一種基于半實物S參數仿真的T/R組件輸入駐波優化方法

劉建勇 陳興國 金雁冰 梁占剛

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088；2.安徽省天線與微波工程實驗室 合肥 230088)

0 引言

雷達收發組件(簡稱T/R組件)主要完成發射激勵信號的功率放大和回波信號的高靈敏度接收功能[1]，是有源相控陣雷達中裝機數量最多的核心部件。T/R組件的性能好壞直接影響著相控陣雷達的作用威力、波束指向精度、副瓣電平等技戰指標。

而接收鏈路的輸入電壓駐波比(以下簡稱輸入駐波)是T/R組件的一個重要指標，反應了接收鏈路輸入阻抗的失配程度。由于T/R組件接收鏈路一般包括SMP連接器、微帶板、限幅器等無源器件以及低噪放等有源器件，輸入駐波是各個器件駐波、增益/損耗等指標相互影響、相互疊加的結果。傳統的駐波優化方法一般是通過T/R組件多輪實物迭代設計進行驗證的過程，實現起來耗時費力。

本文介紹了一種新的輸入駐波優化方法，即通過接收鏈路半實物仿真來預估輸入駐波的指標，并通過對仿真電路中局部器件的分析與改進來優化輸入駐波。

1 接收鏈路輸入駐波仿真

1.1 輸入駐波影響因素分析

本文以某項目的T/R組件研制為例進行闡述，其接收鏈路具有如圖1所示的構型。

按照傳統設計方法對該電路進行了設計、加工、裝配和測試，其輸入駐波的實測曲線如圖2所示，在頻率低端駐波達到了2.6，超出了不大于2的設計指標預期。

從接收鏈路組成框圖上看，對輸入駐波有影響的器件主要有SMP連接器、過渡微帶板、極化選擇微帶板(含極化選擇開關)、限幅器、低噪放以及之間互聯的焊料與金絲，輸入駐波實際上是上述器件及其互聯的駐波級聯的結果。由于低噪放具有較大的反向隔離度，低噪放之后的電路對接收鏈路輸入駐波的影響不大，因此本文對低噪放之后的電路不予考慮。下面我們對逐個器件進行駐波分析。

1.2 實物S參數測量

對有實物的極化選擇微帶板、限幅器、低噪放等用矢量網絡分析儀進行了S參數的測量，其中駐波的測試結果分別如圖3～圖5所示。可見單獨的器件駐波特性都能滿足工程應用的要求。

1.3 模型S參數仿真

對于沒有實物或者不易通過測試來獲得S參數的則通過三維全波電磁仿真軟件HFSS進行建模仿真來得到S參數[2]。

考慮到極化選擇微帶板與限幅器之間、限幅器與低噪放之間采用金絲鍵合的方式進行射頻互聯，需要獲得金絲的S參數，建立仿真模型如圖6。通過端口去嵌入的方法得到金絲的駐波仿真曲線如圖7所示；從Smith圓圖上可見金絲在Ku頻段內具有較大的感性寄生效應，導致金絲互聯的駐波偏大。

圖8給出了SMP連接器和過渡微帶板的仿真模型，并通過端口去嵌入將過渡微帶板與極化選擇微帶板之間金絲互聯的影響也考慮進去了。由于過渡微帶板對金絲的寄生效應進行了補償，因此得到了圖9所示的良好的駐波仿真曲線。

1.4 接收鏈路電路仿真

通過ADS軟件建立T/R組件接收鏈路的電路仿真模型[3]如圖10，其中每個器件的模型用前述兩小節得到的測量和仿真S參數以S2P文件格式代入[4]。圖11給出了接收鏈路的各個器件級聯仿真的結果，對比該結果與圖2所示的駐波實測結果可以發現：除了頻率低端略有偏離外(這種偏離來源于仿真模型中SMP與過渡微帶板加工和手工焊接的誤差、手動鍵合帶來的實際金絲拱高和跨度與模型的偏離等因素)，二者曲線趨勢和駐波數值都較為吻合，這也佐證了這種基于半實物S參數仿真方法的可行性和正確性。

