房文/金陵機(jī)械制造總廠

0 引言

在相控陣技術(shù)迅速發(fā)展的今天，以相控陣技術(shù)為基礎(chǔ)的裝備已成為多平臺(tái)綜合電子戰(zhàn)和信息戰(zhàn)的核心裝備。T/R 組件作為相控陣裝備的核心部件，組成復(fù)雜、數(shù)量巨大，其性能在很大程度上決定著有源相控陣?yán)走_(dá)的性 能。

T/R 組件電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試難度大，以往維修中多是依靠人為經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)試，可繼承性差、理論指導(dǎo)薄弱、對(duì)維修人員要求高，給批量修理帶來(lái)了困 難。

針對(duì)T/R 組件維修中遇到的難題，本項(xiàng)目采用X 射線CT 分層掃描、ADS高級(jí)仿真分析系統(tǒng)等軟硬件措施，開(kāi)展T/R 組件微波電路結(jié)構(gòu)和微波特性故障仿真研究，建立T/R 組件微波特性故障分析模型，并將其運(yùn)用到T/R 組件的修理中，探索T/R 組件修理新模 式。

1 T/R 組件修理難點(diǎn)與解決措施

1.1 修理難點(diǎn)

修理時(shí)，需要對(duì)T/R 組件進(jìn)行快速測(cè)試及故障定位，然后進(jìn)行故障元器件的更換、局部微電路的調(diào)試等修復(fù)工作。其修理難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方 面。

1）T/R 組件快速測(cè)試與故障定位。T/R 組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量多，修理中需要對(duì)組件進(jìn)行快速測(cè)試與故障定位，才能保證修理效率。

2）T/R 組件微波電路阻抗匹配調(diào)試。T/R 組件散射參數(shù)（包含隔離、增益和回波損耗等）與微波電路阻抗匹配程度密切相關(guān)。只有掌握微波電路局部阻抗匹配調(diào)試技術(shù)及規(guī)律，才能有針對(duì)性地對(duì)T/R 組件S 參數(shù)離散、因阻抗失配導(dǎo)致組件性能下降等情況進(jìn)行修 理。

3）T/R 組件微組裝工藝復(fù)雜。T/R組件中的電路大量采用了微組裝工藝，即采用環(huán)氧粘接、共晶焊接等工藝將裸芯片貼裝于基板表面，然后采用金絲/金帶鍵合實(shí)現(xiàn)器件間互連。在修理中如果故障定位不準(zhǔn)，易造成器件反復(fù)拆裝，降低產(chǎn)品可靠性。

4）對(duì)維修人員要求高。目前T/R組件的修理多是依靠有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員開(kāi)展，這種做法可繼承性差、理論指導(dǎo)薄弱，給批量修理帶來(lái)了困難。

1.2 解決措施

針對(duì)上述難題，本項(xiàng)目試圖通過(guò)開(kāi)展以下幾方面的研究，建立T/R 組件微波特性故障分析模型，形成T/R 組件故障查詢軟件，用以指導(dǎo)T/R 組件的修理工作。

1）T/R 組件微波特性故障模型的建立和研究

基于ADS 軟件，首先建立T/R 組件中單個(gè)器件的軟件模型，實(shí)現(xiàn)特定功能的仿真，之后調(diào)用多個(gè)仿真器，完成T/R 組件拓?fù)淠Ｐ偷难芯?，分析單?jí)器件參數(shù)變化對(duì)組件輸出性能的影響規(guī)律。此外，依靠三維電磁場(chǎng)仿真軟件研究T/R 組件腔體效應(yīng)。

2）T/R 組件微波特性故障模型仿真對(duì)實(shí)際修理的指導(dǎo)研究

依據(jù)T/R 組件微波特性故障模型仿真研究結(jié)果，驗(yàn)證模型的正確性，同時(shí)根據(jù)實(shí)際修理情況對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化完善，對(duì)T/R 組件實(shí)際修理進(jìn)行理論指 導(dǎo)。

2 ADS 仿真模型的建立

2.1 T/R 組件原理研究

本項(xiàng)目研究的某型T/R 組件通過(guò)天線向外發(fā)射微波大功率能量，接收回波小信號(hào)，進(jìn)行低噪聲放大處理，同時(shí)通過(guò)其移相器和數(shù)控衰減器等電路，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)有源天線系統(tǒng)發(fā)射波束和接收波束在空中的形成，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)波束的有序調(diào)配與控制。該型T/R 組件原理框圖如圖1 所示，包含發(fā)射通道（見(jiàn) 圖2）、接收通道（見(jiàn)圖3）和共用的驅(qū)動(dòng)電路。

