基于HFSS的毫米波限幅航插的研究

，，

(南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著現(xiàn)代微波武器的飛速發(fā)展，其對(duì)航空領(lǐng)域各類電子控制器的大功率干擾已經(jīng)成為目前需要解決的重要問(wèn)題之一，而限幅器作為一種微波控制器件能夠起到至關(guān)重要的作用[1-2]。限幅器主要用于阻止大功率信號(hào)進(jìn)入電子控制器，對(duì)其內(nèi)部的元器件造成損傷，在低功率時(shí)對(duì)輸入信號(hào)沒(méi)有影響，在功率增加到規(guī)定值即門限電平時(shí)，輸入信號(hào)通過(guò)限幅器后將產(chǎn)生很大的衰減，此后輸入功率繼續(xù)增大時(shí)，輸出功率將保持不變。目前限幅器技術(shù)比較成熟，國(guó)內(nèi)在低頻段的研究文獻(xiàn)和產(chǎn)品很多，其中南京電子器件研究所研制的限幅器達(dá)到了國(guó)外同類商用限幅器的性能[3]；而對(duì)于高頻段限幅器的研究，國(guó)外Cernex公司的限幅器可以在26～40 GHz的工作范圍內(nèi)，滿足插入損耗小于1 dB、駐波優(yōu)于2∶1的性能要求[4]，國(guó)內(nèi)在該頻段的研究工作較少，并且主要采用“路”的思路來(lái)設(shè)計(jì)限幅器[5]。西北核技術(shù)研究所李勇等人對(duì)PIN二極管在EMP作用下的響應(yīng)進(jìn)行了研究[6]，對(duì)PIN限幅器全物理器件模型的建立有著指導(dǎo)意義，對(duì)于采用“場(chǎng)”的思路設(shè)計(jì)限幅器具有參考價(jià)值。

在傳統(tǒng)航空領(lǐng)域，通常將限幅器模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)并用線纜與航空插頭前端相連接，隨著射頻技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)也有將其集成于電子控制器電路板上的設(shè)計(jì)。前者可能造成更多的插入損耗并且增大了控制器空間，而由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)超高溫的限制，控制器僅位于壓氣機(jī)機(jī)匣表面有限冷端空間內(nèi)，所以減小控制器所占空間對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)尤其重要；后者一旦損壞，需更換整個(gè)控制器電路板，成本較高，操作復(fù)雜，并且不方便進(jìn)行維護(hù)和改進(jìn)。在此，考慮了上述2種方案的利弊，提出了將限幅器集成于航空插頭針腳內(nèi)部的設(shè)計(jì)方案，既減少了控制器空間又能夠起到限幅器的效果，并利用Ansoft公司三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行了建模與仿真驗(yàn)證[7-11]。

1 限幅器的設(shè)計(jì)與仿真

1.1 限幅二極管的建模

本文選用Skyworks公司的型號(hào)為CLA4601- 000和CLA4609-000的PIN限幅二極管，其為典型的臺(tái)式結(jié)構(gòu)，物理結(jié)構(gòu)截面如圖1所示，考慮到二極管的結(jié)構(gòu)，所以將它們并聯(lián)于微帶電路中，構(gòu)成寬帶低通濾波網(wǎng)絡(luò)。商家推薦工作頻率為30 GHz以內(nèi)，其中CLA4601-000二極管I層厚度為1 μm，在0 V的結(jié)電容為0.12 pF，在10 mA的總串聯(lián)電阻為2.5 Ω，最大連續(xù)波承受功率為2 W; CLA4609-000二極管I層厚度為28 μm，在0 V的結(jié)電容為0.26 pF，在10 mA的總串聯(lián)電阻為1.5 Ω，最大連續(xù)波承受功率為20 W。

圖1 PIN二極管截面

P層和N層都具有較高的摻雜濃度，P層一般很薄，其電阻值在毫歐級(jí)別，通常在分析計(jì)算中可以忽略；N層厚度一般是最厚的，其電阻值在幾百毫歐級(jí)別，構(gòu)成了二極管的最低阻抗，其電阻值為：

Rlayer=ρlayer×Tlayer/Alayer

(1)

ρlayer為電阻率；Tlayer為厚度；Alayer為面積。

I層位于P層和N層之間，理想狀態(tài)為不摻雜層，實(shí)際為極低摻雜的本征半導(dǎo)體層，阻值可以達(dá)到幾百歐姆甚至上千歐姆，I層阻值為：

(2)

w為厚度；IF為偏置電流；μA為載流子遷移率；TL為最少遷移時(shí)間。I層的阻值也可以通過(guò)式(1)近似計(jì)算得到。

限幅二極管等效電路[12-13]如圖2所示，Rs為二極管串聯(lián)電阻；CP為寄生電容；Cj為零偏置結(jié)電容；Rj為二極管結(jié)電阻。

圖2 限幅二極管等效電路

在HFSS中建立了PIN二極管的物理結(jié)構(gòu)仿真模型，其材料參數(shù)設(shè)置如表1所示。電導(dǎo)率根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算得到，采用的鍵合金絲直徑為18 μm，拱高為0.2 mm，跨距為0.3 mm。通過(guò)去嵌入式阻抗場(chǎng)計(jì)算方法[14-16]，得到其S參數(shù)文件；根據(jù)等效電路模型，通過(guò)擬合S參數(shù)幅度和相位曲線，得到二極管的等效寄生集總參數(shù)數(shù)值。

