毫米波相控阵封装天线电磁兼容仿真分析与设计.pdf

DOI:10.20079/j.issn.1001-893x.220921005引用格式:李雪莲.毫米波相控阵封装天线电磁兼容仿真分析与设计J.电讯技术,2023,63(7):1093-1097.LI X L.EMC simulation analysis and design of millimeter-wave phased array antenna in packageJ.Telecommunication Engineering,2023,63(7):1093-1097.毫米波相控阵封装天线电磁兼容仿真分析与设计李李雪雪莲莲(中国西南电子技术研究所,成都 610036)摘 要:提出了一种毫米波相控阵封装天线的建模方法,通过商业仿真软件搭建了相控阵封装天线集数字、模拟和射频于一体的系统级仿真模型。基于此模型,分析了毫米波相控阵封装天线典型电磁兼容问题机理。此外,提出了相控阵封装天线电磁兼容设计的基本原则。原理样机试验和装机试飞验证了所提出的电磁兼容建模、仿真、分析和设计方法的有效性与正确性。关键词:Ka 频段卫星通信;毫米波相控阵天线;封装天线(AIP);电磁兼容(EMC);建模仿真开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务中图分类号:TN828.5 文献标志码:A 文章编号:1001-893X(2023)07-1093-05EMC Simulation Analysis and Design of Millimeter-wave Phased Array Antenna in PackageLI Xuelian(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)Abstract:A modeling method of millimeter-wave(MMW)phased array antenna in package is proposed,and a system-level simulation model of phased array antenna in package,which takes into account the effects of digital circuits,analog circuits and radio-frequency(RF)circuits,is built by commercial simulation software.Based on this model,the typical electromagnetic compatibility(EMC)problems of MMW phased array antenna in package are analyzed,and the basic principles of EMC design are proposed.The validity and correctness of EMC modeling,simulation,analysis and design method presented are verified by prototype test and flight test.Key words:Ka-band satellite communication;millimeter-wave phased array antenna;antenna in package(AIP);electromagnetic compatibility(EMC);modeling and simulation0 引 言随着微电子技术和封装技术的飞速发展,毫米波相控阵天线1也开始从传统的“砖式”“瓦式”架构向封装天线架构演进。封装天线2架构主要是通过高密度集成技术将天线阵面、射频芯片、数字电路及电源模块等电路集成于一体,从而大幅减少传统相控阵天线中各模块的金属结构腔体及数量庞大的高低频接插件的使用,进而满足系统对相控阵天线低成本、低剖面、轻重量的发展需求。然而毫米波相控阵封装天线在通过高密度集成技术实现低剖面、小型化的同时,也带来了严重的信号完整性、电源完整性、辐射发射和电磁敏感性问题3-5,都使得相控阵封装天线电磁兼容问题非常复杂。解决毫米波相控阵封装天线的电磁兼容问题是相控阵天线小型化发展面临的一大挑战,也是必须攻克的核心关键技术。传统解决相控阵天线电磁兼容问题的方法主要是问题解决法,即在天线研制完成后,通过试验和整3901第 63 卷 第 7 期2023 年 7 月电讯技术Telecommunication EngineeringVol.63,No.7July,2023收稿日期:2022-09-21;修回日期:2022-11-27通信作者:李雪莲改的方式解决天线设备的电磁兼容问题,这种方法会大大提高研制成本和研制周期。要在设计阶段即对相控阵封装天线的电磁兼容进行仿真、分析和设计,首先则需要对相控阵天线进行建模。