高功率射频前端自激问题分析与评估.pdf

电子工艺技术Electronics Process Technology322023年5月第44卷第3期摘要：随着雷达技术的发展，基于GaN技术的功率器件开始逐渐应用于雷达组件中。在使得雷达集成度、功率密度不断提升的同时，也增加了微波系统的不稳定性。针对典型高功率射频前端自激问题，通过对小信号增益曲线及空间隔离度进行仿真分析，揭示了该自激问题的产生机理。随后通过加装吸收负载的方式，完成了对这一问题的解决。关键词：雷达组件；自激问题；仿真分析中图分类号：TN95文献标识码：文章编号：1001-3474（2023）03-0032-03Abstract:With the development of radar technology,the power device of GaN technology is gradually applied to radar module.The integration degree and power denisity of radar are constantly improved,but the instability of microwave system is also increased.This paper focus on typical high power RF front-end self-excitation problem,using the simulation analysis of the small signal gain curve and spatial isolation degree,the mechanism of this self-excitation problem is revealed.Then we use the way of adding absorbing material,this problem is solved successfully.Keywords:radar component;self-excitation problem;simulation analysisDocument Code:A Article ID:1001-3474(2023)03-0032-03高功率射频前端自激问题分析与评估Analysis and Evaluation of High Power RF Front-end Self-excitation王庆，张兆华，崔凯WANG Qing,ZHANG Zhaohua,CUI Kai（南京电子技术研究所，南京 210039）(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039,China)0 引言近年来，随着相控阵雷达技术的发展，提升雷达组件功率密度、缩小雷达组件的质量和体积成为了一个重要的发展趋势1。得益于半导体技术的进步，以氮化镓器件为代表的第三代半导体开始大量应用于雷达组件中，使得雷达阵面在轻量化、小型化、高集成化方面取得了巨大的成就。但不可否认的是，随着雷达组件集成度、功率密度的不断提升，在狭小空间中布局多个高功率器件，会导致“增益”与“隔离度”之间的矛盾不断加剧。根据模拟电路理论2，在交流放大器中，一旦出现某一环路，满足“增益”大于“隔离度”这个条件，即会发生自激振荡现象，这将使得整个组件无法正常工作。本文从工程实践出发，针对一种高功率雷达组件出现的典型自激问题，通过理论分析及HFSS仿真等技术手段，成功完成了对该自激问题的分析定位，之后通过加装吸收负载的手段来解决。图1所示为一种典型的高功率射频前端原理框图，包含发射链路、接收链路。发射链路工作时的信号流向依次是开关、驱放、功放、环形器、天线，接收链路工作时的信号流向是天线、环形器、限幅器、低噪放、开关。作者简介：王庆（1 9 9 2-），男，硕士，毕业于电子科技大学微波集成电路专业，工程师，主要从事微波/毫米波混合集成电路应用方面 的研究工作。E-ma i l：1 1 9 8 1 3 9 8 9 0 q q.c o m。doi:10.14176/j.issn.1001-3474.2023.03.009第44卷第3期33图1 高功率射频前端原理框图图4 自激产品的宽带小信号增益图6 空间隔离度的仿真结果图5 H F S S 软件中对空间隔离度的仿真模型图2 某型高功率射频前端装配图图3 某型射频前端自激谱线1 产品设计及问题介绍图2所示为一种工作在X波段的射频前端产品（图中只展示发射链路部分），极小的射频信号从Pin端口进入，经过驱放载片和功放载片放大，到达Pout端口将变成一个百瓦级的大功率信号。驱放载片和功放载片通过微组装工艺焊接在壳体内。在电性能调试完成之后，利用一块金属盖板对整个壳体进行气密封装。该产品在设计完成之后，常温下可完成预期的放大功能。但在进行稳定性测试3时，发现部分产品存在自激现象。具体表现为：在不加微波激励信号、只加电源和控制信号时，输出口出现一根很高的自激谱线，谱线发生在9.72 GHz处，如图3所示。