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一種基于ADS仿真的L波段固態功放失效分析

作者:董 亮,薛 新時間:2019-09-25來源:電子產品世界收藏

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

本文引用地址:http://www.tsejo.com.cn/article/201909/405217.htm

  摘?要:本文介紹了一種利用軟件建模進行功率管的方法。首先通過對PCB板進行模型提取,然后版圖仿真,再導入原理圖中進行版圖原理圖聯合仿真,仿真結果與實測數據較吻合。最后根據實際現象修改板材模型,對不同油脂參數進行仿真,仿真結果與實際故障現象具備較高的吻合度。該方法可以對功放故障進行定量分析,能更準確地進行故障定位。

  關鍵詞:

  0 引言

  固態因為其效率高、體積小、線性度好等特點,被廣泛應用在電子對抗、衛星通信、移動基站、雷達等領域 [1-2] 。固態的故障分析往往都是通過設計經驗,會有個定性的分析,通過不斷地試驗來驗證故障排查的準確性。這就需要耗費大量的經歷和時間來進行功放的

  本文利用ADS軟件,針對功放管的一種故障,進行建模仿真分析。首先通過ADS提取功放板的PCB模型,在ADS軟件中進行版圖仿真。在根據故障現象,仿真在印制板底層出現油層情況下的工作狀態。仿真了油層不同的厚度、不同介電常數下的功率輸出情況。仿真結果與實際的故障現象有很高的吻合度,準確定位了故障點。該方法可以根據不同的故障現象建立不同的模型,進行故障分析,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,但在可靠性試驗過程中,發現每個模塊的功率值以及效率值均下降了,導致功放單機功率輸出不足,無法滿足指標要求。進一步拆開故障部位PCB檢查,發現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出來,通過模塊底下的螺紋孔堆積在印制板與腔體間。

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  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。

微信截圖_20191010161418.jpg

  將該版圖導出至DXF格式,再從ADS導入該模型 [3] ,對一些接地區域以及調試用的部分進行刪除處理。然后對該版圖進行Layout(布局)板仿真,再將仿真結果導入到原理圖中。在各個端口加上與實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。

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

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  設置仿真頻點在1 GHz~2 GHz,仿真結果圖如圖5所示。仿真結果表明,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。基本與實測數據吻合。

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  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,在原來的基礎上再增加一層油層,板材模型圖如圖6所示。

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  由于該油層的介電常數與厚度無法精確測量,我們仿真了多組數據做對比。分別做了油層介電常數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果,可以發現: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,油層介電常數越小,功放的輸出功率越小,效率越低。

  本機使用的硅脂中硅油的介電常數在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%。故障功放模塊的實測功率與效率下降數據如圖7所示,與仿真結果具有較高的吻合度,可以確認是由于油層的原因導致故障的發生。后期將功放模塊用酒精對PCB(印制板)和殼體進行徹底清洗,然后在重新裝配完成后對殼體反面螺釘孔進行點膠封堵,避免硅油從螺釘孔滲入殼體內部。經過試驗驗證,該故障已徹底解決。

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  3 結論

  本文利用ADS軟件,對功放模塊出現的一種故障問題進行了模擬仿真,對功放的故障情況進行了定量分析。仿真結果表明,在出現油層的情況下,功率與效率都會出現一定程度的下降,下降的程度與油層的介電常數以及油層的厚度相關。故障模塊油層的介電常數在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,對比結果表明仿真結果與故障現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行定量的判斷,幫助設計師更準確判斷功放的故障原因。本文只是針對一種故障現場進行了模擬仿真,對更多的故障情況可以根據不同故障狀態,建立不同的仿真模型,對其進行故障的定量分析。此方法可以進行推廣應用,為以后功放故障的準確定位提供一種思路。

  參考文獻

  [1]黃謀輝.射頻功率放大器的研究與設計[D].北京:北京郵電大學,2007.

  [2] INDER B.PRAKASH B.微波固態電路設計[M].鄭新,等,譯.2版.北京:電子工業出版社,2006:354.394.

  [3]徐興福,何川.ADS2008射頻電路設計與仿真實例[M].北京:電子工業出版社,2009.

  作者簡介

  董亮,工程師,主要研究方向:功率放大器電路設計。

  薛新,高級工程師,主要研究方向:功率放大器電路設計。

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



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