一種基于ADS仿真的L波段固態(tài)功放失效分析

　　董?亮，薛?新（中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江?嘉興?314033）

　　摘?要：本文介紹了一種利用ADS軟件建模進(jìn)行功率管失效分析的方法。首先通過ADS對PCB板進(jìn)行模型提取，然后版圖仿真，再導(dǎo)入原理圖中進(jìn)行版圖原理圖聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)較吻合。最后根據(jù)實(shí)際現(xiàn)象修改板材模型，對不同油脂參數(shù)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與實(shí)際故障現(xiàn)象具備較高的吻合度。該方法可以對功放故障進(jìn)行定量分析，能更準(zhǔn)確地進(jìn)行故障定位。

　　關(guān)鍵詞：ADS；失效分析；功率放大器

　　0 引言

　　固態(tài)功率放大器因?yàn)槠湫矢摺Ⅲw積小、線性度好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在電子對抗、衛(wèi)星通信、移動基站、雷達(dá)等領(lǐng)域 ^[1-2] 。固態(tài)功率放大器的故障分析往往都是通過設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，會有個(gè)定性的分析，通過不斷地試驗(yàn)來驗(yàn)證故障排查的準(zhǔn)確性。這就需要耗費(fèi)大量的經(jīng)歷和時(shí)間來進(jìn)行功放的失效分析。

　　本文利用ADS軟件，針對功放管的一種故障，進(jìn)行建模仿真分析。首先通過ADS提取功放板的PCB模型，在ADS軟件中進(jìn)行版圖仿真。在根據(jù)故障現(xiàn)象，仿真在印制板底層出現(xiàn)油層情況下的工作狀態(tài)。仿真了油層不同的厚度、不同介電常數(shù)下的功率輸出情況。仿真結(jié)果與實(shí)際的故障現(xiàn)象有很高的吻合度，準(zhǔn)確定位了故障點(diǎn)。該方法可以根據(jù)不同的故障現(xiàn)象建立不同的模型，進(jìn)行故障分析，為以后功放的故障排查提供了一種可行的方案。

　　1 故障描述

　　該功率放大模塊工作頻段為1 MHz～2 MHz，功率為單模塊80 W輸出，但在可靠性試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)每個(gè)模塊的功率值以及效率值均下降了，導(dǎo)致功放單機(jī)功率輸出不足，無法滿足指標(biāo)要求。進(jìn)一步拆開故障部位PCB檢查，發(fā)現(xiàn)PCB底部與功放殼體接觸的部分有很厚一層油脂，如圖1所示。該層油脂是由于高熱硅脂在不斷地冷熱交替過程中揮發(fā)出來，通過模塊底下的螺紋孔堆積在印制板與腔體間。

　　2 ADS建模及仿真

　　圖2所示的是該功放模塊的印制板圖，該電路由輸入匹配電路、輸出匹配電路、柵極供電電路以及漏極供電電路組成。

　　將該版圖導(dǎo)出至DXF格式，再從ADS導(dǎo)入該模型 ^[3] ，對一些接地區(qū)域以及調(diào)試用的部分進(jìn)行刪除處理。然后對該版圖進(jìn)行Layout（布局）板仿真，再將仿真結(jié)果導(dǎo)入到原理圖中。在各個(gè)端口加上與實(shí)際電路一致的元器件。最后得到的該功放模塊的仿真版圖如圖3所示。

　　正常情況下的基板材料設(shè)置：介電常數(shù)=2.55；損耗角正切tan D=0.0018；介質(zhì)層厚度=0.508 mm，微帶距離上蓋板距離15 mm，微帶金屬層厚度為0.036mm，板材設(shè)置的模型圖如圖4所示。

　　設(shè)置仿真頻點(diǎn)在1 GHz~2 GHz，仿真結(jié)果圖如圖5所示。仿真結(jié)果表明，功放模塊正常工作情況下輸出功率Pout在80 W以上。效率PAE效率在50%以上，增益在12 dB以上。基本與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合。

　　在印制板與殼體底部金屬層有油層的情況下，我們改變板材模型，在原來的基礎(chǔ)上再增加一層油層，板材模型圖如圖6所示。

　　由于該油層的介電常數(shù)與厚度無法精確測量，我們仿真了多組數(shù)據(jù)做對比。分別做了油層介電常數(shù)1、2.5、5、10；油層厚度0.05 mm以及0.1 mm情況下的各種仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：油層的厚度越厚，功放的輸出功率越小，效率越低；相同厚度的情況下，油層介電常數(shù)越小，功放的輸出功率越小，效率越低。

　　本機(jī)使用的硅脂中硅油的介電常數(shù)在2.5左右，由圖7可以看出功放模塊的輸出功率與效率指標(biāo)均大幅度下降，輸出功率下降了（10 W~20 W），效率最大降低8%。故障功放模塊的實(shí)測功率與效率下降數(shù)據(jù)如圖7所示，與仿真結(jié)果具有較高的吻合度，可以確認(rèn)是由于油層的原因?qū)е鹿收系陌l(fā)生。后期將功放模塊用酒精對PCB（印制板）和殼體進(jìn)行徹底清洗，然后在重新裝配完成后對殼體反面螺釘孔進(jìn)行點(diǎn)膠封堵，避免硅油從螺釘孔滲入殼體內(nèi)部。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該故障已徹底解決。

　　3 結(jié)論

　　本文利用ADS軟件，對功放模塊出現(xiàn)的一種故障問題進(jìn)行了模擬仿真，對功放的故障情況進(jìn)行了定量分析。仿真結(jié)果表明，在出現(xiàn)油層的情況下，功率與效率都會出現(xiàn)一定程度的下降，下降的程度與油層的介電常數(shù)以及油層的厚度相關(guān)。故障模塊油層的介電常數(shù)在2.5左右，厚度在0.1 mm左右的情況下，對功率下降值以及效率下降值做了對比，對比結(jié)果表明仿真結(jié)果與故障現(xiàn)象有著很高的吻合度。說明可以采用此方法來對功放故障進(jìn)行定量的判斷，幫助設(shè)計(jì)師更準(zhǔn)確判斷功放的故障原因。本文只是針對一種故障現(xiàn)場進(jìn)行了模擬仿真，對更多的故障情況可以根據(jù)不同故障狀態(tài)，建立不同的仿真模型，對其進(jìn)行故障的定量分析。此方法可以進(jìn)行推廣應(yīng)用，為以后功放故障的準(zhǔn)確定位提供一種思路。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]黃謀輝.射頻功率放大器的研究與設(shè)計(jì)[D].北京：北京郵電大學(xué),2007．

　　[2] INDER B.PRAKASH B.微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)[M].鄭新,等,譯.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2006:354.394.

　　[3]徐興福,何川.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009．

　　作者簡介

　　董亮，工程師，主要研究方向：功率放大器電路設(shè)計(jì)。

　　薛新，高級工程師，主要研究方向：功率放大器電路設(shè)計(jì)。

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第59頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。