2 優化與改進

2.1 優化途徑

上節給出的基于半實物S參數的仿真方法提供了一種對T/R組件接收鏈路輸入駐波進行評估的手段，同時也指明了一條通過仿真分析進行輸入駐波優化的途徑。

分析圖11給出的接收鏈路仿真的Smith圓圖結果：在駐波超差的頻段15GHz～15.8GHz輸入阻抗呈強感性，這種感性阻抗主要來源于限幅器及金絲互聯帶來的寄生效應。那么為了實現較好的駐波，必須在電路中加入容性阻抗以達到良好的阻抗匹配。

考慮最小的改進代價和電路的易于實現性，我們選擇在極化選擇微帶板上與限幅器連接的端口處增加T型結來達到容性匹配的效果[5]。在HFSS中建立如圖12的仿真模型，通過端口去嵌入提取T型結和金絲互聯的S參數，調整T型結的長度和寬度，使得輸入阻抗呈容性，如圖13所示。

2.2 優化結果

采用圖12給出的T型結和金絲互聯模型得到的S參數替換圖10中極化選擇微帶板和限幅器之間的金絲模型，如圖14所示。根據接收鏈路電路仿真的結果對T型結的物理尺寸進行精細優化，使得仿真結果達到期望。

最終在T型結長度為0.47mm、寬度為0.75mm時，整個接收鏈路各器件級聯后仿真的輸入駐波達到最佳，如圖15所示，在工作頻段輸入駐波小于1.61，滿足工程使用指標要求。

3 實物驗證

根據仿真優化得到的T型結參數，對極化選擇微帶板進行了改進設計，并對改進后的三個T/R組件進行了加工、裝配和測試。圖16給出了這三個T/R組件的輸入駐波測試曲線，可以看到優化后工作頻帶內最大駐波為1.67，完全達到了輸入駐波不大于2的指標預期；對比圖2可以發現通過增加T型結進行容性匹配使得鏈路駐波得到了巨大改善；與圖15仿真曲線(即圖16種符號標識為▼的曲線)對比可以看出，優化后的輸入駐波實測結果與仿真曲線基本吻合，尤其是輸入駐波頻率高端以及整個工作頻帶內的變化趨勢都吻合較好；在頻率低端實測結果與仿真曲線之間以及多個T/R組件實測曲線之間略有偏離，這種偏差正如前所述來源于生產、裝配的不一致性以及其與設計的偏差。在批量化生產時，需要通過以下措施加強對過程的控制：

1) 對微帶板材料的介電常數、厚度等參數進行篩選，控制微帶線加工精度;

2) 定制SMP連接器焊料環、微帶板焊片，引入SMT焊接工藝替代手工焊接;

3) 將手動鍵合改為自動鍵合，固化金絲拱高、跨度等參數，提高與設計仿真的符合性。

總體來講，本文闡述的基于半實物S參數仿真的駐波優化方法達到了預期效果，方法可行、有效。

4 結束語

本文介紹了一種應用于T/R組件接收鏈路設計的輸入駐波優化方法，該方法通過部分器件實物的測量和其余部分的電磁建模仿真獲得S參數，通過ADS軟件建立接收鏈路各器件級聯后的電路仿真模型，從而對輸入駐波等指標進行評估并進行電路的優化設計，最終獲得了優良的輸入駐波等電路仿真指標，并經過實際電路驗證了該方法的正確性和有效性。這種基于半實物S參數仿真的駐波優化方法可替代傳統耗時費力的多輪實物迭代設計進行指標優化的粗拙手段，也為T/R組件精細化設計提供了一種重要思路。該方法已經成功應用于某國防項目有源相控陣雷達的Ku波段T/R組件設計中并取得了良好的使用效果。