T/R組件的路-場(chǎng)協(xié)同仿真模型研究

彭浩，焦龍飛，遲雷，宋瑛

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051； 2.國(guó)家半導(dǎo)體器件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，石家莊 050051；3.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，石家莊 050091）

引 言

在一部有源相控陣?yán)走_(dá)中，T/R組件的數(shù)量少則幾十個(gè)，多則成千上萬(wàn)個(gè)，是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件之一[1]。近些年，T/R組件大多采用基于GaN工藝的MMIC技術(shù)，外形尺寸越來(lái)越小，傳輸通道越來(lái)越多，集成規(guī)模越來(lái)越高，使用材料多、布局結(jié)構(gòu)復(fù)雜、封裝密度大、功率密度高，腔體內(nèi)電磁分布復(fù)雜；此外，T/R組件內(nèi)部信號(hào)形式復(fù)雜，同時(shí)存在數(shù)字、模擬以及數(shù)?；旌夏Ｊ?，而且信號(hào)頻域覆蓋數(shù)字至射頻，小信號(hào)與大功率信號(hào)并存，導(dǎo)致內(nèi)部電磁環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，經(jīng)常在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)電磁干擾、收發(fā)異常等問(wèn)題，使T/R組件無(wú)法正常工作[2]。

在微波頻域，電磁的散射、耦合、泄露等問(wèn)題已經(jīng)不能忽略，單獨(dú)的有源電路仿真未能考慮到電磁能量對(duì)器件性能的影響，導(dǎo)致其仿真結(jié)果與實(shí)際偏差很大，已經(jīng)不能全面正確的反應(yīng)器件問(wèn)題；而考慮電磁能量影響的路-場(chǎng)（電路-電磁場(chǎng)）協(xié)同仿真分析能夠較低成本、較高收益地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題產(chǎn)生的原因并通過(guò)有針對(duì)性的修改，實(shí)時(shí)查看改進(jìn)效果，成為更加可靠的技術(shù)手段[3]。

因此，本文對(duì)一種在使用的T/R組件，從其物理原型出發(fā)，針對(duì)收發(fā)支路串?dāng)_、腔體諧振效應(yīng)、孔隙泄露、傳輸線(xiàn)路不連續(xù)性和模塊間的耦合等方面問(wèn)題，使用無(wú)源3D結(jié)構(gòu)的電磁建模技術(shù)[4]進(jìn)行了專(zhuān)業(yè)的3D電磁建模，通過(guò)有源電路系統(tǒng)模型，結(jié)合S參數(shù)文件，進(jìn)而建立有源-無(wú)源3D電路/結(jié)構(gòu)的協(xié)同仿真模型，加入由腔體諧振效應(yīng)、孔隙泄露、多通道產(chǎn)生的分支電路耦合效應(yīng)等電磁能量對(duì)內(nèi)部電路的影響，得到考慮實(shí)際電磁特性的T/R組件微波電路系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

1 模型研究

1.1 有限元算法

建模采用有限元算法[5]，此方法基于計(jì)算電磁學(xué)數(shù)值分析方法中的頻域微分方程技術(shù)，通過(guò)對(duì)物理原型進(jìn)行3D建模，并設(shè)置材料屬性、激勵(lì)、邊界條件等，進(jìn)行全波電磁場(chǎng)仿真，適應(yīng)于各種復(fù)雜形狀3D模型的計(jì)算仿真，尤其是天線(xiàn)、微波器件/組件等的仿真，計(jì)算效率高、精度好。

1.2 無(wú)源3D結(jié)構(gòu)的電磁建模技術(shù)

無(wú)源3D結(jié)構(gòu)的電磁建模對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果的影響比較大，特別是頻率比較高的Ku波段，電磁效應(yīng)需要仔細(xì)考慮和對(duì)待，這方面工作是建模中的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。不僅需要建立腔體模型，還要建立PCB（包括電路/走線(xiàn)等）的3D模型。

