz范圍內(nèi)腔體的最低階模數(shù)為（2,0,2），屬于高階模式，其主模諧振頻率不在組件的工作頻率范圍，可認(rèn)為該腔體狀態(tài)下不存在對組件工作穩(wěn)定性造成影響的腔體效應(yīng)。

對表I的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，同一模數(shù)下理論計(jì)算的諧振頻率與仿真分析結(jié)果有明顯的不同，這主要是仿真模型中帶入的芯片及其他外圍電路元器件對矩形腔體產(chǎn)生的微擾引起的，其振蕩特性發(fā)生了明顯的改變，所以在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，僅僅依靠理論模型分析腔體效應(yīng)是不夠的，需要借助電磁仿真工具進(jìn)行整體分析。

1.2 S參數(shù)分析方法

當(dāng)元器件受到腔體效應(yīng)影響不能穩(wěn)定工作時(shí)，其S參數(shù)在腔體諧振頻率點(diǎn)處存在“特征尖峰”，這些“特征尖峰”對應(yīng)的頻率點(diǎn)與腔體的諧振頻率相關(guān)，所以可通過HFSS仿真分析元器件在腔體內(nèi)部的S參數(shù)來分析腔體的諧振特性。當(dāng)S11與S21參數(shù)不存在明顯的“特征尖峰”時(shí)，可以認(rèn)為腔體內(nèi)部不存在影響微波電路的腔體效應(yīng)。

圖2 腔體效應(yīng)S參數(shù)法仿真結(jié)果

圖2為圖1仿真模型下S參數(shù)法仿真結(jié)果。選擇HFSS中Driven Modal求解器，設(shè)置兩個(gè)微帶線端口為Wave Port端口。從仿真結(jié)果來看，65～120GHz范圍內(nèi)，S11與S21曲線無“特征尖峰”存在。這與2.1中本征求解諧振頻率的結(jié)果是一致的，在65～120GHz范圍內(nèi)腔體的諧振頻率對應(yīng)的為高階模式，由于高階模式的電磁能量較弱，不會對腔體內(nèi)特定頻段的微波毫米波組件工作性能及穩(wěn)定性造成影響。

2.結(jié)論

本文介紹了利用HFSS本征模求解器與驅(qū)動模式求解器分析微波毫米波集成電路中需要解決的腔體效應(yīng)分析方法，對實(shí)際的工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]David M. Pozar, Microwave Engineering, Third Edition[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009 ISBN7-121-02312-1.

[2]清華大學(xué)《微帶電路》編寫組.微帶電路[M].北京：人民郵電出版社,1979.