仿真模型在T/R 組件修理中的應(yīng)用探索

房文/金陵機械制造總廠

0 引言

在相控陣技術(shù)迅速發(fā)展的今天，以相控陣技術(shù)為基礎(chǔ)的裝備已成為多平臺綜合電子戰(zhàn)和信息戰(zhàn)的核心裝備。T/R 組件作為相控陣裝備的核心部件，組成復(fù)雜、數(shù)量巨大，其性能在很大程度上決定著有源相控陣雷達的性 能。

T/R 組件電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試難度大，以往維修中多是依靠人為經(jīng)驗進行調(diào)試，可繼承性差、理論指導薄弱、對維修人員要求高，給批量修理帶來了困 難。

針對T/R 組件維修中遇到的難題，本項目采用X 射線CT 分層掃描、ADS高級仿真分析系統(tǒng)等軟硬件措施，開展T/R 組件微波電路結(jié)構(gòu)和微波特性故障仿真研究，建立T/R 組件微波特性故障分析模型，并將其運用到T/R 組件的修理中，探索T/R 組件修理新模 式。

1 T/R 組件修理難點與解決措施

1.1 修理難點

修理時，需要對T/R 組件進行快速測試及故障定位，然后進行故障元器件的更換、局部微電路的調(diào)試等修復(fù)工作。其修理難點主要體現(xiàn)在以下幾個方 面。

1）T/R 組件快速測試與故障定位。T/R 組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量多，修理中需要對組件進行快速測試與故障定位，才能保證修理效率。

2）T/R 組件微波電路阻抗匹配調(diào)試。T/R 組件散射參數(shù)（包含隔離、增益和回波損耗等）與微波電路阻抗匹配程度密切相關(guān)。只有掌握微波電路局部阻抗匹配調(diào)試技術(shù)及規(guī)律，才能有針對性地對T/R 組件S 參數(shù)離散、因阻抗失配導致組件性能下降等情況進行修 理。

3）T/R 組件微組裝工藝復(fù)雜。T/R組件中的電路大量采用了微組裝工藝，即采用環(huán)氧粘接、共晶焊接等工藝將裸芯片貼裝于基板表面，然后采用金絲/金帶鍵合實現(xiàn)器件間互連。在修理中如果故障定位不準，易造成器件反復(fù)拆裝，降低產(chǎn)品可靠性。

4）對維修人員要求高。目前T/R組件的修理多是依靠有經(jīng)驗的技術(shù)人員開展，這種做法可繼承性差、理論指導薄弱，給批量修理帶來了困難。

1.2 解決措施

針對上述難題，本項目試圖通過開展以下幾方面的研究，建立T/R 組件微波特性故障分析模型，形成T/R 組件故障查詢軟件，用以指導T/R 組件的修理工作。

1）T/R 組件微波特性故障模型的建立和研究

基于ADS 軟件，首先建立T/R 組件中單個器件的軟件模型，實現(xiàn)特定功能的仿真，之后調(diào)用多個仿真器，完成T/R 組件拓撲模型的研究，分析單級器件參數(shù)變化對組件輸出性能的影響規(guī)律。此外，依靠三維電磁場仿真軟件研究T/R 組件腔體效應(yīng)。

2）T/R 組件微波特性故障模型仿真對實際修理的指導研究

依據(jù)T/R 組件微波特性故障模型仿真研究結(jié)果，驗證模型的正確性，同時根據(jù)實際修理情況對模型進行優(yōu)化完善，對T/R 組件實際修理進行理論指 導。

2 ADS 仿真模型的建立

2.1 T/R 組件原理研究

本項目研究的某型T/R 組件通過天線向外發(fā)射微波大功率能量，接收回波小信號，進行低噪聲放大處理，同時通過其移相器和數(shù)控衰減器等電路，實現(xiàn)雷達有源天線系統(tǒng)發(fā)射波束和接收波束在空中的形成，實現(xiàn)雷達系統(tǒng)對波束的有序調(diào)配與控制。該型T/R 組件原理框圖如圖1 所示，包含發(fā)射通道（見 圖2）、接收通道（見圖3）和共用的驅(qū)動電路。