從模型組成來(lái)看，腔體是金屬結(jié)構(gòu)，PCB板有薄層介質(zhì)填充，PCB頂層表面是很薄的金屬走線(xiàn)及大面積金屬地，這樣的結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁仿真對(duì)仿真算法和模型都有比較高的要求。從模型角度看，3D電磁場(chǎng)仿真要獲得準(zhǔn)確結(jié)果，前提是要采用基于物理原型的建模技術(shù)，也就是3D物理建模。

1）腔體諧振模型

T/R組件的腔體形狀一般是長(zhǎng)方體，整體可以近似看做空氣介質(zhì)的矩形諧振腔，內(nèi)部通過(guò)微波多芯片組件封裝技術(shù)將各類(lèi)型芯片集成在電路板上，使用微帶線(xiàn)的形式實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳播，由于腔體的尺寸一定，在特定頻率下，腔體的震蕩將會(huì)在傳輸線(xiàn)和器件上產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合，使得小信號(hào)驅(qū)動(dòng)的組件模塊容易進(jìn)入連續(xù)波工作模式，進(jìn)一步導(dǎo)致后續(xù)功率管的損壞[6]。所以在前期設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際工作的指標(biāo)要求，建立精確的腔體諧振模型，避免腔體諧振的情況發(fā)生。對(duì)含有介質(zhì)基板的矩形腔體，如圖1所示。

根據(jù)以上參數(shù)，可得出矩形腔的諧振頻率為：

圖1 含介質(zhì)基板的諧振腔體

式中：

a、b、d—x、y、z方向的值；

εr和μr—腔體內(nèi)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。

如果b＜a＜d，則基模TE101模諧振頻率為：

TE101模式下的模型表示為：

1.3 有源電路的建模技術(shù)

T/R組件的微波電路系統(tǒng)既包含了無(wú)源的微帶傳輸線(xiàn)電路，也包含了重要的線(xiàn)性/非線(xiàn)性微波放大器有源電路。有源電路的建模技術(shù)需要在輸入資料有限（如放大器只有S參數(shù)，甚至沒(méi)有S參數(shù)）的情況下，準(zhǔn)確的建立有源電路系統(tǒng)模型，下面簡(jiǎn)要說(shuō)明相關(guān)理論和技術(shù)：

1）諧波平衡法

通過(guò)諧波平衡分析法，使用FFT變換，將非線(xiàn)性系統(tǒng)在時(shí)域中描述，線(xiàn)性系統(tǒng)在頻域中描述。通過(guò)混合的頻域/時(shí)域分析技術(shù)，把電路狀態(tài)參量按照傅里葉級(jí)數(shù)進(jìn)行展開(kāi)，分解成多次諧波疊加的形式，展開(kāi)項(xiàng)需要足夠多以降低高次諧波對(duì)最終結(jié)果的影響。

本文中使用諧波平衡法分析非線(xiàn)性電路中的互調(diào)失真、幅相一致性、雜波抑制、噪聲系數(shù)和寄生參量等。

2）微波放大器建模技術(shù)

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于復(fù)雜的非線(xiàn)性效應(yīng)和寄生參數(shù)效應(yīng)，要獲得比較完整且準(zhǔn)確的微波放大器電路模型（尤其非線(xiàn)性）是非常困難的，本文采用半實(shí)用模型進(jìn)行建模，對(duì)不同工作條件下器件的微波輸入輸出特性曲線(xiàn)等進(jìn)行全面測(cè)試，再利用這些曲線(xiàn)建立電路模型。不僅可以模擬線(xiàn)性放大電路特性，也可以模擬非線(xiàn)性（如功放）電路特性。本文使用的S參數(shù)模型也可歸入半實(shí)物模型一類(lèi)，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀就可以測(cè)試出S參數(shù)數(shù)據(jù)。

1.4 有源-無(wú)源3D電路/結(jié)構(gòu)的協(xié)同仿真技術(shù)