2 仿真分析与定位过程2.1 小信号增益曲线测试根据文献4所述，自激发生的条件是系统中形成了一个正反馈电路，被放大的信号来源是噪声信号，此时该放大器处于线性放大状态。利用“宽带小信号分析法”5对该产品从Pin端口到Pout端口的增益曲线进行测试，得到的结果如图4所示。图4中增益曲线在f=9.72 GHz频点有一个明显的“奇点”，说明本产品在该频点处确实存在潜在不稳定性6。2.2 H F S S 建模仿真过程针对本文图3自激现象的自激谱线信息，根据文献6的描述，该自激振荡的类型属于高频自激模式。由于该产品工作频段较高，因此猜想该组件自9.7 2 G H z 4 1.6 d B频率/G H z增益/d B9.7 2 G H z -3 7.2 d B频率/G H z增益/d B激是由内腔空间隔离度不够所引发的。为了验证这一猜想，在HFSS软件中对该产品的内腔结构进行建模。如图5所示，先根据产品外形建立腔体，在腔体中的A、B处各放置一截短的微带线来模拟其输入、输出端口，其他部分均是依照产品的实际情况进行结构设计。之后对该模型进行仿真计算，模型的仿真结果如图6所示。2.3 自激发生的物理过程分析：从图6的仿真结果可看出，该产品的空间隔离度在9.72 GHz这个频点附近存在一个峰值，其大小为-40dB左右。将这一结果与图4对比可发现，在9.72 GHz这个频点上，从Pin传输至Pout之间的“实体链路增益值”（图7中实线部分所示）已经超过了Pin与Pout之间的空间隔离度（图7中虚线部分所示），因此达到了自激振荡的起振条件：GPin-Pout+ISPout-Pin0 （1）式中：GPin-Pout为实体链路（图7实线所示）总增益；ISPout-Pin为空间链路（图7虚线所示）反向隔离度。发生自激振荡的物理过程在9.72 GHz频点处，从王庆，等：高功率射频前端自激问题分析与评估2023年5月电子工艺技术Electronics Process Technology34Pout端口到Pin端口的反馈回路的空间隔离度小于从Pin端口到Pout端口的传输增益，使得噪声信号在这一环路中不断得到放大，最终输出一个很大的放大信号，此时输出口频谱即是图3中所示的自激谱线。图7 该产品发生自激时的物理模型3 解决过程及验证该自激振荡发生的根源乃是Pout到Pin之间的空间隔离度在9.72 GHz频点处不够所导致的。因此解决之道也是要想办法提升这一数值。提升空间隔离度的常用措施有两种方案：在盖板内侧加装吸收负载，以衰减从Pout沿着腔体空间到Pin之间的回波，从而使得空间隔离度降低；在Pin与Pout之间加装挡板，以阻挡从Pout沿着腔体空间到Pin之间的回波，从而使得空间隔离度降低。加装挡板方案要求挡板必须不能留有缝隙，工艺实现难度较大。因此选用加装吸收负载的方案，具体加装位置如图8所示。对处理后的组件进行稳定性测试。在不加微波激励信号、只加电源和控制信号时，测试结果如图9所示，从测试结果来看，自激现象已经不再出现。说明加装吸收负载措施可有效解决本文出现的这种自激问题。图8 盖板加装吸收负载方案图图9 加装吸收负载后的稳定性测试频谱4 结束语本文通过对一款高功率射频前端自激问题进行分析和定位，明确了高频自激产生的原理机制。对于增益很高的高功率前端产品，在进行设计时需格外注意对于空间隔离度这一指标的控制和优化。只有想办法将隔离度控制的足够低，才能够保障微波系统的稳定性，避免自激振荡问题。参考文献1张光义.相控阵雷达技术M.北京:电子工业出版社,2006:178.2华成英.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2006:294.3刘德志.有源相控阵射频系统稳定性设计与评估J.微波学报,2020,36(2):63.4於洪标.有源相控阵雷达T/R组件稳定性分析设计J.电子学报,2005,33(6):2.5胡明春.相控阵雷达收发组件技术M.北京:国防工业出版社,2010:246.6於洪标.射频微波电路和系统工程设计基础M.北京:国防工业出版社,2018:370.（收稿日期：2022-12-03）电子工艺技术为双月刊，创刊于1980年，是我国唯一的电子行业生产技术的综合性科技期刊，是一本集技术性、学术性于一身的综合性专业权威期刊，国内外公开发行。集众多专业为一体，突出工艺特色，内容包括国内外电子工业生产技术动态、基础理论研究和科技成果介绍、科研生产中所急需的新技术、新材料、新工艺和新设备等。注重先进性和实用性，面向电子行业科技人员、技术管理干部、大专院校师生及技术工人，是读者增强业务素质、寻求技术支持和掌握行业动态的最好参考资料。辟有综述、微系统技术、微组装和SMT/PCB、新工艺和新技术以及实用电子组装技术论坛等栏目。电子工艺天地大，一刊在手睹精华。欢迎订阅，欢迎投稿！每册定价：15.00元，全年90.00元（双月刊）国内发行代号：22-52，全国各地邮局均可订阅 编辑部地址：山西省太原市和平南路115号（030024）电话：[phone] QQ：2160067383 投稿电子信箱： 网址： 欢迎投稿