一种基于半实物S参数仿真的T/R组件输入驻波优化方法

刘建勇 陈兴国 金雁冰 梁占刚

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088；2.安徽省天线与微波工程实验室 合肥 230088)

0 引言

雷达收发组件(简称T/R组件)主要完成发射激励信号的功率放大和回波信号的高灵敏度接收功能[1]，是有源相控阵雷达中装机数量最多的核心部件。T/R组件的性能好坏直接影响着相控阵雷达的作用威力、波束指向精度、副瓣电平等技战指标。

而接收链路的输入电压驻波比(以下简称输入驻波)是T/R组件的一个重要指标，反应了接收链路输入阻抗的失配程度。由于T/R组件接收链路一般包括SMP连接器、微带板、限幅器等无源器件以及低噪放等有源器件，输入驻波是各个器件驻波、增益/损耗等指标相互影响、相互叠加的结果。传统的驻波优化方法一般是通过T/R组件多轮实物迭代设计进行验证的过程，实现起来耗时费力。

本文介绍了一种新的输入驻波优化方法，即通过接收链路半实物仿真来预估输入驻波的指标，并通过对仿真电路中局部器件的分析与改进来优化输入驻波。

1 接收链路输入驻波仿真

1.1 输入驻波影响因素分析

本文以某项目的T/R组件研制为例进行阐述，其接收链路具有如图1所示的构型。

按照传统设计方法对该电路进行了设计、加工、装配和测试，其输入驻波的实测曲线如图2所示，在频率低端驻波达到了2.6，超出了不大于2的设计指标预期。

从接收链路组成框图上看，对输入驻波有影响的器件主要有SMP连接器、过渡微带板、极化选择微带板(含极化选择开关)、限幅器、低噪放以及之间互联的焊料与金丝，输入驻波实际上是上述器件及其互联的驻波级联的结果。由于低噪放具有较大的反向隔离度，低噪放之后的电路对接收链路输入驻波的影响不大，因此本文对低噪放之后的电路不予考虑。下面我们对逐个器件进行驻波分析。

1.2 实物S参数测量

对有实物的极化选择微带板、限幅器、低噪放等用矢量网络分析仪进行了S参数的测量，其中驻波的测试结果分别如图3～图5所示。可见单独的器件驻波特性都能满足工程应用的要求。

1.3 模型S参数仿真

对于没有实物或者不易通过测试来获得S参数的则通过三维全波电磁仿真软件HFSS进行建模仿真来得到S参数[2]。

考虑到极化选择微带板与限幅器之间、限幅器与低噪放之间采用金丝键合的方式进行射频互联，需要获得金丝的S参数，建立仿真模型如图6。通过端口去嵌入的方法得到金丝的驻波仿真曲线如图7所示；从Smith圆图上可见金丝在Ku频段内具有较大的感性寄生效应，导致金丝互联的驻波偏大。

图8给出了SMP连接器和过渡微带板的仿真模型，并通过端口去嵌入将过渡微带板与极化选择微带板之间金丝互联的影响也考虑进去了。由于过渡微带板对金丝的寄生效应进行了补偿，因此得到了图9所示的良好的驻波仿真曲线。

1.4 接收链路电路仿真

通过ADS软件建立T/R组件接收链路的电路仿真模型[3]如图10，其中每个器件的模型用前述两小节得到的测量和仿真S参数以S2P文件格式代入[4]。图11给出了接收链路的各个器件级联仿真的结果，对比该结果与图2所示的驻波实测结果可以发现：除了频率低端略有偏离外(这种偏离来源于仿真模型中SMP与过渡微带板加工和手工焊接的误差、手动键合带来的实际金丝拱高和跨度与模型的偏离等因素)，二者曲线趋势和驻波数值都较为吻合，这也佐证了这种基于半实物S参数仿真方法的可行性和正确性。

2 优化与改进

2.1 优化途径

上节给出的基于半实物S参数的仿真方法提供了一种对T/R组件接收链路输入驻波进行评估的手段，同时也指明了一条通过仿真分析进行输入驻波优化的途径。

分析图11给出的接收链路仿真的Smith圆图结果：在驻波超差的频段15GHz～15.8GHz输入阻抗呈强感性，这种感性阻抗主要来源于限幅器及金丝互联带来的寄生效应。那么为了实现较好的驻波，必须在电路中加入容性阻抗以达到良好的阻抗匹配。

考虑最小的改进代价和电路的易于实现性，我们选择在极化选择微带板上与限幅器连接的端口处增加T型结来达到容性匹配的效果[5]。在HFSS中建立如图12的仿真模型，通过端口去嵌入提取T型结和金丝互联的S参数，调整T型结的长度和宽度，使得输入阻抗呈容性，如图13所示。

2.2 优化结果

采用图12给出的T型结和金丝互联模型得到的S参数替换图10中极化选择微带板和限幅器之间的金丝模型，如图14所示。根据接收链路电路仿真的结果对T型结的物理尺寸进行精细优化，使得仿真结果达到期望。

最终在T型结长度为0.47mm、宽度为0.75mm时，整个接收链路各器件级联后仿真的输入驻波达到最佳，如图15所示，在工作频段输入驻波小于1.61，满足工程使用指标要求。

3 实物验证

根据仿真优化得到的T型结参数，对极化选择微带板进行了改进设计，并对改进后的三个T/R组件进行了加工、装配和测试。图16给出了这三个T/R组件的输入驻波测试曲线，可以看到优化后工作频带内最大驻波为1.67，完全达到了输入驻波不大于2的指标预期；对比图2可以发现通过增加T型结进行容性匹配使得链路驻波得到了巨大改善；与图15仿真曲线(即图16种符号标识为▼的曲线)对比可以看出，优化后的输入驻波实测结果与仿真曲线基本吻合，尤其是输入驻波频率高端以及整个工作频带内的变化趋势都吻合较好；在频率低端实测结果与仿真曲线之间以及多个T/R组件实测曲线之间略有偏离，这种偏差正如前所述来源于生产、装配的不一致性以及其与设计的偏差。在批量化生产时，需要通过以下措施加强对过程的控制：

1) 对微带板材料的介电常数、厚度等参数进行筛选，控制微带线加工精度;

2) 定制SMP连接器焊料环、微带板焊片，引入SMT焊接工艺替代手工焊接;

3) 将手动键合改为自动键合，固化金丝拱高、跨度等参数，提高与设计仿真的符合性。

总体来讲，本文阐述的基于半实物S参数仿真的驻波优化方法达到了预期效果，方法可行、有效。

4 结束语

本文介绍了一种应用于T/R组件接收链路设计的输入驻波优化方法，该方法通过部分器件实物的测量和其余部分的电磁建模仿真获得S参数，通过ADS软件建立接收链路各器件级联后的电路仿真模型，从而对输入驻波等指标进行评估并进行电路的优化设计，最终获得了优良的输入驻波等电路仿真指标，并经过实际电路验证了该方法的正确性和有效性。这种基于半实物S参数仿真的驻波优化方法可替代传统耗时费力的多轮实物迭代设计进行指标优化的粗拙手段，也为T/R组件精细化设计提供了一种重要思路。该方法已经成功应用于某国防项目有源相控阵雷达的Ku波段T/R组件设计中并取得了良好的使用效果。