微波電路系統(tǒng)應(yīng)用中的場(chǎng)路協(xié)同仿真，一直是重要且極具挑戰(zhàn)的工作。從技術(shù)而言，采用場(chǎng)-S參數(shù)模型-電路協(xié)同仿真模式，在無(wú)源3D物理模型進(jìn)行準(zhǔn)確電磁場(chǎng)仿真后，并不直接動(dòng)態(tài)鏈接到電路系統(tǒng)環(huán)境；而是先輸出完整的S參數(shù)模型，再將S參數(shù)模型作為電路系統(tǒng)部件加入到電路系統(tǒng)環(huán)境中進(jìn)行場(chǎng)路協(xié)同仿真。這種方式計(jì)算效率高，且精度可靠，是目前常用的技術(shù)形式。也是本文采用的技術(shù)模式。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)源3D結(jié)構(gòu)電磁模型設(shè)計(jì)

通常情況，T/R組件主要由金屬腔體模型、PCB走線(xiàn)/介質(zhì)基板、同軸連接器等模型構(gòu)成[7]。在模型設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)先需要準(zhǔn)備必要的輸入信息，例如：PCB文件，裝配圖，結(jié)構(gòu)示意圖，電路原理示意圖等。同時(shí)，PCB電路板作為T(mén)/R組件的核心部件，為保證建模的精確度，嚴(yán)格規(guī)定其各部分材料特性，各方面參數(shù)須與實(shí)際板材完全一致。本文所使用的PCB板材為RT6002，厚度為10 mil。

另外，金屬腔體作為T(mén)/R組件隔離內(nèi)外部空間的封閉性腔體，對(duì)外能夠屏蔽外部電磁信號(hào)對(duì)T/R組件的干擾，對(duì)內(nèi)能夠合理規(guī)劃布局避免腔體振蕩等負(fù)面效應(yīng)，并且信號(hào)通道通過(guò)微帶傳輸線(xiàn)結(jié)合輸入輸出的同軸接頭進(jìn)出于金屬腔體，因此腔體模型的匹配度與精細(xì)度嚴(yán)重影響電磁場(chǎng)強(qiáng)分布的準(zhǔn)確性，在此需要對(duì)腔體進(jìn)行1:1模型設(shè)計(jì)，充分考慮腔體材質(zhì)、形狀、縫隙、連接孔等因素的影響，建立3D金屬腔體模型，如圖2所示。

圖2 3D金屬腔體模型

通過(guò)充分考慮PCB電路板與金屬腔體匹配度，結(jié)合裝配圖、結(jié)構(gòu)圖等文件，特別處理邊界接觸及連接問(wèn)題，完成無(wú)源3D結(jié)構(gòu)電磁模型設(shè)計(jì)，如圖3所示。

2.2 有源電路系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

在有源電路系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件，測(cè)試不同工作條件下T/R組件的微波性能，得到輸入輸出特性曲線(xiàn)。由于T/R組件工作在Ku波段，需要注意測(cè)試鏈路的完整性以及高頻信號(hào)傳輸衰減，同時(shí)使用諧波平衡法分析非線(xiàn)性電路中的互調(diào)失真、幅相一致性、雜波抑制、噪聲系數(shù)和寄生參量等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，結(jié)合以上因素，首先建立放大器電路基本模型。

考慮到本文所使用的T/R組件為四通路傳輸器件，同時(shí)結(jié)合其實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)以及有源電路信號(hào)通路，得到T/R組件有源電路系統(tǒng)模型，如圖4所示。

2.3 有源-無(wú)源3D電路/結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

在完成以上的基礎(chǔ)建模之后，分別得到了無(wú)源3D結(jié)構(gòu)電磁模型和有源電路系統(tǒng)模型，如何將兩者有機(jī)的結(jié)合在一起，是需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖3 無(wú)源3D結(jié)構(gòu)電磁模型

圖4 有源電路系統(tǒng)模型

圖5 有源-無(wú)源3D電路/結(jié)構(gòu)模型

傳統(tǒng)方法是將兩者簡(jiǎn)單直接動(dòng)態(tài)鏈接協(xié)同，減少模型中間多次轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，看似操作簡(jiǎn)潔，但計(jì)算速度和效率很低，精度不理想，實(shí)用性很差。除非電磁場(chǎng)仿真規(guī)模小，模型比較簡(jiǎn)單，而T/R組件屬于高頻率高精度復(fù)雜器件，該方法難以適用。

