T/R组件的路-场协同仿真模型研究

彭浩，焦龙飞，迟雷，宋瑛

（1.中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051； 2.国家半导体器件质量监督检验中心，石家庄 050051；3.河北工业职业技术学院，石家庄 050091）

引 言

在一部有源相控阵雷达中，T/R组件的数量少则几十个，多则成千上万个，是有源相控阵雷达的核心部件之一[1]。近些年，T/R组件大多采用基于GaN工艺的MMIC技术，外形尺寸越来越小，传输通道越来越多，集成规模越来越高，使用材料多、布局结构复杂、封装密度大、功率密度高，腔体内电磁分布复杂；此外，T/R组件内部信号形式复杂，同时存在数字、模拟以及数模混合模式，而且信号频域覆盖数字至射频，小信号与大功率信号并存，导致内部电磁环境错综复杂，经常在实际使用过程中出现电磁干扰、收发异常等问题，使T/R组件无法正常工作[2]。

在微波频域，电磁的散射、耦合、泄露等问题已经不能忽略，单独的有源电路仿真未能考虑到电磁能量对器件性能的影响，导致其仿真结果与实际偏差很大，已经不能全面正确的反应器件问题；而考虑电磁能量影响的路-场（电路-电磁场）协同仿真分析能够较低成本、较高收益地发现问题产生的原因并通过有针对性的修改，实时查看改进效果，成为更加可靠的技术手段[3]。

因此，本文对一种在使用的T/R组件，从其物理原型出发，针对收发支路串扰、腔体谐振效应、孔隙泄露、传输线路不连续性和模块间的耦合等方面问题，使用无源3D结构的电磁建模技术[4]进行了专业的3D电磁建模，通过有源电路系统模型，结合S参数文件，进而建立有源-无源3D电路/结构的协同仿真模型，加入由腔体谐振效应、孔隙泄露、多通道产生的分支电路耦合效应等电磁能量对内部电路的影响，得到考虑实际电磁特性的T/R组件微波电路系统指标数据。

1 模型研究

1.1 有限元算法

建模采用有限元算法[5]，此方法基于计算电磁学数值分析方法中的频域微分方程技术，通过对物理原型进行3D建模，并设置材料属性、激励、边界条件等，进行全波电磁场仿真，适应于各种复杂形状3D模型的计算仿真，尤其是天线、微波器件/组件等的仿真，计算效率高、精度好。

1.2 无源3D结构的电磁建模技术

无源3D结构的电磁建模对仿真计算结果的影响比较大，特别是频率比较高的Ku波段，电磁效应需要仔细考虑和对待，这方面工作是建模中的重点也是难点。不仅需要建立腔体模型，还要建立PCB（包括电路/走线等）的3D模型。

从模型组成来看，腔体是金属结构，PCB板有薄层介质填充，PCB顶层表面是很薄的金属走线及大面积金属地，这样的结构进行电磁仿真对仿真算法和模型都有比较高的要求。从模型角度看，3D电磁场仿真要获得准确结果，前提是要采用基于物理原型的建模技术，也就是3D物理建模。

1）腔体谐振模型

T/R组件的腔体形状一般是长方体，整体可以近似看做空气介质的矩形谐振腔，内部通过微波多芯片组件封装技术将各类型芯片集成在电路板上，使用微带线的形式实现信号传播，由于腔体的尺寸一定，在特定频率下，腔体的震荡将会在传输线和器件上产生强烈的耦合，使得小信号驱动的组件模块容易进入连续波工作模式，进一步导致后续功率管的损坏[6]。所以在前期设计时，需要根据实际工作的指标要求，建立精确的腔体谐振模型，避免腔体谐振的情况发生。对含有介质基板的矩形腔体，如图1所示。

根据以上参数，可得出矩形腔的谐振频率为：

图1 含介质基板的谐振腔体

式中：

a、b、d—x、y、z方向的值；

εr和μr—腔体内的介电常数和磁导率。

如果b＜a＜d，则基模TE101模谐振频率为：

TE101模式下的模型表示为：

1.3 有源电路的建模技术

T/R组件的微波电路系统既包含了无源的微带传输线电路，也包含了重要的线性/非线性微波放大器有源电路。有源电路的建模技术需要在输入资料有限（如放大器只有S参数，甚至没有S参数）的情况下，准确的建立有源电路系统模型，下面简要说明相关理论和技术：

1）谐波平衡法

通过谐波平衡分析法，使用FFT变换，将非线性系统在时域中描述，线性系统在频域中描述。通过混合的频域/时域分析技术，把电路状态参量按照傅里叶级数进行展开，分解成多次谐波叠加的形式，展开项需要足够多以降低高次谐波对最终结果的影响。

