EMPro 在微波組件設計中的應用

2016-11-29 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 引言

有源相控陣天線在軍用雷達、通信、電子對抗等系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應用[1]。通道中的微波組件是有源相控陣天線的核心部件。根據(jù)系統(tǒng)應用的

要求和技術(shù)發(fā)展情況, 對微波組件要求可概括為高性能、微型化、低成本、高可靠性。大批次微波組件性能的一致性是保證系統(tǒng)高性能的基礎,除了應用精度更高的微波集成工藝之外,使用性能優(yōu)良的器件和選擇更加合理的設計方案和設計技巧同樣對提升組件的一致性具有重要意義。在方案論證階段,可以利用微波仿真軟件對設計方案進行仿真,基于仿真結(jié)果可以對方案進行評估,這樣可以提高設計效率,提升一次設計成功的概率,同時通過仿真可以判斷組件中對性能影響較大的電路部分,這對優(yōu)化方案,提高組件性能的一致性具有重要指導意義。以上論述基于仿真結(jié)果的精確程度,它取決于多種因素,如仿真軟件的精度,仿真模型的精度以及仿真條件或者環(huán)境的設置等。在建立合理的模

型,并正確設置仿真環(huán)境后仿真軟件的精度決定了仿真結(jié)果與實測結(jié)果的吻合度(假設制造工藝可以保證)。

本文利用電磁場仿真軟件EMPro[2]進行微波組件的設計,并把仿真結(jié)果與實測結(jié)果以及用ADSMomentum[3]仿真的結(jié)果進行比較分析,并得出了一些結(jié)論。

2 組件設計和EMPro 仿真

本文利用EMPro 指導設計一款X 波段微波通道組件,該組件將天線接收的信號進行低噪聲放大、數(shù)控衰減、數(shù)控移相、再放大處理后輸出,如圖1 所示。

基于上述方案,考慮到該通道組件工作在X 波段,頻率較高,利用微波集成工藝來設計制造。方案中濾波器用的是MEMS 帶通濾波器,放大器,數(shù)控衰減器以及數(shù)控移相器用的都是裸芯片,采用微組裝集成工藝實現(xiàn)裝配,使得組件體積更小、重量更輕、精度更高、功耗更低,并獲得了較好的電性能,同時組件性能的一致性也可以大大提高。裸芯片燒結(jié)在金屬腔體內(nèi),之間通過50Ω微帶通過用金絲鍵合連接,輸入輸出通過微波絕緣子和接頭與前后接電路連接。

設計方案基本確定后,下面的工作是根據(jù)技術(shù)要求選擇器件,合理分配如噪聲、增益、功率等指標。然后通過測試或者器件廠商提供得到每個有源器件的模型(一般是該器件的S2P 文件),再通過仿真軟件計算得到無源器件和互連結(jié)構(gòu)的模型,最后綜合這些模型,在ADS 等軟件下進行電路級的仿真就可以得到整個組件的S 參數(shù)。對該參數(shù)進行分析,可以大致判斷設計方案能否滿足技術(shù)要求,并可以判斷組件中的哪部分比較“敏感”,對整個組件的指標影響大,以利于進一步優(yōu)化方案,在滿足性能的前提下綜合考慮性能一致性的問題。

根據(jù)設計方案,加工制造組件,之后用相關(guān)儀器測試指標,把實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比可以得到一些結(jié)論。

本文準備利用EMPro 進行組件的仿真,同時為了得到更全面的結(jié)論,再用ADS Momentum 進行仿真。EMPro 是一款基于FDTD 和FEM 算法的電磁仿真軟件,FDTD 適合復雜系統(tǒng)三維時域仿真,計算速度快,仿真平臺內(nèi)存消耗不大,頻域結(jié)果由FFT 從時域轉(zhuǎn)換得來,頻域精度沒有FEM 高。FEM 算法頻域仿真精度高,但耗內(nèi)存。EMPro 的使用方法與常用的HFSS 軟件類似,在軟件中建模(或者可以從PROE 格式導入),設置邊界條件和仿真條件,電磁仿真結(jié)束后得到SnP 文件,再把器件的S2P 文件帶入進行電路級仿真,即可得到

