毫米波電路中腔體效應仿真設計

博微太赫茲信息科技有限公司 中國電子科技集團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、雷達等技術發展，微波毫米波集成電路技術得到飛速發展，微波毫米波集成電路向小型化高集成度方向發展。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對組件性能的影響成為微波毫米波電路設計中不可忽視的重要問題。

腔體效應是指由組件的空間參數（形狀、尺寸）和電路分布參數等造成的寄生參量對微波組件傳輸及工作性能參數的影響。在微波毫米波集成電路組件中，由于腔體內部結構復雜，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分析與設計。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的方法。

1.微波腔體效應仿真設計

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

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計實例，介紹兩種腔體效應的HFSS仿真分析方法。

1.1 本征模式分析方法

根據電磁場理論[1]，矩形腔體內會存在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a，h，d長度方向上的駐波個數，根據上式可以計算矩形諧振腔的諧振頻率。但在實際的微波毫米波集成電路腔體中，由于其結構形態較為復雜，腔體內部元器件及外圍電路等都會對腔體的諧振特性會產生微擾作用，所以在實際的工程設計中，簡單的解析理論[2]計算是不完善的，可以借助專業的電磁仿真軟件進行仿真分析。為了提高仿真精度與準確性，仿真分析中應盡可能將芯片及其外圍電路按照其實際應用狀態代入仿真模型，進行整體仿真。

圖1 腔體效應仿真模型

其次，寬頻帶組件的真實工作頻率范圍往往寬于其標稱的工作頻率范圍，腔體效應仿真設計時，其諧振頻率應不能與實際工作頻率重合。

本文以一種W波段寬帶低噪聲放大器模塊腔體效應為例，介紹使用HFSS本征模式分析腔體效應的方法。圖1為低噪聲放大器模塊腔體效應仿真模型。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，傳輸微帶線等按實際應用形態帶入仿真模型，由于放大器芯片內部電路較為復雜，采用相應材質的50ohm微帶線代替。考慮到HFSS中建模較為復雜，通過第三方機械建模軟件SolidWorks導入，導入模型后再重新分配各元器件的材料屬性。

表I 65～120GHz范圍內腔體諧振頻率及其模數

選擇HFSS中Eigenmode求解器，設置最小求解頻率65GHz，求解模個數20。表I為頻率在65～120GHz范圍內，HFSS仿真本征模頻率與通過理論公式計算結果以及對應的模數。從表I的計算結果來看，65～120GHz范圍內腔體的最低階模數為（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，可認為該腔體狀態下不存在對組件工作穩定性造成影響的腔體效應。

對表I的數據分析發現，同一模數下理論計算的諧振頻率與仿真分析結果有明顯的不同，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生的微擾引起的，其振蕩特性發生了明顯的改變，所以在實際工程設計中，僅僅依靠理論模型分析腔體效應是不夠的，需要借助電磁仿真工具進行整體分析。

1.2 S參數分析方法

當元器件受到腔體效應影響不能穩定工作時，其S參數在腔體諧振頻率點處存在“特征尖峰”，這些“特征尖峰”對應的頻率點與腔體的諧振頻率相關，所以可通過HFSS仿真分析元器件在腔體內部的S參數來分析腔體的諧振特性。當S11與S21參數不存在明顯的“特征尖峰”時，可以認為腔體內部不存在影響微波電路的腔體效應。

圖2 腔體效應S參數法仿真結果

圖2為圖1仿真模型下S參數法仿真結果。選擇HFSS中Driven Modal求解器，設置兩個微帶線端口為Wave Port端口。從仿真結果來看，65～120GHz范圍內，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果是一致的，在65～120GHz范圍內腔體的諧振頻率對應的為高階模式，由于高階模式的電磁能量較弱，不會對腔體內特定頻段的微波毫米波組件工作性能及穩定性造成影響。

2.結論

本文介紹了利用HFSS本征模求解器與驅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分析方法，對實際的工程設計具有一定的指導意義。

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

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