本文采用場(chǎng)-S參數(shù)模型-電路協(xié)同仿真模式，通過(guò)完整的S參數(shù)模型將兩個(gè)獨(dú)立模型鏈接為一個(gè)有機(jī)整體。因此需要重點(diǎn)針對(duì)無(wú)源3D結(jié)構(gòu)電磁模型，模擬實(shí)際的工作參數(shù)，設(shè)置仿真頻率、網(wǎng)格剖分頻點(diǎn)和掃頻范圍等仿真條件，考慮效率和速率的平衡點(diǎn)，進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，并完成迭代收斂，得到S參數(shù)模型。通過(guò)引入S參數(shù)模型，建立了完整的有源-無(wú)源3D電路/結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。

3 仿真結(jié)果

在模型設(shè)計(jì)完成之后，重點(diǎn)考慮從T/R組件4個(gè)天線(xiàn)接收輸入信號(hào)，到組件的信號(hào)輸出端輸出信號(hào)的四通道電路系統(tǒng)，設(shè)置合適的激勵(lì)輸入條件，進(jìn)行有源-無(wú)源3D電路/結(jié)構(gòu)的協(xié)同仿真。獲得信號(hào)激勵(lì)下的T/R組件腔體內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)分布，以及輸入輸出VSWR駐波比、通道增益、噪聲系數(shù)等指標(biāo)參數(shù)。

3.1 腔體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布

輸入信號(hào)激勵(lì)下四通道同時(shí)工作時(shí)腔體內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)分布，如圖6、圖7所示。

3.2 輸入輸出駐波比VSWR

T/R組件通道1電路系統(tǒng)的駐波比特性曲線(xiàn)，如圖8、圖9所示。

3.3 通道增益/增益平坦度

T/R組件通道1的增益曲線(xiàn)，如圖10所示。

3.4 噪聲系數(shù)

T/R組件通道1的噪聲系數(shù)曲線(xiàn)，如圖11所示。

3.5 非線(xiàn)性壓縮特性（輸入P-1）

T/R組件通道1輸入信號(hào)激勵(lì)時(shí)的非線(xiàn)性放大壓縮特性曲線(xiàn)，如圖12所示。

3.6 幅度/相位一致性

T/R組件通道1的幅度和相位相關(guān)曲線(xiàn)，如圖13、圖14所示。

從仿真獲得的場(chǎng)強(qiáng)分布結(jié)果可以看到，在輸入信號(hào)激勵(lì)下，電磁能量主要集中在組件的分支通道電路-主通道及附近空間區(qū)域。由于合路器的分支電路耦合效應(yīng)，工作通道的信號(hào)能量有一部分會(huì)耦合到其他分支通道中。

金屬腔體結(jié)構(gòu)對(duì)電磁信號(hào)起到了屏蔽作用，避免了電磁能量的輻射外泄，但同時(shí)由于金屬腔體內(nèi)壁的反射作用和腔體效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生一定的腔體諧振效應(yīng)，從電磁仿真分析來(lái)看，該組件的工作頻段避開(kāi)了諧振頻點(diǎn)。

圖6 腔體內(nèi)部空間場(chǎng)強(qiáng)分布

圖7 腔體內(nèi)部PCB電路板附近場(chǎng)強(qiáng)分布

圖8 輸入駐波比VSWR

圖9 輸出駐波比VSWR

圖10 T/R組件通道1的增益曲線(xiàn)

圖11 T/R組件通道1的噪聲系數(shù)NF曲線(xiàn)

圖12 T/R組件通道1非線(xiàn)性功率壓縮（P-1）曲線(xiàn)

圖13 T/R組件通道1的幅度曲線(xiàn)

圖14 T/R組件通道1的相位曲線(xiàn)

4 驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證有源-無(wú)源3D電路/結(jié)構(gòu)模型的正確性與準(zhǔn)確性，搭建實(shí)際的測(cè)試平臺(tái)，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，校準(zhǔn)測(cè)試鏈路，設(shè)置與仿真一致的激勵(lì)條件，測(cè)試T/R組件的微波性能參數(shù)。同時(shí)加入有源電路模型仿真結(jié)果，直觀的比較三種結(jié)果。

