搜索EMPro 在微波組件設(shè)計(jì)中的應(yīng)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(dá)、通信、電子對(duì)抗等系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)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(yīng)用的
要求和技術(shù)發(fā)展情況, 對(duì)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(chǔ),除了應(yīng)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(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)技巧同樣對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真,基于仿真結(jié)果可以對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估,這樣可以提高設(shè)計(jì)效率,提升一次設(shè)計(jì)成功的概率,同時(shí)通過仿真可以判斷組件中對(duì)性能影響較大的電路部分,這對(duì)優(yōu)化方案,提高組件性能的一致性具有重要指導(dǎo)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(shè)置等。在建立合理的模
型,并正確設(shè)置仿真環(huán)境后仿真軟件的精度決定了仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的吻合度(假設(shè)制造工藝可以保證)。
本文利用電磁場(chǎng)仿真軟件EMPro[2]進(jìn)行微波組件的設(shè)計(jì),并把仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果以及用ADSMomentum[3]仿真的結(jié)果進(jìn)行比較分析,并得出了一些結(jié)論。
2 組件設(shè)計(jì)和EMPro 仿真
本文利用EMPro 指導(dǎo)設(shè)計(jì)一款X 波段微波通道組件,該組件將天線接收的信號(hào)進(jìn)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(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(shè)計(jì)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(biāo)。然后通過測(cè)試或者器件廠商提供得到每個(gè)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(jì)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(jìn)行電路級(jí)的仿真就可以得到整個(gè)組件的S 參數(shù)。對(duì)該參數(shù)進(jìn)行分析,可以大致判斷設(shè)計(jì)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(duì)整個(gè)組件的指標(biāo)影響大,以利于進(jìn)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(shè)計(jì)方案,加工制造組件,之后用相關(guān)儀器測(cè)試指標(biāo),把實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以得到一些結(jié)論。
本文準(zhǔn)備利用EMPro 進(jìn)行組件的仿真,同時(shí)為了得到更全面的結(jié)論,再用ADS Momentum 進(jìn)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(fù)雜系統(tǒng)三維時(shí)域仿真,計(jì)算速度快,仿真平臺(tái)內(nèi)存消耗不大,頻域結(jié)果由FFT 從時(shí)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(dǎo)入),設(shè)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(jìn)行電路級(jí)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(shè)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(yàn),對(duì)于平面微帶電路,利用電磁場(chǎng)仿真軟件ADS-Momentum 同樣可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。
ADS-Momentum 是一款基于矩量法的電磁場(chǎng)仿真軟件,對(duì)于“二維半”結(jié)構(gòu)仿真速度快,精度高。ADS-Momentum 中建模比較簡(jiǎn)單,不需要設(shè)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(shè)置實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)束后得到SnP 文件,再把器件的S2P 文件帶入進(jìn)行電路級(jí)仿真,即可得到整個(gè)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(yàn)設(shè)計(jì)、加工、裝配了微波通道組件,并使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試該組件,仿真數(shù)據(jù)和測(cè)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(lán)色的曲線是實(shí)測(cè)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(lán)色的曲線是實(shí)測(cè)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(hào)增益,藍(lán)色的曲線是實(shí)測(cè)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(duì)比可以發(fā)現(xiàn),仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合,利用ADS-Momentum仿真的結(jié)果與實(shí)測(cè)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(shè)置有關(guān)?；谇懊娴?/span>工作還可以發(fā)現(xiàn): 對(duì)于平面微帶電路, ADSMomentum建模簡(jiǎn)單,計(jì)算量不大,普通辦公計(jì)算機(jī)就可以完成,而EMPro 的建模復(fù)雜,設(shè)置繁瑣,計(jì)算量大,需專業(yè)的計(jì)算平臺(tái)才可以完成。
5 結(jié)論
本文使用EMPro 仿真指導(dǎo)設(shè)計(jì)微波通道組件,之后加工,裝配該組件,利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試,并對(duì)比仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果,同時(shí)使用ADS-Momentum 進(jìn)行仿真,再與上述結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。發(fā)現(xiàn)EMPro 的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合,ADS-Momentum 的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合度優(yōu)于EMPro 。對(duì)于大部分的平面微波電路, ADSMomentum可以較好的完成仿真工作。
Electromagnetic Professional(EMPro)是 Keysight EEsof EDA 的軟件設(shè)計(jì)平臺(tái),用于分析元器件的三維電磁場(chǎng)(EM)效應(yīng),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(shè)備。EMPro 具有現(xiàn)代領(lǐng)先的設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)環(huán)境――先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS),可用于快速高效地進(jìn)行射頻和微波電路設(shè)計(jì)。
(1)設(shè)計(jì)流程整合:通過使用電磁場(chǎng)電路仿真,創(chuàng)建可以在先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)中使用二維電路版圖以及原理圖進(jìn)行仿真的三維元器件。
(2)廣泛的仿真技術(shù):使用頻域和時(shí)域三維電磁場(chǎng)仿真技術(shù)設(shè)置和運(yùn)行分析:有限元方法(FEM)和時(shí)域有限差分法(FDTD)
(3)高效的用戶接口:使用現(xiàn)代的、簡(jiǎn)單的圖形用戶界面快速創(chuàng)建任意三維結(jié)構(gòu),該界面可以節(jié)省時(shí)間并提供先進(jìn)的腳本特征
是一個(gè)三維電磁場(chǎng)仿真平臺(tái),可以創(chuàng)建和導(dǎo)入任意三維結(jié)構(gòu),并運(yùn)行有限元方法(FEM)和有限差時(shí)域(FDTD)仿真。EMPro 是設(shè)計(jì)流程綜合解決方案的一部分,該方案還包括先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)電路設(shè)計(jì)環(huán)境和多電磁場(chǎng)仿真技術(shù)。
高效的現(xiàn)代三維固態(tài)建模環(huán)境
可以從頭開始或使用現(xiàn)有模板創(chuàng)建任意三維對(duì)象
可以導(dǎo)入、修改和仿真 CAD 文件
功能強(qiáng)大的 Python 腳本可提供先進(jìn)的自動(dòng)化功能
支持 Linux 和 Windows
與 ADS 設(shè)計(jì)流程整合
可以導(dǎo)出參數(shù)化三維元器件,并結(jié)合原理圖/版圖在 ADS 環(huán)境中進(jìn)行仿真
可從 ADS 導(dǎo)入版圖對(duì)象
頻域仿真
有限元方法(FEM)仿真引擎
最適合典型射頻/微波元器件仿真
針對(duì)不同應(yīng)用的直接或迭代求解器
EMPro 和 ADS 可提供相同的 FEM 引擎
時(shí)域仿真
時(shí)域有限差分(FDTD)仿真引擎
最適合天線仿真等大型電子問題以及信號(hào)完整性應(yīng)用
一致性測(cè)試選件可用于比吸收率(SAR)等常規(guī)分析
圖形處理器單元(GPU)加速選件可大幅提升速度和容量。
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