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一种基于ADS仿真的L波段固态功放失效分析

作者:董 亮,薛 新时间:2019-09-25来源:电子产品世界收藏

  董亮,薛新(中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴314033)

本文引用地址:/article/201909/405217.htm

  摘要:本文介绍了一种利用软件建模进行功率管的方法。首先通过对PCB板进行模型提取,然后版图仿真,再导入原理图中进行版图原理图联合仿真,仿真结果与实测数据较吻合。最后根据实际现象修改板材模型,对不同油脂参数进行仿真,仿真结果与实际故障现象具备较高的吻合度。该方法可以对功放故障进行定量分析,能更准确地进行故障定位。

  关键词:

  0 引言

  固态因为其效率高、体积小、线性度好等特点,被广泛应用在电子对抗、卫星通信、移动基站、雷达等领域 [1-2] 。固态的故障分析往往都是通过设计经验,会有个定性的分析,通过不断地试验来验证故障排查的准确性。这就需要耗费大量的经历和时间来进行功放的

  本文利用ADS软件,针对功放管的一种故障,进行建模仿真分析。首先通过ADS提取功放板的PCB模型,在ADS软件中进行版图仿真。在根据故障现象,仿真在印制板底层出现油层情况下的工作状态。仿真了油层不同的厚度、不同介电常数下的功率输出情况。仿真结果与实际的故障现象有很高的吻合度,准确定位了故障点。该方法可以根据不同的故障现象建立不同的模型,进行故障分析,为以后功放的故障排查提供了一种可行的方案。

  1 故障描述

  该功率放大模块工作频段为1 MHz~2 MHz,功率为单模块80 W输出,但在可靠性试验过程中,发现每个模块的功率值以及效率值均下降了,导致功放单机功率输出不足,无法满足指标要求。进一步拆开故障部位PCB检查,发现PCB底部与功放壳体接触的部分有很厚一层油脂,如图1所示。该层油脂是由于高热硅脂在不断地冷热交替过程中挥发出来,通过模块底下的螺纹孔堆积在印制板与腔体间。

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  2 ADS建模及仿真

  图2所示的是该功放模块的印制板图,该电路由输入匹配电路、输出匹配电路、栅极供电电路以及漏极供电电路组成。

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  将该版图导出至DXF格式,再从ADS导入该模型 [3] ,对一些接地区域以及调试用的部分进行删除处理。然后对该版图进行Layout(布局)板仿真,再将仿真结果导入到原理图中。在各个端口加上与实际电路一致的元器件。最后得到的该功放模块的仿真版图如图3所示。

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  正常情况下的基板材料设置:介电常数=2.55;损耗角正切tan D=0.0018;介质层厚度=0.508 mm,微带距离上盖板距离15 mm,微带金属层厚度为0.036mm,板材设置的模型图如图4所示。

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  设置仿真频点在1 GHz~2 GHz,仿真结果图如图5所示。仿真结果表明,功放模块正常工作情况下输出功率Pout在80 W以上。效率PAE效率在50%以上,增益在12 dB以上。基本与实测数据吻合。

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  在印制板与壳体底部金属层有油层的情况下,我们改变板材模型,在原来的基础上再增加一层油层,板材模型图如图6所示。

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  由于该油层的介电常数与厚度无法精确测量,我们仿真了多组数据做对比。分别做了油层介电常数1、2.5、5、10;油层厚度0.05 mm以及0.1 mm情况下的各种仿真结果,可以发现:油层的厚度越厚,功放的输出功率越小,效率越低;相同厚度的情况下,油层介电常数越小,功放的输出功率越小,效率越低。

  本机使用的硅脂中硅油的介电常数在2.5左右,由图7可以看出功放模块的输出功率与效率指标均大幅度下降,输出功率下降了(10 W~20 W),效率最大降低8%。故障功放模块的实测功率与效率下降数据如图7所示,与仿真结果具有较高的吻合度,可以确认是由于油层的原因导致故障的发生。后期将功放模块用酒精对PCB(印制板)和壳体进行彻底清洗,然后在重新装配完成后对壳体反面螺钉孔进行点胶封堵,避免硅油从螺钉孔渗入壳体内部。经过试验验证,该故障已彻底解决。

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  3 结论

  本文利用ADS软件,对功放模块出现的一种故障问题进行了模拟仿真,对功放的故障情况进行了定量分析。仿真结果表明,在出现油层的情况下,功率与效率都会出现一定程度的下降,下降的程度与油层的介电常数以及油层的厚度相关。故障模块油层的介电常数在2.5左右,厚度在0.1 mm左右的情况下,对功率下降值以及效率下降值做了对比,对比结果表明仿真结果与故障现象有着很高的吻合度。说明可以采用此方法来对功放故障进行定量的判断,帮助设计师更准确判断功放的故障原因。本文只是针对一种故障现场进行了模拟仿真,对更多的故障情况可以根据不同故障状态,建立不同的仿真模型,对其进行故障的定量分析。此方法可以进行推广应用,为以后功放故障的准确定位提供一种思路。

  参考文献

  [1]黄谋辉.射频功率放大器的研究与设计[D].北京:北京邮电大学,2007.

  [2] INDER B.PRAKASH B.微波固态电路设计[M].郑新,等,译.2版.北京:电子工业出版社,2006:354.394.

  [3]徐兴福,何川.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京:电子工业出版社,2009.

  作者简介

  董亮,工程师,主要研究方向:功率放大器电路设计。

  薛新,高级工程师,主要研究方向:功率放大器电路设计。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第59页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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