仿真模型在T/R 组件修理中的应用探索

房文/金陵机械制造总厂

0 引言

在相控阵技术迅速发展的今天，以相控阵技术为基础的装备已成为多平台综合电子战和信息战的核心装备。T/R 组件作为相控阵装备的核心部件，组成复杂、数量巨大，其性能在很大程度上决定着有源相控阵雷达的性 能。

T/R 组件电路结构复杂、调试难度大，以往维修中多是依靠人为经验进行调试，可继承性差、理论指导薄弱、对维修人员要求高，给批量修理带来了困 难。

针对T/R 组件维修中遇到的难题，本项目采用X 射线CT 分层扫描、ADS高级仿真分析系统等软硬件措施，开展T/R 组件微波电路结构和微波特性故障仿真研究，建立T/R 组件微波特性故障分析模型，并将其运用到T/R 组件的修理中，探索T/R 组件修理新模 式。

1 T/R 组件修理难点与解决措施

1.1 修理难点

修理时，需要对T/R 组件进行快速测试及故障定位，然后进行故障元器件的更换、局部微电路的调试等修复工作。其修理难点主要体现在以下几个方 面。

1）T/R 组件快速测试与故障定位。T/R 组件结构复杂、数量多，修理中需要对组件进行快速测试与故障定位，才能保证修理效率。

2）T/R 组件微波电路阻抗匹配调试。T/R 组件散射参数（包含隔离、增益和回波损耗等）与微波电路阻抗匹配程度密切相关。只有掌握微波电路局部阻抗匹配调试技术及规律，才能有针对性地对T/R 组件S 参数离散、因阻抗失配导致组件性能下降等情况进行修 理。

3）T/R 组件微组装工艺复杂。T/R组件中的电路大量采用了微组装工艺，即采用环氧粘接、共晶焊接等工艺将裸芯片贴装于基板表面，然后采用金丝/金带键合实现器件间互连。在修理中如果故障定位不准，易造成器件反复拆装，降低产品可靠性。

4）对维修人员要求高。目前T/R组件的修理多是依靠有经验的技术人员开展，这种做法可继承性差、理论指导薄弱，给批量修理带来了困难。

1.2 解决措施

针对上述难题，本项目试图通过开展以下几方面的研究，建立T/R 组件微波特性故障分析模型，形成T/R 组件故障查询软件，用以指导T/R 组件的修理工作。

1）T/R 组件微波特性故障模型的建立和研究

基于ADS 软件，首先建立T/R 组件中单个器件的软件模型，实现特定功能的仿真，之后调用多个仿真器，完成T/R 组件拓扑模型的研究，分析单级器件参数变化对组件输出性能的影响规律。此外，依靠三维电磁场仿真软件研究T/R 组件腔体效应。

2）T/R 组件微波特性故障模型仿真对实际修理的指导研究

依据T/R 组件微波特性故障模型仿真研究结果，验证模型的正确性，同时根据实际修理情况对模型进行优化完善，对T/R 组件实际修理进行理论指 导。

2 ADS 仿真模型的建立

2.1 T/R 组件原理研究

本项目研究的某型T/R 组件通过天线向外发射微波大功率能量，接收回波小信号，进行低噪声放大处理，同时通过其移相器和数控衰减器等电路，实现雷达有源天线系统发射波束和接收波束在空中的形成，实现雷达系统对波束的有序调配与控制。该型T/R 组件原理框图如图1 所示，包含发射通道（见 图2）、接收通道（见图3）和共用的驱动电路。

2.2 ADS 单级器件模型建立

ADS（Advanced Design System）软件是Agilent 公司的高级设计系统，是专门面向微带电路设计和仿真的EDA工具，利用该软件可以进行微带电路的优化和仿真。

该型雷达T/R 组件包含多个单级器件，研究过程中利用ADS 软件对其低噪声放大器、收发开关、数控衰减器和移相器等单级器件逐个进行建模。下面以低噪声放大器为例，阐述单级器件模型的建立与验证。

低噪声放大器如图4 所示，其原理框图如图5 所示，雷达接收到的信号通过3dB 电桥A 功分为两路等幅信号分别输入两路对称的放大支路。任意一路发射支路中，功分后的信号通过限幅控制电路后输入两级功率放大电路，最后通过3dB 电桥B 合路输 出。

通过ADS 软件建立低噪声放大器仿真模型。由图6 所示的仿真结果可知，在频段范围内，增益、噪声系数能满足器件的性能指标要求。

2.3 T/R 组件微波特性故障模型拓扑研究

1）ADS 原理图仿真

通过ADS 仿真软件搭建的T/R 组件原理图（Schematic）模型如图7 所示。其中低噪声放大器、收发开关、数控衰减器和移相器等单级器件采用自行设计的器件模型；3dB 电桥、环形器和各级功率管直接使用ADS 自带模型；通过实际测量得到基板厚度及50Ω 微带线宽度，同时根据ADS 自带的微带线计算工具可反推出基板介电常数近似值，如图8 所示。

