超宽带变频组件的容差分析

孙 彪，王 勇

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



超宽带变频组件的容差分析

孙 彪，王 勇

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

介绍了电子线路容差分析的基本原理，采用蒙特卡罗模拟方法对6.0～18.0GHz超宽带微波变频组件电路进行容差特性分析,针对组件链路中功率增益和噪声系数，提出新的优化思路，并给出了相关器件参数的容差范围。模拟结果表明，调整元器件的重要参数，可以改变容差特性。研究为提高组件的可靠性提供了很好的参考依据。

容差分析；蒙特卡罗；噪声系数；可靠性

0 引 言

在电子产品设计中，容差分析是判定电路设计可靠性非常重要的依据之一，由于制造工艺和实际工作环境等因素影响，电路元器件难免会发生参数飘移，即设计值与实际使用测量值存在偏差，这种偏差会导致产品可靠性下降，进而影响产品的性能[1-2]。为了避免这种情况在电子产品设计初期发生，一般需要引用容差分析方法，其对保证电路可靠性和稳定性有十分重要的实用价值。本文基于MATLAB软件实现了超宽带微波变频组件的容差分析，研究了容差分析对组件设计的影响。

1 容差分析

容差分析就是在给定电路元器件参数容差范围的条件下，计算元器件参数变化对电路性能的影响。容差分析的一般程序如图1所示，通过容差分析，可以发现设计电路中元器件的容差对性能影响的大小，从而优化电路设计，将电路的误差控制在可靠的范围内[2-4]。

容差分析一般是采用统计的方法，即利用元器件已知的偏离范围和各个参数的随机分布情况计算整个电路特性的分布规律。如用元器件的实际分布数据，模拟大量由这类分布中随机选取的元器件组成电子线路特性，对这样一组随机元器件数值进行重复计算和分析。蒙特卡罗分析方法就是在指定的分布函数和容差范围内随机地选取元器件及电子线路工作条件参数，再进行大量的计算，从而分析出电子线路性能的偏差。对设计者来说，用蒙特卡罗分析方法更接近实际。本文针对6～18GHz幅相一致变频组件，利用蒙特-卡罗方法分析其主要指标的容差范围。

常用电子线路容差分析的模拟仿真软件是Pspice软件[5]，它提供了蒙特卡罗分析和最坏情况分析2种方法。考虑Pspice一般只适用于小规模系统元器件级模拟仿真，MathWork公司推出的高性能数值计算和可视化软件MATLAB，其在数值分析、矩阵运算、信号处理和图形处理方面有很大的优势。因此，本文提出了一种新的容差分析方法，即采用MATLAB软件，利用方程求解,从理论上对变频组件的电路系统进行容差分析。

2 分析过程

2.1 设计方案

根据要求，6～18GHz幅相一致变频组件在设计过程有很多重要技术指标，如杂散抑制、噪声系数、输出功率、灵敏度控制等，以下只针对增益及噪声系数进行容差分析。表1给出了组件中设计的主要元器件增益及噪声系数设计值。

2.2 分析方法

由组件功率增益和噪声系数的定义很容易得出：

(1) 各元器件的功率增益之和为单组件的总增益，如表1中，组件总功率增益为39.5dB。

(2) 根据噪声系数的定义，对应N级级联接收机系统，噪声系数为：

(1)

式中:第1级的噪声系数为F1，增益为G1；第2级的噪声系数为F2，增益为G2；第3级的噪声系数为F3，增益为G3，依次类推。

从上述公式可以看出，在进行容差分析时，很难求得每个变量对应的相对误差，为此可以利用绝对误差公式逐个计算。

表1 噪声系数分析

由公式(1)得到：

(2)

(3)

利用公式(2)和(3),可以求出基于各变量的容差变化量为：

(4)

则最终所求的基于容差的输出值为：

F容差′=F0±ΔF0

(5)

同理，组件功率总增益为：

G容差′=G0总±ΔG0总

(6)