1.2 限幅器的設(shè)計(jì)與建模

本文采用將2個(gè)PIN限幅管并聯(lián)于微帶電路中的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)功率的控制，兩者間隔1/4波長(zhǎng)，電路原理如圖3所示。第1級(jí)PIN二極管采用CLA4609-000，其可承受高功率的信號(hào)，進(jìn)行初步衰減；第2級(jí)二極管采用CLA4601-000，其I層較薄，可以有效地減少尖峰泄漏能量，兩者配合使用可以起到很好的限幅效果。為了在輸入輸出端隔離直流電流，接入了2個(gè)超寬帶電容；直流偏置電路通過(guò)射頻扼流電感接地實(shí)現(xiàn)。

圖3 限幅器設(shè)計(jì)原理

利用HFSS仿真軟件，結(jié)合上文限幅二極管的建模，建立如圖4所示的限幅器場(chǎng)仿真模型，由SMA接口、限幅二極管、射頻扼流電感和電路基板組成。其中，限幅器電路板采用Duriod-5880材料，其厚度為0.254 mm，SMA接口通過(guò)0.3 mm的絕緣子針與限幅器輸入輸出端相連。通過(guò)調(diào)整限幅器匹配阻抗線的長(zhǎng)度與寬度，以實(shí)現(xiàn)所要求的插入損耗和駐波指標(biāo)，最終仿真結(jié)果如圖5所示，在25～35 GHz內(nèi)，限幅器的插入損耗小于1 dB，駐波比優(yōu)于1.4∶1，插入損耗在高頻段時(shí)迅速增加。

圖4 限幅器場(chǎng)仿真模型

圖5 限幅器仿真結(jié)果

2 限幅航插的設(shè)計(jì)與建模

2.1 限幅航插的設(shè)計(jì)

本文對(duì)MIL-DTL-38999標(biāo)準(zhǔn)下的某一圓型航空插頭進(jìn)行改進(jìn)，在插頭針腳內(nèi)加入上文所設(shè)計(jì)的限幅器，其結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。該型插頭的針直徑為2.5 mm,長(zhǎng)度為17.5 mm,限幅器安裝部位的直徑為3.5 mm，長(zhǎng)度為6.2 mm,限幅器外部屏蔽層材料與針腳材料一致，限幅器的輸入輸出通過(guò)0.3 mm的絕緣子針與插頭針腳連接。

圖6 限幅航插結(jié)構(gòu)示意

2.2 建模與仿真結(jié)果對(duì)比

在HFSS電磁仿真軟件中，建立限幅器連接普通航插結(jié)構(gòu)的整體場(chǎng)仿真模型如圖7所示。兩者之間通過(guò)0.3 mm的銅線相連接，在限幅管小信號(hào)狀態(tài)下，通過(guò)仿真計(jì)算得到限幅器輸入端與航插針腳的輸出端之間的插入損耗和駐波。

圖7 限幅器連接普通航插結(jié)構(gòu)的整體場(chǎng)仿真模型

建立限幅航插針腳的整體場(chǎng)仿真模型如圖8所示。將限幅器集成于航插針腳內(nèi)部，在限幅管小信號(hào)狀態(tài)下，通過(guò)仿真計(jì)算得到限幅航插針腳輸出端和輸入端之間的插入損耗和駐波。

圖8 限幅航插的整體場(chǎng)仿真模型

普通航插與限幅航插的仿真結(jié)果如圖9所示。在全頻段范圍內(nèi)，兩者的曲線變化趨勢(shì)相同且插損最大為3.5 dB，而限幅航插的插損都小于普通航插外接限幅器的插損，并且在低頻段限幅航插插入損耗變化較慢；兩者的駐波比都優(yōu)于2∶1且變化趨勢(shì)大致相同，限幅航插在全頻段范圍內(nèi)的駐波比基本小于普通航插。

圖9 仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種將限幅器集成于航插針腳內(nèi)部的設(shè)計(jì)方法，并基于限幅器整體場(chǎng)仿真模型的建立方法，分別建立了普通航插與限幅航插的整體場(chǎng)仿真模型。通過(guò)HFSS進(jìn)行仿真計(jì)算可知，使用限幅航插方式的插入損耗和駐波比，都要優(yōu)于普通航插與限幅器相連接方式的插入損耗和駐波比，驗(yàn)證了其優(yōu)越性，并且限幅航插的設(shè)計(jì)可提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空間利用率。