本文中使用谐波平衡法分析非线性电路中的互调失真、幅相一致性、杂波抑制、噪声系数和寄生参量等。

2）微波放大器建模技术

在实际的工程应用中，由于复杂的非线性效应和寄生参数效应，要获得比较完整且准确的微波放大器电路模型（尤其非线性）是非常困难的，本文采用半实用模型进行建模，对不同工作条件下器件的微波输入输出特性曲线等进行全面测试，再利用这些曲线建立电路模型。不仅可以模拟线性放大电路特性，也可以模拟非线性（如功放）电路特性。本文使用的S参数模型也可归入半实物模型一类，采用矢量网络分析仪就可以测试出S参数数据。

1.4 有源-无源3D电路/结构的协同仿真技术

微波电路系统应用中的场路协同仿真，一直是重要且极具挑战的工作。从技术而言，采用场-S参数模型-电路协同仿真模式，在无源3D物理模型进行准确电磁场仿真后，并不直接动态链接到电路系统环境；而是先输出完整的S参数模型，再将S参数模型作为电路系统部件加入到电路系统环境中进行场路协同仿真。这种方式计算效率高，且精度可靠，是目前常用的技术形式。也是本文采用的技术模式。

2 模型设计

2.1 无源3D结构电磁模型设计

通常情况，T/R组件主要由金属腔体模型、PCB走线/介质基板、同轴连接器等模型构成[7]。在模型设计时，预先需要准备必要的输入信息，例如：PCB文件，装配图，结构示意图，电路原理示意图等。同时，PCB电路板作为T/R组件的核心部件，为保证建模的精确度，严格规定其各部分材料特性，各方面参数须与实际板材完全一致。本文所使用的PCB板材为RT6002，厚度为10 mil。

另外，金属腔体作为T/R组件隔离内外部空间的封闭性腔体，对外能够屏蔽外部电磁信号对T/R组件的干扰，对内能够合理规划布局避免腔体振荡等负面效应，并且信号通道通过微带传输线结合输入输出的同轴接头进出于金属腔体，因此腔体模型的匹配度与精细度严重影响电磁场强分布的准确性，在此需要对腔体进行1:1模型设计，充分考虑腔体材质、形状、缝隙、连接孔等因素的影响，建立3D金属腔体模型，如图2所示。

图2 3D金属腔体模型

通过充分考虑PCB电路板与金属腔体匹配度，结合装配图、结构图等文件，特别处理边界接触及连接问题，完成无源3D结构电磁模型设计，如图3所示。

2.2 有源电路系统模型设计

在有源电路系统模型设计中，需要根据实际应用条件，测试不同工作条件下T/R组件的微波性能，得到输入输出特性曲线。由于T/R组件工作在Ku波段，需要注意测试链路的完整性以及高频信号传输衰减，同时使用谐波平衡法分析非线性电路中的互调失真、幅相一致性、杂波抑制、噪声系数和寄生参量等因素对测试结果的影响，结合以上因素，首先建立放大器电路基本模型。

考虑到本文所使用的T/R组件为四通路传输器件，同时结合其实际的物理结构以及有源电路信号通路，得到T/R组件有源电路系统模型，如图4所示。

2.3 有源-无源3D电路/结构模型设计

在完成以上的基础建模之后，分别得到了无源3D结构电磁模型和有源电路系统模型，如何将两者有机的结合在一起，是需要考虑的关键问题。

图3 无源3D结构电磁模型

图4 有源电路系统模型

图5 有源-无源3D电路/结构模型

传统方法是将两者简单直接动态链接协同，减少模型中间多次转换的环节，看似操作简洁，但计算速度和效率很低，精度不理想，实用性很差。除非电磁场仿真规模小，模型比较简单，而T/R组件属于高频率高精度复杂器件，该方法难以适用。

本文采用场-S参数模型-电路协同仿真模式，通过完整的S参数模型将两个独立模型链接为一个有机整体。因此需要重点针对无源3D结构电磁模型，模拟实际的工作参数，设置仿真频率、网格剖分频点和扫频范围等仿真条件，考虑效率和速率的平衡点，进行有限元网格剖分，并完成迭代收敛，得到S参数模型。通过引入S参数模型，建立了完整的有源-无源3D电路/结构模型，如图5所示。

3 仿真结果

在模型设计完成之后，重点考虑从T/R组件4个天线接收输入信号，到组件的信号输出端输出信号的四通道电路系统，设置合适的激励输入条件，进行有源-无源3D电路/结构的协同仿真。获得信号激励下的T/R组件腔体内的场强分布，以及输入输出VSWR驻波比、通道增益、噪声系数等指标参数。