2.3 判定标准及结果分析

针对功率增益和噪声系数，设置功率增益容差标称值为组件总功率增益39.5dB，其对应的容差范围为39.5±4dB，噪声系数容差标称值为组件级联总噪声系数5.7，其对应的容差范围为5.7±0.5，且在模拟过程中容差范围以外的值出现概率控制在千分之一以内，判定此时对应的各元器件容差设定值为合理。

根据上述步骤，设置随机数为均匀分布并进行10 000次蒙特-卡罗模拟计算，计算结果如图2所示。其中横坐标表示变频组件输出端口功率增益值，纵坐标表示各增益值在模拟过程中出现的概率分布，所有增益值出现概率的总和为1。图2(a)为每个元器件给定30%左右容差值的情况下对应的输出增益值分布情况，可以看出增益值为60dB时概率超过2%，远远超出总增益的±4dB的容差范围及出现概率，不能满足设计要求；根据公式计算并设定每个元器件的容差范围，详见表2。图2(b)为10 000次模拟计算后增益值出现概率分布情况，可以看出，增益容差范围为39.5±4dB以外的概率都小于千分之一，即超过容差范围的值出现概率极小，满足容差设计要求。

图2 功率增益容差分析图

同理，以元器件的增益和各级噪声系数为变量，计算并设定各元器件容差值，如图3所示。其中图3(a)为初始设定容差值为元器件标称值的30%对应的总级联噪声系数值及其出现的概率分布情况，可以看出，噪声系数远远超过5.7±0.5，且容差范围以外的概率远远大于千分之一；图3(b)为设计并给定的各元器件的容差值，详见表2。从10 000次的蒙特卡罗模拟结果可以看出，此时噪声系数控制在5.7±0.5以内，即超过容差范围的噪声系数值出现概率为0，很好地满足了容差设计要求。

3 结束语

本设计针对变频组件的功率增益及噪声系数进行了容差分析，并给出了各元器件容差值，从10 000次的蒙特卡罗模拟结果可以看出，模拟值超出组件输出端的总增益及级联噪声系数的容差范围时，出现概率小于千分之一，满足容差设计的判定标准，很好地证明了上述各元器件容差设计的合理性。

表2 容差分析结果

图3 噪声系数容差分析图

在组件链路中，低噪声放大器噪声系数及增益的容差设计在整个链路中影响权重较高，提出的增益容差设计值为3%～4%，此容差值在设计应用中可以实现，如F511A1基于GaAsMMIC的低噪声放大器，对应信号增益及平坦度能做到19.5±0.6dB，即容差值为3%左右，进一步表明了上面提出的容差设计值的可行性。

[1] 国防科学技术工业委员会.GJB/Z89-97电路容差分析指南[S].北京:国防科学技术工业委员会,1997.

[2] 凌燮亭.电路参数的容差分析与设计[M].上海:复旦大学出版社,1991.

[3] 郑剑彪.某型设备电子元器件和电路容差分析[J].电子技术,2012,5(10):143-146.

[4] 周小沪，江俊，纪志成.快速蒙特卡罗方法实现电子线路容差分析[J].电测与仪表,2004，41(460):8-11.

[5] 李红，付兴武.基于容差分析的电路参数中心值设计研究[J].自动化技术,2005,23(214):88-90.

ToleranceAnalysisofUltra-widebandFrequencyConversionSubassembly

SUNBiao,WANGYong

(The723InstituteofCSIC,Yangzhou225001,China)

Thispaperintroducesthebasicprincipleoftoleranceanalysisforelectroniccircuit,usesMonteCarloanalogmethodtoanalyzethetolerancecharacteristicsof6.0～18.0GHzultra-widebandmicrowavefrequencyconversionsubassemblycircuit,putsforwardanewoptimizationthoughtaimingatthepowergainandnoisecoefficientinsubassemblylink,andgivestheparametertolerancerangeofinterrelateddevices.Thesimulationresultsdemonstratethatadjustingthekeyparametersofthecomponentscanchangethetolerancecharacteristics.Theresearchinthispaperprovidesgoodreferencebasisforraisingthesubassemblyreliability.

toleranceanalysis;MonteCarlo;noisecoefficient;reliability

2016-01-15

TN

A

CN32-1413(2016)03-0103-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.026