然而,目前国内外针对相控阵天线的建模仿真方法主要集中在天线阵面方向图6-9或系统链路10-11的仿真分析,未考虑发射/接收(Transmit/Receive,T/R)模组、现场可 编 程 逻 辑 门 阵 列(Field Programmable Gate Array,FPGA)、放大器等数字、模拟电路的影响,也未考虑实际印制板走线、电源/地平面对产品的信号完整性和电源完整性的影响,因此难以模拟相控阵天线系统复杂的工作情况,无法在设计阶段对相控阵封装天线的电磁兼容设计提供仿真依据。针对以上难题,本文提出了一种毫米波相控阵封装天线的建模方法,通过商业仿真软件搭建了相控阵封装天线集数字、模拟和射频于一体的系统级仿真模型。基于此模型,分析了 Ka 频段卫通相控阵封装天线12在研制过程中出现的典型电磁兼容问题的机理。此外,提出了相控阵封装天线电磁兼容设计的基本原则。最后通过原理样机试验和装机试飞验证了本文所提出的电磁兼容建模、仿真、分析和设计方法的有效性与正确性。1 相控阵封装天线建模相控阵封装天线主要由天线阵面、T/R 模组、波束形成网络、波束控制电路和电源等功能电路组成,是集数字、模拟、射频于一体的复杂电子系统。要对相控阵封装天线进行系统级仿真,首先需要根据各个功能电路的工作原理,采用不同的仿真方法建立功能电路的仿真模型。以图 1 所示的单板级毫米波相控阵封装天线为例,下面将详细介绍如何通过商业仿真软件从功能电路模型开始,建立该天线集数字、模拟、电磁于一体的系统级模型。图 1 单板级相控阵封装天线实物1.1 T/R 模组建模T/R 模组是集数字电路、模拟电路和射频电路为一体的综合电子器件,是相控阵封装天线的核心部件。T/R 模组中的关键器件主要包括波控驱动器、移相器、功率放大器以及低噪声放大器。对于功率放大器和低噪声放大器,在很多书籍和文献中都有相关的电路设计和仿真实例的介绍13,采用Advanced Design System 等电路仿真软件即可进行仿真,此处不再赘述。而波控驱动器和移相器是集数字和模拟为一体的复杂电子器件,在实际设计中数字电路和模拟电路是采用不同的仿真软件进行独立设计,比如数字电路采用 Cadence 软件设计,而放大器等器件通常采用 Advanced Design System 进行设计,因此难以进行协同仿真,在设计阶段模拟实际工作情况。针对此难题,本文基于芯片流片工艺和芯片设计原理图,通过晶体管 SPICE 模型,从基本数字单元的与非门、非门、或非门模型开始(图 2),搭建了T/R 模组中波控驱动器和移相器的仿真模型(图 3为波控驱动器的仿真模型)。由于该数字电路模型基于晶体管 SPICE 模型搭建,而 T/R 模组中放大器等模拟电路基本模型同样来源于晶体管和 RLC(R代表电阻,L 代表电感,C 代表电容)电路的 SPICE模型,不同之处仅在于晶体管参数不同,因此该数字电路可与模拟电路兼容,在同一个电路仿真软件中即可实现数字电路和模拟电路的协同仿真。图 2 基于 GaAs E/D 工艺的基本数字单元电路仿真模型图 3 六位串转并波控驱动器电路仿真模型1.2 射频无源电磁结构建模相控阵封装天线中工作于射频频段的无源电磁结构主要包括 T/R 模组封装、天线阵面、功分网络等结构,这些无源电磁结构都可采用 HFSS、CST Microwave Studio 等全波电磁仿真软件进行仿真。当阵列单元数量较多时,可根据单元或子阵的全波仿真结果作为输入,然后通过 Matlab 计算全阵的 S电讯技术 2023 年参数或方向图。1.3 低频无源电磁结构建模相控阵封装天线中工作于低频频段的无源电磁结构主要由多层印制板中的电源层、地层、数字控制线构成。由于毫米波相控阵封装天线印制板层数较多,包含密集分布的信号线、过孔等无源电磁结构,难以采用三维全波仿真的方法对其进行仿真。针对多层印制板低频无源电磁结构,本文采用 SIwave 仿真软件进行建模,SIwave 与 EDA 设计工具无缝集成,可直接通过 Altium designer、Cadence 等版图设计工具导出版图加工文件,从而导入到 SIwave 中进行信号完整性(Signal Integrity,SI)、电源完整性(Power Integrity,PI)、直流分析、交流分析和电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)分析等。图 4为版图加工文件导入 SIwave 后的仿真模型。图 4 单板级相控阵封装天线 SIwave 仿真模型1.4 FPGA 建模FPGA 是相控阵天线波控电路的核心器件,通过解析命令控制 T/R 模组,使其偏移到要求的相位、频率和功率,达到波束改变和功率控制的目的。FPGA 内部存在大量大规模的复杂电子器件及电路,难以像 T/R 模组中的移相器、放大器等器件一样可以用晶体管的 SPICE 模型和 RLC 电路搭建其原理图,这类器件则需要用输入输出行为(Input/Output Buffer Information Specification,IBIS)模型来进行模拟。IBIS 模型可由厂商提供,也可直接测量,或将已有的 SPICE 模型进行转换。