模型通过控制码K1、K2、K3、K4控制T/R 组件工作状态：K1、K2 组合控制HMC245QS16 开关芯片的指向；K3 为接收保护开关，为1 时接收通道工作，为0 时接收通道关断；K4 为功率开关，为1 时发射通道工作，为0 时不工作。

图1 T/R组件原理框图

图2 T/R组件发射通道信号流程图

图3 T/R组件接收通道信号流程图

图4 低噪声放大器电路板

图5 低噪声放大器原理框图

图6 低噪声放大器仿真结果

图7 T/R组件原理图模型

图8 微带线计算工具界面

图9 原理图发射通道仿真结果

因此，当K1、K2、K3、K4分别为“0101”时，原理图发射通道仿真结果如图9 所示；当K1、K2、K3、K4 分别为“1010”时，原理图接收通道仿真结果如图10 所 示。

由仿真结果可知，发射通道增益、接收通道增益、接收通道噪声系数均能满足产品技术指标要求。

2）ADS 版图生成

ADS 的版图（Layout）仿真是采用矩量法（Momentum）直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确。

生成版图前，先将去除原理图中所有器件、用于S 参数仿真的两个Term控件接地，只保留微带线。然后点击菜单中的Layout →Generate/Update Layout，生成版图。

版图生成后，先设置微带电路的基本参数，考虑到基板与上盖板之间的空间，特增加了一个8.5 mm 的空间层。然后点击工具栏上的Port 按钮，给版图电路添加端口后，生成3D 模型，如图11 所示。

3）联合仿真

通过“lookAlike”算法进行ADS原理图和Layout 版图的联合仿真。

首先，通过ADS 软件建立联合仿真模型，如图12 所示。

与原理图仿真一样，联合仿真同样通过控制码K1、K2、K3、K4 控制T/R 组件工作状态。当K1、K2、K3、K4分别为“0101”时，为发射通道工作状态；当K1、K2、K3、K4 分别为“1010”时，为接收通道工作状态。模型优化后的发射通道联合仿真结果如图13 所示，接收通道联合仿真结果如图14 所 示。

由仿真结果可知，发射通道增益、接收通道增益、接收通道噪声系数均能满足产品技术指标要求。

图10 原理图接收通道仿真结果

图11 T/R组件momentum3D模型

图12 联合仿真模型

3 仿真模型在T/R 组件修理中的应用

3.1 T/R 组件虚拟维修技术应用

在微波模块修理中，电路失配会造成输出功率小、移相精度差等常见故障，由于T/R 组件微波电路的输入、输出匹配对产品功能恢复有至关重要的作用，且不具有互换性、可借鉴性，因而调试时很大程度上依赖修理人员的 经验。

通过已建立的基于ADS 软件的T/R组件仿真模型，可以对模型中的微带电路参数与器件参数进行调整，并进行T/R 组件联合仿真，仿真结果不但可以指导实际修理工作，而且可用于T/R 组件修理的虚拟培训。

例如，某T/R 组件的故检结果为发射功率超差。根据故检情况，更改仿真模型中微带电路匹配参数（如微带线宽度等），可以还原产品故障现象，仿真结果如图15 所示。

实际修理时，修理人员根据仿真结果，有的放矢地调整了10W 功放电路中的微带线，使其阻抗匹配后，发射功率测试合格。

3.2 建立T/R 组件微波特性类故障查询系统

T/R 组件实际修理中的绝大多数故障为微波特性类故障，本项目通过改变T/R 组件仿真模型中的微带线参数和单级元件参数特征，分析其对T/R 组件整体输出的影响规律，逐步建立了某型T/R 组件故障查询系统（见图16），并将其模拟分析结果用于指导实际修理。该软件将产品收发通道划分为补偿放大器电路、2.5W 功放电路、10W 功放电路、65W 功放电路、130W 功放电路、移相器电路、收发开关电路、限幅低噪声放大器电路和数控衰减器电路。使用时，可以先将故障现象粗略定位于分电路，再根据分电路仿真情况，对故障点进行精确定位，提出修理方式建议。

图13 发射通道联合仿真结果

图14 接收通道联合仿真结果

图15 故障还原仿真结果

图16 某型T/R组件故障查询软件

4 结束语

T/R 组件作为有源相控阵雷达的核心部件，其数量之多、单部成本高已成为不争的事实，实现T/R 组件深修精修是完成有源相控阵雷达修理的关键。以往在修理中依靠个人经验因素过多，可继承性不强，缺乏系统上和理论上的深入分析。本项目立足于S 波段T/R 组件的测试维修开展基础性研究，探索新的修理模式，可使前期积累的T/R 组件测试调试经验进一步上升到理论分析层面，其成果能够应用于目前S 波段T/R组件的深修精修。