2.2 ADS 單級器件模型建立

ADS（Advanced Design System）軟件是Agilent 公司的高級設(shè)計系統(tǒng)，是專門面向微帶電路設(shè)計和仿真的EDA工具，利用該軟件可以進行微帶電路的優(yōu)化和仿真。

該型雷達T/R 組件包含多個單級器件，研究過程中利用ADS 軟件對其低噪聲放大器、收發(fā)開關(guān)、數(shù)控衰減器和移相器等單級器件逐個進行建模。下面以低噪聲放大器為例，闡述單級器件模型的建立與驗證。

低噪聲放大器如圖4 所示，其原理框圖如圖5 所示，雷達接收到的信號通過3dB 電橋A 功分為兩路等幅信號分別輸入兩路對稱的放大支路。任意一路發(fā)射支路中，功分后的信號通過限幅控制電路后輸入兩級功率放大電路，最后通過3dB 電橋B 合路輸 出。

通過ADS 軟件建立低噪聲放大器仿真模型。由圖6 所示的仿真結(jié)果可知，在頻段范圍內(nèi)，增益、噪聲系數(shù)能滿足器件的性能指標要求。

2.3 T/R 組件微波特性故障模型拓撲研究

1）ADS 原理圖仿真

通過ADS 仿真軟件搭建的T/R 組件原理圖（Schematic）模型如圖7 所示。其中低噪聲放大器、收發(fā)開關(guān)、數(shù)控衰減器和移相器等單級器件采用自行設(shè)計的器件模型；3dB 電橋、環(huán)形器和各級功率管直接使用ADS 自帶模型；通過實際測量得到基板厚度及50Ω 微帶線寬度，同時根據(jù)ADS 自帶的微帶線計算工具可反推出基板介電常數(shù)近似值，如圖8 所示。

模型通過控制碼K1、K2、K3、K4控制T/R 組件工作狀態(tài)：K1、K2 組合控制HMC245QS16 開關(guān)芯片的指向；K3 為接收保護開關(guān)，為1 時接收通道工作，為0 時接收通道關(guān)斷；K4 為功率開關(guān)，為1 時發(fā)射通道工作，為0 時不工作。

圖1 T/R組件原理框圖

圖2 T/R組件發(fā)射通道信號流程圖

圖3 T/R組件接收通道信號流程圖

圖4 低噪聲放大器電路板

圖5 低噪聲放大器原理框圖

圖6 低噪聲放大器仿真結(jié)果

圖7 T/R組件原理圖模型

圖8 微帶線計算工具界面

圖9 原理圖發(fā)射通道仿真結(jié)果

因此，當K1、K2、K3、K4分別為“0101”時，原理圖發(fā)射通道仿真結(jié)果如圖9 所示；當K1、K2、K3、K4 分別為“1010”時，原理圖接收通道仿真結(jié)果如圖10 所 示。

由仿真結(jié)果可知，發(fā)射通道增益、接收通道增益、接收通道噪聲系數(shù)均能滿足產(chǎn)品技術(shù)指標要求。

2）ADS 版圖生成

ADS 的版圖（Layout）仿真是采用矩量法（Momentum）直接對電磁場進行計算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準確。

生成版圖前，先將去除原理圖中所有器件、用于S 參數(shù)仿真的兩個Term控件接地，只保留微帶線。然后點擊菜單中的Layout →Generate/Update Layout，生成版圖。

版圖生成后，先設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)，考慮到基板與上蓋板之間的空間，特增加了一個8.5 mm 的空間層。然后點擊工具欄上的Port 按鈕，給版圖電路添加端口后，生成3D 模型，如圖11 所示。

