T/R組件的路-場協同仿真模型研究

彭浩，焦龍飛，遲雷，宋瑛

（1.中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051； 2.國家半導體器件質量監督檢驗中心，石家莊 050051；3.河北工業職業技術學院，石家莊 050091）

引 言

在一部有源相控陣雷達中，T/R組件的數量少則幾十個，多則成千上萬個，是有源相控陣雷達的核心部件之一[1]。近些年，T/R組件大多采用基于GaN工藝的MMIC技術，外形尺寸越來越小，傳輸通道越來越多，集成規模越來越高，使用材料多、布局結構復雜、封裝密度大、功率密度高，腔體內電磁分布復雜；此外，T/R組件內部信號形式復雜，同時存在數字、模擬以及數模混合模式，而且信號頻域覆蓋數字至射頻，小信號與大功率信號并存，導致內部電磁環境錯綜復雜，經常在實際使用過程中出現電磁干擾、收發異常等問題，使T/R組件無法正常工作[2]。

在微波頻域，電磁的散射、耦合、泄露等問題已經不能忽略，單獨的有源電路仿真未能考慮到電磁能量對器件性能的影響，導致其仿真結果與實際偏差很大，已經不能全面正確的反應器件問題；而考慮電磁能量影響的路-場（電路-電磁場）協同仿真分析能夠較低成本、較高收益地發現問題產生的原因并通過有針對性的修改，實時查看改進效果，成為更加可靠的技術手段[3]。

因此，本文對一種在使用的T/R組件，從其物理原型出發，針對收發支路串擾、腔體諧振效應、孔隙泄露、傳輸線路不連續性和模塊間的耦合等方面問題，使用無源3D結構的電磁建模技術[4]進行了專業的3D電磁建模，通過有源電路系統模型，結合S參數文件，進而建立有源-無源3D電路/結構的協同仿真模型，加入由腔體諧振效應、孔隙泄露、多通道產生的分支電路耦合效應等電磁能量對內部電路的影響，得到考慮實際電磁特性的T/R組件微波電路系統指標數據。

1 模型研究

1.1 有限元算法

建模采用有限元算法[5]，此方法基于計算電磁學數值分析方法中的頻域微分方程技術，通過對物理原型進行3D建模，并設置材料屬性、激勵、邊界條件等，進行全波電磁場仿真，適應于各種復雜形狀3D模型的計算仿真，尤其是天線、微波器件/組件等的仿真，計算效率高、精度好。

1.2 無源3D結構的電磁建模技術

無源3D結構的電磁建模對仿真計算結果的影響比較大，特別是頻率比較高的Ku波段，電磁效應需要仔細考慮和對待，這方面工作是建模中的重點也是難點。不僅需要建立腔體模型，還要建立PCB（包括電路/走線等）的3D模型。

從模型組成來看，腔體是金屬結構，PCB板有薄層介質填充，PCB頂層表面是很薄的金屬走線及大面積金屬地，這樣的結構進行電磁仿真對仿真算法和模型都有比較高的要求。從模型角度看，3D電磁場仿真要獲得準確結果，前提是要采用基于物理原型的建模技術，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方體，整體可以近似看做空氣介質的矩形諧振腔，內部通過微波多芯片組件封裝技術將各類型芯片集成在電路板上，使用微帶線的形式實現信號傳播，由于腔體的尺寸一定，在特定頻率下，腔體的震蕩將會在傳輸線和器件上產生強烈的耦合，使得小信號驅動的組件模塊容易進入連續波工作模式，進一步導致后續功率管的損壞[6]。所以在前期設計時，需要根據實際工作的指標要求，建立精確的腔體諧振模型，避免腔體諧振的情況發生。對含有介質基板的矩形腔體，如圖1所示。

根據以上參數，可得出矩形腔的諧振頻率為：

圖1 含介質基板的諧振腔體

式中：

a、b、d—x、y、z方向的值；

εr和μr—腔體內的介電常數和磁導率。

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

T/R組件的微波電路系統既包含了無源的微帶傳輸線電路，也包含了重要的線性/非線性微波放大器有源電路。有源電路的建模技術需要在輸入資料有限（如放大器只有S參數，甚至沒有S參數）的情況下，準確的建立有源電路系統模型，下面簡要說明相關理論和技術：

1）諧波平衡法

通過諧波平衡分析法，使用FFT變換，將非線性系統在時域中描述，線性系統在頻域中描述。通過混合的頻域/時域分析技術，把電路狀態參量按照傅里葉級數進行展開，分解成多次諧波疊加的形式，展開項需要足夠多以降低高次諧波對最終結果的影響。