對(duì)T/R組件進(jìn)行微波電性能測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

增益平坦度的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析，可以看到相比于單獨(dú)有源電路仿真，路-場(chǎng)協(xié)同仿真更接近實(shí)際測(cè)試結(jié)果。由于未考慮腔體內(nèi)部空間電磁場(chǎng)分布影響，有源電路仿真最理想化，性能最好，但與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相差較大，可參考性較差。而將電磁能量的分布與影響加入模型后，有源-無(wú)源3D電路/結(jié)構(gòu)的協(xié)同仿真結(jié)果變差，各項(xiàng)參數(shù)均有不同程度的下降，但與實(shí)際情況下的測(cè)試結(jié)果更接近，更具備可參考性。

表1 電性能仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果

表2 增益平坦度仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果

分析以上原因，由于T/R組件采用多芯片組裝形式實(shí)現(xiàn)，基于可靠性和密封性要求，其電路封裝于金屬殼體中，形成微波腔體結(jié)構(gòu)[8]。如果工作頻率高于腔體波導(dǎo)的截止頻率，腔體內(nèi)就可能產(chǎn)生波導(dǎo)型的傳播。并且在電路中的微波元器件、金絲連接和微帶線(xiàn)的不均勻處都會(huì)產(chǎn)生微波輻射，其中功放器件及大功率傳輸路徑上的不連續(xù)性造成的輻射尤其嚴(yán)重，這些輻射在腔體內(nèi)傳播會(huì)形成反饋、增益波紋和降低隔離度[9]。這些因素在傳統(tǒng)的有源電路仿真模型中并未考慮在內(nèi)，因此反應(yīng)的是理想化的器件性能；而通過(guò)對(duì)T/R組件精細(xì)化的電磁結(jié)構(gòu)建模，結(jié)合路-場(chǎng)協(xié)同仿真，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)仿真模型的缺陷。

綜上所述，由于實(shí)際制作及加工工藝限制，在電路布局、通道信號(hào)隔離、信號(hào)互聯(lián)和腔體密封等方面均難以達(dá)到理想的狀態(tài)，這些造成了電磁空間分布不均勻、電磁腔體泄露、通道間電磁干擾等問(wèn)題，這些問(wèn)題在器件工作中會(huì)帶來(lái)潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)，而在設(shè)計(jì)初期，通過(guò)更加細(xì)致規(guī)范的建模工具，有源-無(wú)源3D電路/結(jié)構(gòu)的協(xié)同仿真技術(shù)，將腔體內(nèi)部電磁場(chǎng)的影響因素考慮在內(nèi)，更精確的反應(yīng)T/R組件將來(lái)實(shí)際存在的問(wèn)題，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施減小并改進(jìn)問(wèn)題。

通常在T/R組件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使工作頻帶避開(kāi)并遠(yuǎn)離腔體本征諧振頻率，另外依據(jù)T/R組件腔體內(nèi)電磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，應(yīng)減小敏感元器件附近場(chǎng)強(qiáng)，比如加貼吸波材料等方法；并且針對(duì)大功率鏈路應(yīng)采取必要的隔離措施降低對(duì)周?chē)臻g的干擾[10]。這樣可以盡量在設(shè)計(jì)階段將電磁影響降低至可控范圍內(nèi)，減小器件實(shí)際使用中的風(fēng)險(xiǎn)，提高器件的可靠性。

5 結(jié)論

本文從T/R組件物理模型出發(fā)，考慮材料屬性，外部激勵(lì)，邊界條件、仿真頻率等參數(shù)，采用有限元算法、無(wú)源3D結(jié)構(gòu)的電磁建模技術(shù)以及有源電路的建模技術(shù)，建立了有源-無(wú)源3D電路/結(jié)構(gòu)的協(xié)同仿真模型，得到了與實(shí)際更接近T/R組件腔體內(nèi)部的電磁場(chǎng)能量分布情況以及整體與端口的性能指標(biāo)。分析了可能產(chǎn)生電磁影響的潛在因素，并針對(duì)性的提出了改進(jìn)意見(jiàn)。