3）聯(lián)合仿真

通過“l(fā)ookAlike”算法進行ADS原理圖和Layout 版圖的聯(lián)合仿真。

首先，通過ADS 軟件建立聯(lián)合仿真模型，如圖12 所示。

與原理圖仿真一樣，聯(lián)合仿真同樣通過控制碼K1、K2、K3、K4 控制T/R 組件工作狀態(tài)。當K1、K2、K3、K4分別為“0101”時，為發(fā)射通道工作狀態(tài)；當K1、K2、K3、K4 分別為“1010”時，為接收通道工作狀態(tài)。模型優(yōu)化后的發(fā)射通道聯(lián)合仿真結(jié)果如圖13 所示，接收通道聯(lián)合仿真結(jié)果如圖14 所 示。

由仿真結(jié)果可知，發(fā)射通道增益、接收通道增益、接收通道噪聲系數(shù)均能滿足產(chǎn)品技術(shù)指標要求。

圖10 原理圖接收通道仿真結(jié)果

圖11 T/R組件momentum3D模型

圖12 聯(lián)合仿真模型

3 仿真模型在T/R 組件修理中的應(yīng)用

3.1 T/R 組件虛擬維修技術(shù)應(yīng)用

在微波模塊修理中，電路失配會造成輸出功率小、移相精度差等常見故障，由于T/R 組件微波電路的輸入、輸出匹配對產(chǎn)品功能恢復(fù)有至關(guān)重要的作用，且不具有互換性、可借鑒性，因而調(diào)試時很大程度上依賴修理人員的 經(jīng)驗。

通過已建立的基于ADS 軟件的T/R組件仿真模型，可以對模型中的微帶電路參數(shù)與器件參數(shù)進行調(diào)整，并進行T/R 組件聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果不但可以指導實際修理工作，而且可用于T/R 組件修理的虛擬培訓。

例如，某T/R 組件的故檢結(jié)果為發(fā)射功率超差。根據(jù)故檢情況，更改仿真模型中微帶電路匹配參數(shù)（如微帶線寬度等），可以還原產(chǎn)品故障現(xiàn)象，仿真結(jié)果如圖15 所示。

實際修理時，修理人員根據(jù)仿真結(jié)果，有的放矢地調(diào)整了10W 功放電路中的微帶線，使其阻抗匹配后，發(fā)射功率測試合格。

3.2 建立T/R 組件微波特性類故障查詢系統(tǒng)

T/R 組件實際修理中的絕大多數(shù)故障為微波特性類故障，本項目通過改變T/R 組件仿真模型中的微帶線參數(shù)和單級元件參數(shù)特征，分析其對T/R 組件整體輸出的影響規(guī)律，逐步建立了某型T/R 組件故障查詢系統(tǒng)（見圖16），并將其模擬分析結(jié)果用于指導實際修理。該軟件將產(chǎn)品收發(fā)通道劃分為補償放大器電路、2.5W 功放電路、10W 功放電路、65W 功放電路、130W 功放電路、移相器電路、收發(fā)開關(guān)電路、限幅低噪聲放大器電路和數(shù)控衰減器電路。使用時，可以先將故障現(xiàn)象粗略定位于分電路，再根據(jù)分電路仿真情況，對故障點進行精確定位，提出修理方式建議。

圖13 發(fā)射通道聯(lián)合仿真結(jié)果

圖14 接收通道聯(lián)合仿真結(jié)果

圖15 故障還原仿真結(jié)果

圖16 某型T/R組件故障查詢軟件

4 結(jié)束語

T/R 組件作為有源相控陣雷達的核心部件，其數(shù)量之多、單部成本高已成為不爭的事實，實現(xiàn)T/R 組件深修精修是完成有源相控陣雷達修理的關(guān)鍵。以往在修理中依靠個人經(jīng)驗因素過多，可繼承性不強，缺乏系統(tǒng)上和理論上的深入分析。本項目立足于S 波段T/R 組件的測試維修開展基礎(chǔ)性研究，探索新的修理模式，可使前期積累的T/R 組件測試調(diào)試經(jīng)驗進一步上升到理論分析層面，其成果能夠應(yīng)用于目前S 波段T/R組件的深修精修。