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

2）微波放大器建模技術

在實際的工程應用中，由于復雜的非線性效應和寄生參數效應，要獲得比較完整且準確的微波放大器電路模型（尤其非線性）是非常困難的，本文采用半實用模型進行建模，對不同工作條件下器件的微波輸入輸出特性曲線等進行全面測試，再利用這些曲線建立電路模型。不僅可以模擬線性放大電路特性，也可以模擬非線性（如功放）電路特性。本文使用的S參數模型也可歸入半實物模型一類，采用矢量網絡分析儀就可以測試出S參數數據。

1.4 有源-無源3D電路/結構的協同仿真技術

微波電路系統應用中的場路協同仿真，一直是重要且極具挑戰的工作。從技術而言，采用場-S參數模型-電路協同仿真模式，在無源3D物理模型進行準確電磁場仿真后，并不直接動態鏈接到電路系統環境；而是先輸出完整的S參數模型，再將S參數模型作為電路系統部件加入到電路系統環境中進行場路協同仿真。這種方式計算效率高，且精度可靠，是目前常用的技術形式。也是本文采用的技術模式。

2 模型設計

2.1 無源3D結構電磁模型設計

通常情況，T/R組件主要由金屬腔體模型、PCB走線/介質基板、同軸連接器等模型構成[7]。在模型設計時，預先需要準備必要的輸入信息，例如：PCB文件，裝配圖，結構示意圖，電路原理示意圖等。同時，PCB電路板作為T/R組件的核心部件，為保證建模的精確度，嚴格規定其各部分材料特性，各方面參數須與實際板材完全一致。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/R組件隔離內外部空間的封閉性腔體，對外能夠屏蔽外部電磁信號對T/R組件的干擾，對內能夠合理規劃布局避免腔體振蕩等負面效應，并且信號通道通過微帶傳輸線結合輸入輸出的同軸接頭進出于金屬腔體，因此腔體模型的匹配度與精細度嚴重影響電磁場強分布的準確性，在此需要對腔體進行1:1模型設計，充分考慮腔體材質、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

通過充分考慮PCB電路板與金屬腔體匹配度，結合裝配圖、結構圖等文件，特別處理邊界接觸及連接問題，完成無源3D結構電磁模型設計，如圖3所示。

2.2 有源電路系統模型設計

在有源電路系統模型設計中，需要根據實際應用條件，測試不同工作條件下T/R組件的微波性能，得到輸入輸出特性曲線。由于T/R組件工作在Ku波段，需要注意測試鏈路的完整性以及高頻信號傳輸衰減，同時使用諧波平衡法分析非線性電路中的互調失真、幅相一致性、雜波抑制、噪聲系數和寄生參量等因素對測試結果的影響，結合以上因素，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，同時結合其實際的物理結構以及有源電路信號通路，得到T/R組件有源電路系統模型，如圖4所示。

2.3 有源-無源3D電路/結構模型設計

在完成以上的基礎建模之后，分別得到了無源3D結構電磁模型和有源電路系統模型，如何將兩者有機的結合在一起，是需要考慮的關鍵問題。

圖3 無源3D結構電磁模型

圖4 有源電路系統模型

圖5 有源-無源3D電路/結構模型

傳統方法是將兩者簡單直接動態鏈接協同，減少模型中間多次轉換的環節，看似操作簡潔，但計算速度和效率很低，精度不理想，實用性很差。除非電磁場仿真規模小，模型比較簡單，而T/R組件屬于高頻率高精度復雜器件，該方法難以適用。

本文采用場-S參數模型-電路協同仿真模式，通過完整的S參數模型將兩個獨立模型鏈接為一個有機整體。因此需要重點針對無源3D結構電磁模型，模擬實際的工作參數，設置仿真頻率、網格剖分頻點和掃頻范圍等仿真條件，考慮效率和速率的平衡點，進行有限元網格剖分，并完成迭代收斂，得到S參數模型。通過引入S參數模型，建立了完整的有源-無源3D電路/結構模型，如圖5所示。

3 仿真結果

在模型設計完成之后，重點考慮從T/R組件4個天線接收輸入信號，到組件的信號輸出端輸出信號的四通道電路系統，設置合適的激勵輸入條件，進行有源-無源3D電路/結構的協同仿真。獲得信號激勵下的T/R組件腔體內的場強分布，以及輸入輸出VSWR駐波比、通道增益、噪聲系數等指標參數。

