一種基于半實(shí)物S參數(shù)仿真的T/R組件輸入駐波優(yōu)化方法

劉建勇 陳興國(guó) 金雁冰 梁占剛

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088；2.安徽省天線與微波工程實(shí)驗(yàn)室 合肥 230088)

0 引言

雷達(dá)收發(fā)組件(簡(jiǎn)稱T/R組件)主要完成發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的功率放大和回波信號(hào)的高靈敏度接收功能[1]，是有源相控陣?yán)走_(dá)中裝機(jī)數(shù)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?yán)走_(dá)的作用威力、波束指向精度、副瓣電平等技戰(zhàn)指標(biāo)。

而接收鏈路的輸入電壓駐波比(以下簡(jiǎn)稱輸入駐波)是T/R組件的一個(gè)重要指標(biāo)，反應(yīng)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(wú)源器件以及低噪放等有源器件，輸入駐波是各個(gè)器件駐波、增益/損耗等指標(biāo)相互影響、相互疊加的結(jié)果。傳統(tǒng)的駐波優(yōu)化方法一般是通過(guò)T/R組件多輪實(shí)物迭代設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)起來(lái)耗時(shí)費(fèi)力。

本文介紹了一種新的輸入駐波優(yōu)化方法，即通過(guò)接收鏈路半實(shí)物仿真來(lái)預(yù)估輸入駐波的指標(biāo)，并通過(guò)對(duì)仿真電路中局部器件的分析與改進(jìn)來(lái)優(yōu)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(xiàng)目的T/R組件研制為例進(jìn)行闡述，其接收鏈路具有如圖1所示的構(gòu)型。

按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)該電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)、加工、裝配和測(cè)試，其輸入駐波的實(shí)測(cè)曲線如圖2所示，在頻率低端駐波達(dá)到了2.6，超出了不大于2的設(shè)計(jì)指標(biāo)預(yù)期。

從接收鏈路組成框圖上看，對(duì)輸入駐波有影響的器件主要有SMP連接器、過(guò)渡微帶板、極化選擇微帶板(含極化選擇開(kāi)關(guān))、限幅器、低噪放以及之間互聯(lián)的焊料與金絲，輸入駐波實(shí)際上是上述器件及其互聯(lián)的駐波級(jí)聯(lián)的結(jié)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(duì)接收鏈路輸入駐波的影響不大，因此本文對(duì)低噪放之后的電路不予考慮。下面我們對(duì)逐個(gè)器件進(jìn)行駐波分析。

1.2 實(shí)物S參數(shù)測(cè)量

對(duì)有實(shí)物的極化選擇微帶板、限幅器、低噪放等用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了S參數(shù)的測(cè)量，其中駐波的測(cè)試結(jié)果分別如圖3～圖5所示。可見(jiàn)單獨(dú)的器件駐波特性都能滿足工程應(yīng)用的要求。

1.3 模型S參數(shù)仿真

對(duì)于沒(méi)有實(shí)物或者不易通過(guò)測(cè)試來(lái)獲得S參數(shù)的則通過(guò)三維全波電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行建模仿真來(lái)得到S參數(shù)[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(jìn)行射頻互聯(lián)，需要獲得金絲的S參數(shù)，建立仿真模型如圖6。通過(guò)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(jiàn)金絲在Ku頻段內(nèi)具有較大的感性寄生效應(yīng)，導(dǎo)致金絲互聯(lián)的駐波偏大。

圖8給出了SMP連接器和過(guò)渡微帶板的仿真模型，并通過(guò)端口去嵌入將過(guò)渡微帶板與極化選擇微帶板之間金絲互聯(lián)的影響也考慮進(jìn)去了。由于過(guò)渡微帶板對(duì)金絲的寄生效應(yīng)進(jìn)行了補(bǔ)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(guò)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(gè)器件的模型用前述兩小節(jié)得到的測(cè)量和仿真S參數(shù)以S2P文件格式代入[4]。圖11給出了接收鏈路的各個(gè)器件級(jí)聯(lián)仿真的結(jié)果，對(duì)比該結(jié)果與圖2所示的駐波實(shí)測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：除了頻率低端略有偏離外(這種偏離來(lái)源于仿真模型中SMP與過(guò)渡微帶板加工和手工焊接的誤差、手動(dòng)鍵合帶來(lái)的實(shí)際金絲拱高和跨度與模型的偏離等因素)，二者曲線趨勢(shì)和駐波數(shù)值都較為吻合，這也佐證了這種基于半實(shí)物S參數(shù)仿真方法的可行性和正確性。

2 優(yōu)化與改進(jìn)