1.5 系统级模型通过以上小节介绍的 T/R 模组、FPGA 等有源器件的建模技术,以及无源电磁结构的建模技术,将各功能电路的模型搭建完毕后,即可在 ANSYS Electronics Desktop 等能进行场路协同仿真的的仿真平台对整个系统的电路特性进行仿真,获得各个节点的电压电流分布,进而以各节点的电压电流分布作为激励源,采用全波仿真分析整个系统的信号完整性、电源完整性和辐射发射特性。2 相控阵封装天线仿真分析本节将针对毫米波相控阵封装天线在工程研制过程中容易出现的典型的电磁兼容问题 发码速率较高时波束指向出现偏差,基于相控阵封装天线建模技术,搭建集数字、模拟和射频一体化的系统级仿真模型,通过仿真分析实际问题出现的机理,验证相应的电磁兼容设计措施是否有效,为产品研制方案修改、防护设计提供依据。考虑如图 4 所示的单板级相控阵封装天线,位于印制板左侧的 FPGA 通过板上走线向 T 模组发送串行的时钟(CLK)、数据(DATA)和加载(LOAD)信号,T 模组收到信号后,首先通过内部的串转并驱动器将串行信号转为并行信号,并行信号控制 T 模组内部的六位移相器,从而控制各天线单元相位,以达到控制波束扫描的目的。然而由于相控阵封装天线高度集成,信号走线密集,时钟发码速率过快时在实际产品研制过程中出现了波束指向存在偏差的问题。为模拟这一实际现象,首先通过上节描述的相控阵封装天线建模方法搭建多层印制板、FPGA、T模组、功分网络、天线阵面的仿真模型。由于所有 T模组工作特性相同,此处选取位于第一行的 T 模组及相关电路进行仿真。如图 4 所示,在 SIwave 中提取多层印制板电源地平面及第一行 T 模组低频控制线的 Snp 文件,输入端口加入 FPGA 的 IBIS 行为模型,以 T 模组封装、波控驱动器作为数字信号线的负载,输出端口的数字信号作为移相器的控制信号,此链路为数字模拟混合链路。六位移相器输入为 IQ 调制的射频信号,输出为天线端口的 S 参数,此链路为模拟及射频混合链路。最终得到的系统模型如仿真模型如图 5 所示,整个系统模型在 ANSYS Electronics Desktop 中进行仿真。图 5 系统级仿真模型5901第 63 卷李雪莲:毫米波相控阵封装天线电磁兼容仿真分析与设计第 7 期FPGA 输出信号波形为标准的方波信号,时钟频率为 10 MHz,方波信号上升/下降沿为 5 ns。信号通过多层印制板走线和 T 模组封装后,由于过孔、分支结构和封装处阻抗变化引起的反射导致信号质量下降,输入到六位串转并驱动器后的方波信号出现振铃现象,从而导致六位串转并驱动器的输出信号产生误码(图 6),进而使得六位移相器移相错误,最终导致相控阵封装天线波束指向出现偏差。图 6 六位串转并驱动器输入及输出信号 Q1Q6 波形根据信号完整性分析,针对振铃问题,可以通过在信号线中串联电阻的方式解决。因此,基于图 5的系统级仿真模型,通过在 T 模组时钟(CLK)、数据(DATA)和加载(LOAD)信号前增加 500 的电阻进行了仿真。六位串转并驱动器输入输出信号波形如图 7 所示,从图中可以看到,信号波形的振铃现象消除,六位串转并驱动器输出信号正常。图 7 六位串转并驱动器输入及输出信号Q1Q6 波形(增加电阻后)3 相控阵封装天线电磁兼容设计上一节通过单板级相控阵封装天线的系统级仿真模型,对发码率较高时出现的典型电磁兼容问题进行了仿真分析与改进设计,指出了相控阵封装天线信号完整性的核心设计要素,即对所有传输速率较高的信号线,在输入输出接口应加合适阻值的电阻降低信号过冲,从而降低或解决误码问题。除此之外,根据实际工程经验,毫米波相控阵封装天线在设计过程中还应遵循以下设计原则:一是多层印制电路板设计。射频、模拟、数字电源平面和地平面分层或分区设计,但应通过过孔连接形成等电位面;电源平面尽量靠近并安排在地平面之下;铜厚根据电流大小设计,叠层尽量对称设计;数字信号的时钟电路是主要的骚扰源和辐射源,应单独布置,远离射频链路,并在晶振周围及时钟线周围加屏蔽孔,有条件的可以增加金属盖板,将时钟电路屏蔽;电源层与边沿距离满足 20-H(H 为印制板介质厚度)原则,印制板走线间距满足 3-W(W 为走线宽度)原则。二是元件布置。通过“分割”、设“护沟”将各功能子系统全部隔开,包括数字电路、模拟电路、射频电路。三是数字电路电阻/电容设计。电源分配网络加足够的电容保证电源平稳和洁净度,FPGA、时钟电路、连接器、T/R 模组输入口都应保证足够的电容消除高频辐射噪声、减轻开关器件动作时引起的电源波动以及串扰和振铃。四是器件封装。元器件封装内的引脚电感会引起地弹,并在源和负载之间形成一个小的环天线,辐射射频能量,因此选择表面贴装器件并尽量选择球栅阵列封装,以实现引脚长度最小化。引脚布置时选择电源引脚和地引脚位于封装的中间物理上相邻或者物理上相邻,以减小回路面。五是电磁屏蔽。射频网络加屏蔽孔,以减小与数字电路/模拟电路的相互干扰;每个 T/R 模组加金属壳以进行电磁屏蔽,减小相邻 T/R 模组之间的互耦;屏蔽罩设计保证每个模块位于不同腔体,以减小模块之间的电磁耦合。