3.1 腔體內部場強分布

輸入信號激勵下四通道同時工作時腔體內部的場強分布，如圖6、圖7所示。

3.2 輸入輸出駐波比VSWR

T/R組件通道1電路系統的駐波比特性曲線，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，如圖10所示。

3.4 噪聲系數

T/R組件通道1的噪聲系數曲線，如圖11所示。

3.5 非線性壓縮特性（輸入P-1）

T/R組件通道1輸入信號激勵時的非線性放大壓縮特性曲線，如圖12所示。

3.6 幅度/相位一致性

T/R組件通道1的幅度和相位相關曲線，如圖13、圖14所示。

從仿真獲得的場強分布結果可以看到，在輸入信號激勵下，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域。由于合路器的分支電路耦合效應，工作通道的信號能量有一部分會耦合到其他分支通道中。

金屬腔體結構對電磁信號起到了屏蔽作用，避免了電磁能量的輻射外泄，但同時由于金屬腔體內壁的反射作用和腔體效應，會產生一定的腔體諧振效應，從電磁仿真分析來看，該組件的工作頻段避開了諧振頻點。

圖6 腔體內部空間場強分布

圖7 腔體內部PCB電路板附近場強分布

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

圖11 T/R組件通道1的噪聲系數NF曲線

圖12 T/R組件通道1非線性功率壓縮（P-1）曲線

圖13 T/R組件通道1的幅度曲線

圖14 T/R組件通道1的相位曲線

4 驗證與分析

為驗證有源-無源3D電路/結構模型的正確性與準確性，搭建實際的測試平臺，使用矢量網絡分析儀，校準測試鏈路，設置與仿真一致的激勵條件，測試T/R組件的微波性能參數。同時加入有源電路模型仿真結果，直觀的比較三種結果。

對T/R組件進行微波電性能測試，測試數據如表1所示。

增益平坦度的測試數據如表2所示。

通過結果對比分析，可以看到相比于單獨有源電路仿真，路-場協同仿真更接近實際測試結果。由于未考慮腔體內部空間電磁場分布影響，有源電路仿真最理想化，性能最好，但與實際測試結果相差較大，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-無源3D電路/結構的協同仿真結果變差，各項參數均有不同程度的下降，但與實際情況下的測試結果更接近，更具備可參考性。

表1 電性能仿真結果與實測結果

表2 增益平坦度仿真結果與實測結果

分析以上原因，由于T/R組件采用多芯片組裝形式實現，基于可靠性和密封性要求，其電路封裝于金屬殼體中，形成微波腔體結構[8]。如果工作頻率高于腔體波導的截止頻率，腔體內就可能產生波導型的傳播。并且在電路中的微波元器件、金絲連接和微帶線的不均勻處都會產生微波輻射，其中功放器件及大功率傳輸路徑上的不連續性造成的輻射尤其嚴重，這些輻射在腔體內傳播會形成反饋、增益波紋和降低隔離度[9]。這些因素在傳統的有源電路仿真模型中并未考慮在內，因此反應的是理想化的器件性能；而通過對T/R組件精細化的電磁結構建模，結合路-場協同仿真，彌補了傳統仿真模型的缺陷。

綜上所述，由于實際制作及加工工藝限制，在電路布局、通道信號隔離、信號互聯和腔體密封等方面均難以達到理想的狀態，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題，這些問題在器件工作中會帶來潛在的失效風險，而在設計初期，通過更加細致規范的建模工具，有源-無源3D電路/結構的協同仿真技術，將腔體內部電磁場的影響因素考慮在內，更精確的反應T/R組件將來實際存在的問題，進而采取相應的措施減小并改進問題。

通常在T/R組件設計時應使工作頻帶避開并遠離腔體本征諧振頻率，另外依據T/R組件腔體內電磁場分布數據，應減小敏感元器件附近場強，比如加貼吸波材料等方法；并且針對大功率鏈路應采取必要的隔離措施降低對周圍空間的干擾[10]。這樣可以盡量在設計階段將電磁影響降低至可控范圍內，減小器件實際使用中的風險，提高器件的可靠性。

5 結論

本文從T/R組件物理模型出發，考慮材料屬性，外部激勵，邊界條件、仿真頻率等參數，采用有限元算法、無源3D結構的電磁建模技術以及有源電路的建模技術，建立了有源-無源3D電路/結構的協同仿真模型，得到了與實際更接近T/R組件腔體內部的電磁場能量分布情況以及整體與端口的性能指標。分析了可能產生電磁影響的潛在因素，并針對性的提出了改進意見。