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(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所國(guó)家級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)中心，安徽 合肥 230088)

0 引言

新型有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)對(duì)組件提出高密度集成設(shè)計(jì)要求[1- 3]，在有限的空間內(nèi)往往集成有數(shù)千至上萬(wàn)個(gè)片式T/R組件，使得組件工作時(shí)的熱控問(wèn)題愈發(fā)突出[4- 5]，主要表現(xiàn)為：?jiǎn)蝹€(gè)T/R組件內(nèi)多個(gè)收發(fā)通道上的多個(gè)芯片會(huì)產(chǎn)生密集的熱量；較小的空間內(nèi)高密度集成了多個(gè)T/R組件，熱流密度大。因此，對(duì)于高頻段高集成的片式T/R組件，溫度場(chǎng)的變化將對(duì)其電訊性能產(chǎn)生不可忽視的影響，包括芯片S參數(shù)、收發(fā)通道駐波與增益乃至整個(gè)天線系統(tǒng)的電訊指標(biāo)，而變化的電磁特性又將重新影響T/R組件的熱耗分布。

目前，T/R組件的設(shè)計(jì)模式是以電訊專業(yè)牽頭、結(jié)構(gòu)和熱控專業(yè)配合的串聯(lián)設(shè)計(jì)[6]，各專業(yè)使用的模型以及仿真數(shù)據(jù)難以匹配傳遞，難以進(jìn)行熱- 電磁場(chǎng)的協(xié)同仿真設(shè)計(jì)，無(wú)法滿足高集成片式T/R組件的設(shè)計(jì)需求。

文獻(xiàn)[7]研究了一種小型Ku波段瓦片式T/R組件設(shè)計(jì)，采用組件緊貼冷板、內(nèi)部有源芯片緊貼組件殼體的方式解決片式T/R組件的散熱問(wèn)題，該方法屬于對(duì)已定電訊方案的被動(dòng)設(shè)計(jì)，并未從總體設(shè)計(jì)方面對(duì)電訊和結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，而且在很小的空間內(nèi)，冷板的散熱效果有限，難以滿足高集成T/R組件的熱控要求。西安電子科技大學(xué)等針對(duì)雷達(dá)天線陣面開展了機(jī)電耦合機(jī)理以及多學(xué)科優(yōu)化分析研究[8- 10]。而針對(duì)高密度集成片式T/R組件，文獻(xiàn)中尚未見到明確的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)方法。

本文提出一種片式T/R組件的熱- 電磁協(xié)同仿真設(shè)計(jì)方法，首先，通過(guò)提取T/R組件的結(jié)構(gòu)和電磁單學(xué)科模型特征進(jìn)行混合建模獲得T/R組件熱- 電磁協(xié)同分析模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)多學(xué)科數(shù)模進(jìn)行電磁和熱性能耦合仿真，獲得真實(shí)電磁場(chǎng)的組件溫度分布并評(píng)估真實(shí)溫度下的電訊指標(biāo)變化，通過(guò)快速修改模型并迭代分析直至T/R組件的熱、電磁性能全部滿足設(shè)計(jì)要求。

1 T/R組件多學(xué)科建模

片式T/R組件一般設(shè)計(jì)多個(gè)收發(fā)通道，結(jié)構(gòu)專業(yè)負(fù)責(zé)殼體、蓋板、通道隔筋等設(shè)計(jì)，建模采用Pro/E等結(jié)構(gòu)三維數(shù)模軟件；電訊專業(yè)提供電路板、收發(fā)和控制網(wǎng)絡(luò)、芯片、垂直互聯(lián)連接器等設(shè)計(jì)，建模采用Protel等電子行業(yè)二維設(shè)計(jì)軟件。不同的專業(yè)、建模工具和模型維度均阻礙了T/R組件多學(xué)科建模及協(xié)同設(shè)計(jì)。

本文對(duì)T/R組件的結(jié)構(gòu)和電訊特征進(jìn)行提取和簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化方法如下：

a. 保留熱耗較大的射頻網(wǎng)絡(luò)，忽略熱耗較小的低頻控制網(wǎng)絡(luò)。

b. 將射頻網(wǎng)絡(luò)中的EDA元素(帶狀線、焊盤、金絲等)組合成可參數(shù)化建模的形狀特征(如網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)合成節(jié)點(diǎn))。

c. 簡(jiǎn)化電路板中隔離孔(隔離電磁波)的數(shù)量，忽略間距小于0.1倍介質(zhì)中波長(zhǎng)的隔離孔。

d. 將各類過(guò)孔(隔離孔、導(dǎo)電孔、散熱孔)的分布簡(jiǎn)化為圓環(huán)陣列、矩形陣列及組合陣列，可以參數(shù)化建模。

采用ANSYS SCDM軟件對(duì)提取的模型特征進(jìn)行混合建模，該軟件可以進(jìn)行幾何參數(shù)快速定義、并將模型數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給熱和電磁仿真軟件。通過(guò)熱、電磁特征混合建模方法，獲得多通道片式T/R組件多學(xué)科數(shù)模,如圖1所示。