2.2 ADS 單級(jí)器件模型建立

ADS（Advanced Design System）軟件是Agilent 公司的高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是專門(mén)面向微帶電路設(shè)計(jì)和仿真的EDA工具，利用該軟件可以進(jìn)行微帶電路的優(yōu)化和仿真。

該型雷達(dá)T/R 組件包含多個(gè)單級(jí)器件，研究過(guò)程中利用ADS 軟件對(duì)其低噪聲放大器、收發(fā)開(kāi)關(guān)、數(shù)控衰減器和移相器等單級(jí)器件逐個(gè)進(jìn)行建模。下面以低噪聲放大器為例，闡述單級(jí)器件模型的建立與驗(yàn)證。

低噪聲放大器如圖4 所示，其原理框圖如圖5 所示，雷達(dá)接收到的信號(hào)通過(guò)3dB 電橋A 功分為兩路等幅信號(hào)分別輸入兩路對(duì)稱的放大支路。任意一路發(fā)射支路中，功分后的信號(hào)通過(guò)限幅控制電路后輸入兩級(jí)功率放大電路，最后通過(guò)3dB 電橋B 合路輸 出。

通過(guò)ADS 軟件建立低噪聲放大器仿真模型。由圖6 所示的仿真結(jié)果可知，在頻段范圍內(nèi)，增益、噪聲系數(shù)能滿足器件的性能指標(biāo)要求。

2.3 T/R 組件微波特性故障模型拓?fù)溲芯?/h3>

1）ADS 原理圖仿真

通過(guò)ADS 仿真軟件搭建的T/R 組件原理圖（Schematic）模型如圖7 所示。其中低噪聲放大器、收發(fā)開(kāi)關(guān)、數(shù)控衰減器和移相器等單級(jí)器件采用自行設(shè)計(jì)的器件模型；3dB 電橋、環(huán)形器和各級(jí)功率管直接使用ADS 自帶模型；通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到基板厚度及50Ω 微帶線寬度，同時(shí)根據(jù)ADS 自帶的微帶線計(jì)算工具可反推出基板介電常數(shù)近似值，如圖8 所示。

模型通過(guò)控制碼K1、K2、K3、K4控制T/R 組件工作狀態(tài)：K1、K2 組合控制HMC245QS16 開(kāi)關(guān)芯片的指向；K3 為接收保護(hù)開(kāi)關(guān)，為1 時(shí)接收通道工作，為0 時(shí)接收通道關(guān)斷；K4 為功率開(kāi)關(guān)，為1 時(shí)發(fā)射通道工作，為0 時(shí)不工作。

圖1 T/R組件原理框圖

圖2 T/R組件發(fā)射通道信號(hào)流程圖

圖3 T/R組件接收通道信號(hào)流程圖

圖4 低噪聲放大器電路板

圖5 低噪聲放大器原理框圖

圖6 低噪聲放大器仿真結(jié)果

圖7 T/R組件原理圖模型

圖8 微帶線計(jì)算工具界面

圖9 原理圖發(fā)射通道仿真結(jié)果

因此，當(dāng)K1、K2、K3、K4分別為“0101”時(shí)，原理圖發(fā)射通道仿真結(jié)果如圖9 所示；當(dāng)K1、K2、K3、K4 分別為“1010”時(shí)，原理圖接收通道仿真結(jié)果如圖10 所 示。

由仿真結(jié)果可知，發(fā)射通道增益、接收通道增益、接收通道噪聲系數(shù)均能滿足產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求。

2）ADS 版圖生成

ADS 的版圖（Layout）仿真是采用矩量法（Momentum）直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確。

生成版圖前，先將去除原理圖中所有器件、用于S 參數(shù)仿真的兩個(gè)Term控件接地，只保留微帶線。然后點(diǎn)擊菜單中的Layout →Generate/Update Layout，生成版圖。

版圖生成后，先設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)，考慮到基板與上蓋板之間的空間，特增加了一個(gè)8.5 mm 的空間層。然后點(diǎn)擊工具欄上的Port 按鈕，給版圖電路添加端口后，生成3D 模型，如圖11 所示。