2.1 優(yōu)化途徑

上節(jié)給出的基于半實(shí)物S參數(shù)的仿真方法提供了一種對(duì)T/R組件接收鏈路輸入駐波進(jìn)行評(píng)估的手段，同時(shí)也指明了一條通過(guò)仿真分析進(jìn)行輸入駐波優(yōu)化的途徑。

分析圖11給出的接收鏈路仿真的Smith圓圖結(jié)果：在駐波超差的頻段15GHz～15.8GHz輸入阻抗呈強(qiáng)感性，這種感性阻抗主要來(lái)源于限幅器及金絲互聯(lián)帶來(lái)的寄生效應(yīng)。那么為了實(shí)現(xiàn)較好的駐波，必須在電路中加入容性阻抗以達(dá)到良好的阻抗匹配。

考慮最小的改進(jìn)代價(jià)和電路的易于實(shí)現(xiàn)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(jié)來(lái)達(dá)到容性匹配的效果[5]。在HFSS中建立如圖12的仿真模型，通過(guò)端口去嵌入提取T型結(jié)和金絲互聯(lián)的S參數(shù)，調(diào)整T型結(jié)的長(zhǎng)度和寬度，使得輸入阻抗呈容性，如圖13所示。

2.2 優(yōu)化結(jié)果

采用圖12給出的T型結(jié)和金絲互聯(lián)模型得到的S參數(shù)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(jù)接收鏈路電路仿真的結(jié)果對(duì)T型結(jié)的物理尺寸進(jìn)行精細(xì)優(yōu)化，使得仿真結(jié)果達(dá)到期望。

最終在T型結(jié)長(zhǎng)度為0.47mm、寬度為0.75mm時(shí)，整個(gè)接收鏈路各器件級(jí)聯(lián)后仿真的輸入駐波達(dá)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(biāo)要求。

3 實(shí)物驗(yàn)證

根據(jù)仿真優(yōu)化得到的T型結(jié)參數(shù)，對(duì)極化選擇微帶板進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)改進(jìn)后的三個(gè)T/R組件進(jìn)行了加工、裝配和測(cè)試。圖16給出了這三個(gè)T/R組件的輸入駐波測(cè)試曲線，可以看到優(yōu)化后工作頻帶內(nèi)最大駐波為1.67，完全達(dá)到了輸入駐波不大于2的指標(biāo)預(yù)期；對(duì)比圖2可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)增加T型結(jié)進(jìn)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(hào)標(biāo)識(shí)為▼的曲線)對(duì)比可以看出，優(yōu)化后的輸入駐波實(shí)測(cè)結(jié)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(gè)工作頻帶內(nèi)的變化趨勢(shì)都吻合較好；在頻率低端實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真曲線之間以及多個(gè)T/R組件實(shí)測(cè)曲線之間略有偏離，這種偏差正如前所述來(lái)源于生產(chǎn)、裝配的不一致性以及其與設(shè)計(jì)的偏差。在批量化生產(chǎn)時(shí)，需要通過(guò)以下措施加強(qiáng)對(duì)過(guò)程的控制：

1) 對(duì)微帶板材料的介電常數(shù)、厚度等參數(shù)進(jìn)行篩選，控制微帶線加工精度;

2) 定制SMP連接器焊料環(huán)、微帶板焊片，引入SMT焊接工藝替代手工焊接;

3) 將手動(dòng)鍵合改為自動(dòng)鍵合，固化金絲拱高、跨度等參數(shù)，提高與設(shè)計(jì)仿真的符合性。

總體來(lái)講，本文闡述的基于半實(shí)物S參數(shù)仿真的駐波優(yōu)化方法達(dá)到了預(yù)期效果，方法可行、有效。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種應(yīng)用于T/R組件接收鏈路設(shè)計(jì)的輸入駐波優(yōu)化方法，該方法通過(guò)部分器件實(shí)物的測(cè)量和其余部分的電磁建模仿真獲得S參數(shù)，通過(guò)ADS軟件建立接收鏈路各器件級(jí)聯(lián)后的電路仿真模型，從而對(duì)輸入駐波等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估并進(jìn)行電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終獲得了優(yōu)良的輸入駐波等電路仿真指標(biāo)，并經(jīng)過(guò)實(shí)際電路驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。這種基于半實(shí)物S參數(shù)仿真的駐波優(yōu)化方法可替代傳統(tǒng)耗時(shí)費(fèi)力的多輪實(shí)物迭代設(shè)計(jì)進(jìn)行指標(biāo)優(yōu)化的粗拙手段，也為T(mén)/R組件精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了一種重要思路。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于某國(guó)防項(xiàng)目有源相控陣?yán)走_(dá)的Ku波段T/R組件設(shè)計(jì)中并取得了良好的使用效果。