基于HFSS 的X 波段T/R 组件仿真设计研究

2022-12-21章露江苏金陵机械制造总厂

航空维修与工程 2022年10期

■ 章露/江苏金陵机械制造总厂

0 引言

有源相控阵雷达以突出的技术特点成为现代雷达发展的主流方向，T/R 组件是构成有源相控阵雷达的核心部件。小型化、高集成化的T/R 组件之所以广泛应用于军事、通信等领域，得益于砷化镓、氮化镓、单片微波集成电路以及LTCC 等材料和技术的高速发展。本文主要介绍在X 波段T/R 组件研制前期，利用HFSS 全波三维电磁仿真软件对微波电路设计进行建模仿真，指导T/R 组件的设计，从而降低设计成本，缩短设计周期，增强竞争力。

1 HFSS 仿真软件

HFSS 是美国Ansys 公司推出的三维结构电磁场仿真软件，它提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器，拥有空前电性能分析能力和强大的后处理器，稳定成熟的自适应网格剖分技术使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，已广泛应用于航空、航天、电子、通信等多个领域，可帮助工程师高效地设计射频和微波部件、微波电路结构、高速互联结构等。

2 设计仿真

2.1 微带线切角仿真

在X 波段T/R 组件设计中，为了使微波电路中传输线尽量地紧凑和合理，单元电路间的拐弯相连是不可避免的。而在微波电路设计中，微带线发生90°弯角是最常用的传输线拐弯方式。

根据电磁波理论，微带传输线弯角是由于磁场在弯角不连续区域发生连续畸变，导致有不连续的等效电抗存在，会影响电磁波的传输。对于微带传输线弯角来说，减小反射的方法通常是将微带传输线弯角的顶角部分切去。因此，在设计中，采用HFSS 软件对微带线切角比例的微波特性进行建模分析和仿真优化。

1）理论分析

微带线弯角可用图1 所示的电路来等效，其中电容C弯角为等效电容。对电磁波来说，弯角等效于长为的传输线段。

弯角的静电流途径与无限长直微带线电流途径差为。与微带线的ω/h 间的关系几乎与微带线介质相对介电常数εr无任何关联。因为在静态近似假设下，介质的εr并不影响微带线上的电流分布及每单位长度上的电感量。因此，弯角的等效电路可以用图1来表示。

图1 弯角等效电路

X 波段T/R 组件的基板为LTCC 基板，生料带采用Ferro A6-M 陶瓷材料，相对介电常数为5.9，微带线厚度为0.282mm。根据软件计算（见图2），微带线宽度为0.428mm。

图2 微带线宽度计算

2）建模仿真及优化

图3 弯角建模

在模型中设置激励端口为1（见图4），射频信号输出端口为2（见图5）。

图4 激励端口

图5 输出端口

仿真切角比例为0.1～0.9，其中各切角比例插入损耗结果如图6 所示，50Ω 匹配阻抗如图7 所示，电压驻波比如图8 所示。

图6 插入损耗

图7 50Ω匹配阻抗

图8 电压驻波比

从仿真结果可以看出，当切角比例为0.7 时，插入损耗、50Ω 匹配阻抗、电压驻波比的值均比较理想。观察场强的动态分布，可以看到能量在传输线上均匀地进行传播（见图9）。

图9 场强分布

2.2 腔体效应仿真

随着T/R 组件快速向小型化、高密度化发展，对其尺寸和结构的设计有了更高的要求。其中，组件的腔体效应对组件性能指标起到决定性作用。腔体效应是指微波组件形状、尺寸和电路布局等结构参数对S 参数的影响。

1）理论分析

T/R 组件常用的腔体多是矩形腔体或矩形腔体的组合，这里将整个矩形腔体视为界面尺寸为a×b、长度为l 且两端短路的矩形波导。因此，空腔中场的横向分布如同矩形波导的场结构，场的纵向分布如同圆柱形谐振纵向结构，腔体中可能存在TE 和TM 振荡模式。根据电磁场理论，腔体振荡分为TE 型和TM 型，矩形腔的截止波长为：

式中，m、n、p 分别表示电磁场沿x、y、z 方向的半驻波个数；m、n 为非负整数；对于TE 型，p 为正整数；对于TM 型，p 为非负整数。可见其腔体的尺寸决定其谐振特性。

2）建模仿真

在X 波段T/R 组件中，单片微波集成电路众多，有源、无源微波器件混装，由此带来的空间耦合主要分为两种形式：一是收发支路间的相互影响；二是数字模拟电路与射频电路间、微带传输线间以及有源器件间的相互影响。在大尺寸的壳体内增加收发支路间的距离或是在小尺寸壳体内使用较高隔离度的环形器即可解决第一种空间耦合问题。第二种形式的空间耦合问题一般通过在壳体盖板合适位置安装吸波材料以及对耦合回路间进行隔离来解决。

由于组件壳体尺寸已定，在设计中只能通过改变腔体内结构对回路进行隔离来改变谐振频率，使谐振频率不落在工作带宽内。

三维建模如图10 所示，通过本征模求解模式计算组件腔体在无隔墙下的结构谐振频率落在了组件工作频带中（见图11）。