3）聯(lián)合仿真

通過(guò)“l(fā)ookAlike”算法進(jìn)行ADS原理圖和Layout 版圖的聯(lián)合仿真。

首先，通過(guò)ADS 軟件建立聯(lián)合仿真模型，如圖12 所示。

與原理圖仿真一樣，聯(lián)合仿真同樣通過(guò)控制碼K1、K2、K3、K4 控制T/R 組件工作狀態(tài)。當(dāng)K1、K2、K3、K4分別為“0101”時(shí)，為發(fā)射通道工作狀態(tài)；當(dāng)K1、K2、K3、K4 分別為“1010”時(shí)，為接收通道工作狀態(tài)。模型優(yōu)化后的發(fā)射通道聯(lián)合仿真結(jié)果如圖13 所示，接收通道聯(lián)合仿真結(jié)果如圖14 所 示。

由仿真結(jié)果可知，發(fā)射通道增益、接收通道增益、接收通道噪聲系數(shù)均能滿足產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求。

圖10 原理圖接收通道仿真結(jié)果

圖11 T/R組件momentum3D模型

圖12 聯(lián)合仿真模型

3 仿真模型在T/R 組件修理中的應(yīng)用

3.1 T/R 組件虛擬維修技術(shù)應(yīng)用

在微波模塊修理中，電路失配會(huì)造成輸出功率小、移相精度差等常見(jiàn)故障，由于T/R 組件微波電路的輸入、輸出匹配對(duì)產(chǎn)品功能恢復(fù)有至關(guān)重要的作用，且不具有互換性、可借鑒性，因而調(diào)試時(shí)很大程度上依賴修理人員的 經(jīng)驗(yàn)。

通過(guò)已建立的基于ADS 軟件的T/R組件仿真模型，可以對(duì)模型中的微帶電路參數(shù)與器件參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行T/R 組件聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果不但可以指導(dǎo)實(shí)際修理工作，而且可用于T/R 組件修理的虛擬培訓(xùn)。

例如，某T/R 組件的故檢結(jié)果為發(fā)射功率超差。根據(jù)故檢情況，更改仿真模型中微帶電路匹配參數(shù)（如微帶線寬度等），可以還原產(chǎn)品故障現(xiàn)象，仿真結(jié)果如圖15 所示。

實(shí)際修理時(shí)，修理人員根據(jù)仿真結(jié)果，有的放矢地調(diào)整了10W 功放電路中的微帶線，使其阻抗匹配后，發(fā)射功率測(cè)試合格。

3.2 建立T/R 組件微波特性類故障查詢系統(tǒng)

T/R 組件實(shí)際修理中的絕大多數(shù)故障為微波特性類故障，本項(xiàng)目通過(guò)改變T/R 組件仿真模型中的微帶線參數(shù)和單級(jí)元件參數(shù)特征，分析其對(duì)T/R 組件整體輸出的影響規(guī)律，逐步建立了某型T/R 組件故障查詢系統(tǒng)（見(jiàn)圖16），并將其模擬分析結(jié)果用于指導(dǎo)實(shí)際修理。該軟件將產(chǎn)品收發(fā)通道劃分為補(bǔ)償放大器電路、2.5W 功放電路、10W 功放電路、65W 功放電路、130W 功放電路、移相器電路、收發(fā)開(kāi)關(guān)電路、限幅低噪聲放大器電路和數(shù)控衰減器電路。使用時(shí)，可以先將故障現(xiàn)象粗略定位于分電路，再根據(jù)分電路仿真情況，對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位，提出修理方式建議。

圖13 發(fā)射通道聯(lián)合仿真結(jié)果

圖14 接收通道聯(lián)合仿真結(jié)果

圖15 故障還原仿真結(jié)果

圖16 某型T/R組件故障查詢軟件

4 結(jié)束語(yǔ)

T/R 組件作為有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件，其數(shù)量之多、單部成本高已成為不爭(zhēng)的事實(shí)，實(shí)現(xiàn)T/R 組件深修精修是完成有源相控陣?yán)走_(dá)修理的關(guān)鍵。以往在修理中依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)因素過(guò)多，可繼承性不強(qiáng)，缺乏系統(tǒng)上和理論上的深入分析。本項(xiàng)目立足于S 波段T/R 組件的測(cè)試維修開(kāi)展基礎(chǔ)性研究，探索新的修理模式，可使前期積累的T/R 組件測(cè)試調(diào)試經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步上升到理論分析層面，其成果能夠應(yīng)用于目前S 波段T/R組件的深修精修。