3.1 腔体内部场强分布

输入信号激励下四通道同时工作时腔体内部的场强分布，如图6、图7所示。

3.2 输入输出驻波比VSWR

T/R组件通道1电路系统的驻波比特性曲线，如图8、图9所示。

3.3 通道增益/增益平坦度

T/R组件通道1的增益曲线，如图10所示。

3.4 噪声系数

T/R组件通道1的噪声系数曲线，如图11所示。

3.5 非线性压缩特性（输入P-1）

T/R组件通道1输入信号激励时的非线性放大压缩特性曲线，如图12所示。

3.6 幅度/相位一致性

T/R组件通道1的幅度和相位相关曲线，如图13、图14所示。

从仿真获得的场强分布结果可以看到，在输入信号激励下，电磁能量主要集中在组件的分支通道电路-主通道及附近空间区域。由于合路器的分支电路耦合效应，工作通道的信号能量有一部分会耦合到其他分支通道中。

金属腔体结构对电磁信号起到了屏蔽作用，避免了电磁能量的辐射外泄，但同时由于金属腔体内壁的反射作用和腔体效应，会产生一定的腔体谐振效应，从电磁仿真分析来看，该组件的工作频段避开了谐振频点。

图6 腔体内部空间场强分布

图7 腔体内部PCB电路板附近场强分布

图8 输入驻波比VSWR

图9 输出驻波比VSWR

图10 T/R组件通道1的增益曲线

图11 T/R组件通道1的噪声系数NF曲线

图12 T/R组件通道1非线性功率压缩（P-1）曲线

图13 T/R组件通道1的幅度曲线

图14 T/R组件通道1的相位曲线

4 验证与分析

为验证有源-无源3D电路/结构模型的正确性与准确性，搭建实际的测试平台，使用矢量网络分析仪，校准测试链路，设置与仿真一致的激励条件，测试T/R组件的微波性能参数。同时加入有源电路模型仿真结果，直观的比较三种结果。

对T/R组件进行微波电性能测试，测试数据如表1所示。

增益平坦度的测试数据如表2所示。

通过结果对比分析，可以看到相比于单独有源电路仿真，路-场协同仿真更接近实际测试结果。由于未考虑腔体内部空间电磁场分布影响，有源电路仿真最理想化，性能最好，但与实际测试结果相差较大，可参考性较差。而将电磁能量的分布与影响加入模型后，有源-无源3D电路/结构的协同仿真结果变差，各项参数均有不同程度的下降，但与实际情况下的测试结果更接近，更具备可参考性。

表1 电性能仿真结果与实测结果

表2 增益平坦度仿真结果与实测结果

分析以上原因，由于T/R组件采用多芯片组装形式实现，基于可靠性和密封性要求，其电路封装于金属壳体中，形成微波腔体结构[8]。如果工作频率高于腔体波导的截止频率，腔体内就可能产生波导型的传播。并且在电路中的微波元器件、金丝连接和微带线的不均匀处都会产生微波辐射，其中功放器件及大功率传输路径上的不连续性造成的辐射尤其严重，这些辐射在腔体内传播会形成反馈、增益波纹和降低隔离度[9]。这些因素在传统的有源电路仿真模型中并未考虑在内，因此反应的是理想化的器件性能；而通过对T/R组件精细化的电磁结构建模，结合路-场协同仿真，弥补了传统仿真模型的缺陷。

综上所述，由于实际制作及加工工艺限制，在电路布局、通道信号隔离、信号互联和腔体密封等方面均难以达到理想的状态，这些造成了电磁空间分布不均匀、电磁腔体泄露、通道间电磁干扰等问题，这些问题在器件工作中会带来潜在的失效风险，而在设计初期，通过更加细致规范的建模工具，有源-无源3D电路/结构的协同仿真技术，将腔体内部电磁场的影响因素考虑在内，更精确的反应T/R组件将来实际存在的问题，进而采取相应的措施减小并改进问题。

通常在T/R组件设计时应使工作频带避开并远离腔体本征谐振频率，另外依据T/R组件腔体内电磁场分布数据，应减小敏感元器件附近场强，比如加贴吸波材料等方法；并且针对大功率链路应采取必要的隔离措施降低对周围空间的干扰[10]。这样可以尽量在设计阶段将电磁影响降低至可控范围内，减小器件实际使用中的风险，提高器件的可靠性。

5 结论

本文从T/R组件物理模型出发，考虑材料属性，外部激励，边界条件、仿真频率等参数，采用有限元算法、无源3D结构的电磁建模技术以及有源电路的建模技术，建立了有源-无源3D电路/结构的协同仿真模型，得到了与实际更接近T/R组件腔体内部的电磁场能量分布情况以及整体与端口的性能指标。分析了可能产生电磁影响的潜在因素，并针对性的提出了改进意见。