圖1 某片式T/R組件多學(xué)科數(shù)模

與熱相關(guān)的模型特征包括殼體、蓋板、電路板、芯片及其下方焊層；與電磁相關(guān)的模型特征包含電路板、射頻網(wǎng)絡(luò)、連接器、隔筋。在后文的熱- 電磁協(xié)同設(shè)計(jì)中將根據(jù)分析需求，對(duì)部分模型特征進(jìn)行抑制。

2 T/R組件多學(xué)科設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)分析流程

片式T/R組件的熱- 電磁協(xié)同設(shè)計(jì)分析以多學(xué)科數(shù)模為基礎(chǔ)，展開電磁和熱的交互迭代分析，不同物理場(chǎng)的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配傳遞，具體方法流程如圖2所示。

圖2 T/R組件熱- 電磁協(xié)同設(shè)計(jì)方法

2.2 初始有源電路匹配設(shè)計(jì)

在分析流程中，首先對(duì)T/R組件在某個(gè)設(shè)計(jì)溫度下的初始有源電路進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，包含對(duì)無(wú)源電磁場(chǎng)和有源電路的傳輸特性等參數(shù)進(jìn)行分析，技術(shù)指標(biāo)包括端口駐波比(VSWR)、插損(S21)等。

在SCDM軟件中將T/R組件多學(xué)科數(shù)模中僅與熱相關(guān)的模型特征(如殼體、芯片實(shí)體)進(jìn)行抑制，導(dǎo)入電磁分析軟件HFSS和電路軟件Circuit中，進(jìn)行電磁場(chǎng)和電路的協(xié)同設(shè)計(jì)，獲得匹配后電路在真實(shí)發(fā)射和接收激勵(lì)下芯片和傳輸線的功率。

2.3 熱- 電磁協(xié)同仿真

在SCDM軟件中將T/R組件多學(xué)科數(shù)模中僅與電磁相關(guān)的模型特征(如連接器、射頻網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行抑制，導(dǎo)入熱分析軟件中，并將有源電路中芯片和傳輸線的功率轉(zhuǎn)化為熱耗，作為T/R組件熱仿真的輸入，獲得組件殼體、電路板、芯片(尤其是有源芯片)在真實(shí)電磁波激勵(lì)下的溫度分布。

本文基于功率譜反演方法得到各向異性大氣湍流相位屏，模擬了貝塞爾高斯渦旋光束在其中的光強(qiáng)分布、光強(qiáng)閃爍和光束抖動(dòng)的影響，并與已有在軸閃爍的理論值進(jìn)行比較.研究了不同參數(shù)下強(qiáng)度分布、閃爍效應(yīng)和抖動(dòng)效應(yīng)的變化規(guī)律.

更新組件電路中有源芯片在真實(shí)溫度下的S參數(shù)，進(jìn)行電路重分析，獲得更新后各收/發(fā)通道的VSWR和S21等指標(biāo)。如果指標(biāo)滿足電訊設(shè)計(jì)要求，則完成T/R組件的多學(xué)科設(shè)計(jì)，否則，按照如下優(yōu)先級(jí)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)或電訊特征的改進(jìn)設(shè)計(jì)：

a. 改進(jìn)殼體結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)，重新生成數(shù)模并迭代熱- 電磁協(xié)同分析，使得T/R組件在真實(shí)溫度下滿足電指標(biāo)要求。

b. 在改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)效果有限且芯片有備選的情況下，可以更換工作溫度范圍更寬的有源芯片，迭代電路分析。

c. 最惡劣情況下，需要改進(jìn)初始電路設(shè)計(jì)，優(yōu)化元器件的功率分布同時(shí)調(diào)整散熱路徑，進(jìn)行整個(gè)設(shè)計(jì)流程的迭代。

3 仿真案例

3.1 數(shù)模及參數(shù)

對(duì)某寬頻帶4通道片式T/R組件進(jìn)行熱- 電磁協(xié)同設(shè)計(jì)，多學(xué)科數(shù)模如圖1所示。

模型的幾何初始參數(shù)如殼體尺寸、電路板厚度、帶狀線寬度、芯片焊層厚度等采用參數(shù)化建模，更改這些參數(shù)可實(shí)現(xiàn)模型快速重構(gòu)。