所需結(jié)果。按照EMPro 的使用方法,在該軟件中建立微波通道組件的模型,如圖2 所示,該模型包括金屬盒體,盒體內(nèi)的腔以及燒結(jié)在腔表面的微帶等,正確設置好邊界條件和仿真條件后就可以開始仿真。

根據(jù)以往經(jīng)驗,對于平面微帶電路,利用電磁場仿真軟件ADS-Momentum 同樣可以得到比較準確的結(jié)果。

ADS-Momentum 是一款基于矩量法的電磁場仿真軟件,對于“二維半”結(jié)構(gòu)仿真速度快,精度高。ADS-Momentum 中建模比較簡單,不需要設置三維結(jié)構(gòu),只需在軟件中把電路的平面模型建立即可,如圖3 所示。

反映電路三維結(jié)構(gòu)的如基板厚度,金屬厚度以及通孔之類的信息可以通過仿真環(huán)境的設置實現(xiàn)。仿真結(jié)束后得到SnP 文件,再把器件的S2P 文件帶入進行電路級仿真,即可得到整個組件的仿真結(jié)果。

3 仿真結(jié)果

基于仿真結(jié)果和經(jīng)驗設計、加工、裝配了微波通道組件,并使用矢量網(wǎng)絡分析儀測試該組件,仿真數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)見圖4,圖5 和圖6。

圖4 顯示的是組件的輸入駐波系數(shù),藍色的曲線是實測的結(jié)果,粉紅色的為利用EMPro 仿真的結(jié)果,紅色的為利用ADS-Momentum 仿真的結(jié)果。

圖5 顯示的是組件的輸出駐波系數(shù),藍色的曲線是實測的結(jié)果,粉紅色的為利用EMPro 仿真的結(jié)果,紅色的為利用ADS-Momentum 仿真的結(jié)果。

圖6 顯示的是組件的小信號增益,藍色的曲線是實測的結(jié)果,粉紅色的為利用EMPro 仿真的結(jié)果,紅色的為利用ADS-Momentum 仿真的結(jié)果。

4 仿真結(jié)果分析

通過圖4,圖5 和圖6 的對比可以發(fā)現(xiàn),仿真結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合,利用ADS-Momentum仿真的結(jié)果與實測結(jié)果的吻合程度優(yōu)于EMPro,這可能跟模型以及仿真環(huán)境的設置有關(guān)?；谇懊娴?/span>工作還可以發(fā)現(xiàn): 對于平面微帶電路, ADSMomentum建模簡單,計算量不大,普通辦公計算機就可以完成,而EMPro 的建模復雜,設置繁瑣,計算量大,需專業(yè)的計算平臺才可以完成。

5 結(jié)論

本文使用EMPro 仿真指導設計微波通道組件,之后加工,裝配該組件,利用矢量網(wǎng)絡分析儀進行測試,并對比仿真結(jié)果和測試結(jié)果,同時使用ADS-Momentum 進行仿真,再與上述結(jié)果進行比對。發(fā)現(xiàn)EMPro 的仿真結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合,ADS-Momentum 的仿真結(jié)果與實測結(jié)果吻合度優(yōu)于EMPro 。對于大部分的平面微波電路, ADSMomentum可以較好的完成仿真工作。

EMPro三維電磁場仿真介紹

Electromagnetic Professional(EMPro)是 Keysight EEsof EDA 的軟件設計平臺,用于分析元器件的三維電磁場(EM)效應,例如高速和射頻 IC 封裝、封裝接線、天線、芯片上和芯片外嵌入式無源元件以及 PCB 互連設備。EMPro 具有現(xiàn)代領(lǐng)先的設計、仿真和分析環(huán)境以及大容量仿真技術(shù),并綜合了業(yè)界領(lǐng)先的射頻和微波電路設計環(huán)境――先進設計系統(tǒng)(ADS),可用于快速高效地進行射頻和微波電路設計。