4 Ka 频段卫通相控阵封装天线实测结果根据以上毫米波相控阵封装天线的电磁兼容设计原则,对 Ka 频段卫通相控阵封装天线12进行了设计、加工和制造,并对该产品的磁影响、感应信号敏感度、射频能量发射、雷电感应瞬态敏感度等电磁兼容特性进行了测试,试验结果全面满足 DO-160G标准14的电磁兼容要求。因篇幅所限,本文仅给出该产品射频能量发射的垂直极化项目测试结果(该测试项目也是电子设备最难通过的试验项目之一),测试结果如图 8 所示。图中黑色曲线为产品电讯技术 2023 年的实测辐射电平,红色曲线为 DO-160G 标准 H 类设备(飞机舱外设备标准)辐射发射限制。从图中可以看到,该产品完全满足射频能量发射的要求,并且具有较大余量。该产品已于 2021 年 6 月在国产飞机 ARJ21 上试飞成功,并未对机上设备产生任何干扰。试验及实际装机试飞结果验证了毫米波相控阵封装天线电磁兼容设计原则的合理性和正确性。(a)100200 MHz(b)200 MHz1 GHz(c)16 GHz图 8 垂直极化辐射发射电平5 结 论电磁兼容问题是毫米波相控阵封装天线在研发过程中面临的一大挑战,也是必须攻克的核心关键技术。本文提出了毫米波相控阵封装天线的建模方法,可以采用商业仿真软件实现相控阵封装天线数字、模拟和射频一体化的系统级仿真,通过仿真模型在设计阶段进行电磁兼容仿真、分析与改进设计,解决毫米波封装相控阵天线在高度集成过程中遇到的典型电磁兼容问题。此外,基于工程研发经验,提出了相控阵封装天线电磁兼容设计的基本原则,可供该领域工程技术人员参考和借鉴。参考文献:1 周志鹏.毫米波有源相控阵天线技术J.微波学报,2018,34(1):1-5.2 张跃平.封装天线技术发展历程回顾J.中兴通讯技术,2017,23(6):41-49.3 赵辰阳,王立德,李召召.高速数字PCB 板设计中的信号完整性研究J.自动化与仪器仪表,2018(9):1-4.4 陈放,田建宇,孙兆牛,等.基于信号完整性与电源完整性的 PCB 电磁兼容协同仿真方法研究J.航天控制,2017,35(4):90-94.5 高启学.相控阵雷达阵面通信设备电磁兼容设计J.气象水文海洋仪器,2021(3):104-106.6 APPANNAGARRI N,BARDI I,EDLINGER R,et al.Modeling phased array antennas in Ansoft HFSSC/Proceedings of 2000 IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology.Dana Point:IEEE,2000:323-326.7 刘尚,蒋金华,杜飞飞.低频超宽带相控阵天线建模仿真技术研究J.理论算法,2021(12):44-46.8 DING J,WANG B,LIU Z,et al.A novel EMC simulation analysis method for ship-borne phased array radar systemC/Proceedings of 2022 Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic Compatibility.Beijing:IEEE,2022:66-68.9 ZHAO Y,PENG Z.Three-dimensional phased array antenna analysis and simulationC/Proceedings of 2009 3rd IEEE International Symposium on Microwave,Antenna,Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications.Beijing:IEEE,2009:538-542.10 TANG X,MOUTHAAN K.Phased array system simulator(PASS)a simulation tool for active phased array design C/Proceedings of 2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology.Waltham:IEEE,2013:152-159.11 许露.相控阵系统建模及其软件开发D.南京:南京理工大学,2016.12 李秀梅,黄中华,任思,等.Ka 频段卫通相控阵封装天线设计与实现J.电讯技术,2022,62(7):881-885.13 张耀,苏进.面向 5G 毫米波通信的砷化镓低噪声放大器设计J.无线互联科技,2021,17(9):3-4.14 RTCA.Environmental conditions and test procedures for airborne equipment:RTCA/DO-160GS.Washington DC:RTCA,2010.作者简介:李雪莲女,1990 年生于四川安岳,2018 年获博士学位,现为工程师,主要研究方向为毫米波相控阵天线设计。7901第 63 卷李雪莲:毫米波相控阵封装天线电磁兼容仿真分析与设计第 7 期