根據(jù)2.1節(jié)中的設(shè)計(jì)分析流程，在ANSYS workbench(WB)軟件平臺(tái)中建立該T/R組件的熱- 電磁協(xié)同仿真流程，如圖3所示。部分?jǐn)?shù)據(jù)之間的傳遞在軟件中尚不支持，通過(guò)編寫腳本完成。

圖3 WB中實(shí)現(xiàn)T/R組件熱- 電磁協(xié)同仿真

3.2 場(chǎng)路建模及分析

圖4 HFSS中T/R組件電磁分析模型

模型網(wǎng)格劃分在導(dǎo)體傳輸路徑上進(jìn)行加密，考慮殼體內(nèi)部真實(shí)的腔體效應(yīng)，將多層電路板包圍在與殼體內(nèi)腔等同體積的空氣盒子內(nèi)，激勵(lì)端口包括連接器表面的波端口和電路內(nèi)部的集總端口。

將電磁分析結(jié)果與常溫下的芯片S參數(shù)模型在電路軟件Circuit中集聯(lián)，形成T/R組件有源電路。接收和發(fā)送通道在模型中用開關(guān)切換。本案例中模擬了單個(gè)通道的收發(fā)電路，其他通道的芯片端口用匹配負(fù)載連接。

通過(guò)線性頻率分析，給出完整電路的散射系數(shù)，如圖5和圖6所示，總端口的VSWR和S21均滿足指標(biāo)要求。

通過(guò)諧波平衡分析獲得各個(gè)波端口的實(shí)際激勵(lì)，再推送給T/R組件電磁模型，得到實(shí)際激勵(lì)下電路內(nèi)部各芯片上的功率。在本案例中，功率較大的芯片包括功放芯片、多功能芯片以及低噪放芯片。

圖5 T/R組件有源電路的插損

圖6 T/R組件總端口的駐波比

3.3 熱- 電磁分析結(jié)果

將數(shù)模中僅與電磁分析相關(guān)的模型特征，包括連接器、射頻網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行抑制，導(dǎo)入Static- State Thermal模塊中建立T/R組件的熱分析有限元模型，如圖7所示。

圖7 T/R組件熱分析結(jié)構(gòu)模型

查閱芯片效率，將3.2節(jié)中獲得有源芯片功率轉(zhuǎn)化為熱耗并自動(dòng)導(dǎo)入到芯片實(shí)體結(jié)構(gòu)中作為T/R組件熱分析的載荷輸入。

根據(jù)實(shí)際散熱方式施加邊界條件，本案例中用溫度邊界模擬冷板散熱，獲得T/R組件在真實(shí)激勵(lì)下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度分布，如圖8所示。芯片在真實(shí)激勵(lì)下的最高溫度達(dá)到106 ℃。

圖8 T/R組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度分布

3.4 溫度對(duì)電指標(biāo)的影響及改進(jìn)

查閱芯片知識(shí)庫(kù)，提取各個(gè)有源芯片在實(shí)際溫度下的S參數(shù)，并在電路模型中進(jìn)行自動(dòng)更新，迭代電路分析獲得更新后的電指標(biāo)參數(shù)，如圖9所示的總端口的駐波比。

圖9 溫度變化對(duì)T/R組件端口VSWR的影響

本案例的T/R組件的單通道功率和熱流密度有限，因此，雖然有源芯片的S參數(shù)從常溫到實(shí)際溫度下發(fā)生變化，使得T/R組件的端口駐波在部分頻率點(diǎn)接近設(shè)計(jì)上限，但并未超過(guò)設(shè)計(jì)閾值(VSWR<1.5)。從保守設(shè)計(jì)考慮，可以改進(jìn)功放芯片下方的導(dǎo)熱柱設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種片式T/R組件的多學(xué)科建模方法并基于該模型實(shí)現(xiàn)組件的熱- 電磁協(xié)同設(shè)計(jì)，該方法具備可根據(jù)參數(shù)快速重構(gòu)組件電磁和結(jié)構(gòu)特征、多物理場(chǎng)仿真數(shù)據(jù)匹配傳遞等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)T/R組件的快速、全性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

以ANSYS Workbench軟件為平臺(tái)，將T/R組件的熱- 電磁協(xié)同設(shè)計(jì)方法流程化，通過(guò)各個(gè)軟件模塊的交互分析完成了某片式T/R組件的多學(xué)科設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了本文方法的可行性和有效性。