CN105184023B - 一种射频电路性能参数退化仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频电路性能参数退化仿真方法，首先测量被测射频电路温度每升高ΔT所对应的功率P及S参数，再计算被测射频电路温度每升高ΔT所需总能量，以及被测射频电路在不同温度条件下的稳定性系数和性能退化时间，再将不同温度条件下的性能退化时间求和，得到被测射频电路的老化时间，最后将不同温度条件下的S参数及对应的稳定性系数分别输入到ADS2012仿真软件，经过仿真后得到被测射频电路的性能退化趋势。
Description
技术领域
本发明属于射频电路可靠性技术领域，更为具体地讲，涉及一种射频电路性能退化仿真设计与实现方法。
背景技术
射频电路的功能是由射频电路的性能参数表示的，随着射频电路工作时间的增加，射频电路的性能将会发生变化，一般情况下射频电路的性能会随着时间的增加而降低，因此可以充分利用射频电路的性能退化参数对射频电路的健康状态进行评估。
然而，传统的射频电路的性能退化分析主要是通过加速寿命试验的方式进行，由于目前的电子系统大多为高可靠性系统，其性能的退化即使在加速寿命试验中也变化的非常缓慢，因此若想获得射频电路的性能退化数据，往往需要进行长时间的退化试验，不仅费时而且费力。采用仿真手段对射频电路性能退化进行仿真，则能有效的克服这一缺点，方便快速的得到可靠性分析结果，节省了大量的人力物力。
对于射频电路来说，其可测的性能退化参数有很多，如电压、电流、噪声等。但是在实际的使用以及理论分析可知，单独的使用任一参数对射频电路进行健康评估得到的结果都不能有效的反映当前射频电路的工作状态。
基于上述原因，本发明提出了一种基于EDA软件ADS2012进行射频电路性能退化分析的仿真方法，结合实际的射频电路，采用S参数对射频电路性能退化进行分析，该特征参数可有效的反映射频电路的健康状态。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种射频电路性能参数退化仿真方法，利用射频电路的性能退化S参数对射频电路的健康状态进行评估，具有简单易行的特点。
为实现上述发明目的，本发明介绍一种射频电路性能参数退化仿真方法，包括以下步骤：
(1)、测量被测射频电路温度每升高ΔT所对应的功率P及S参数；
(2)、计算被测射频电路在不同温度条件下的稳定性系数Ki
其中，为温度升高到第i个ΔT后所对应的S参数，i＝1,2,…,n，n表示被测射频电路最大升高n个ΔT；
(3)、计算被测射频电路在不同温度条件下的性能退化时间
Q＝|Pi-Pi-1|ti/2
其中，Q为被测射频电路温度每升高ΔT所转移的能量,即转换成的热能，Pi表示被测射频电路温度升高到第i个ΔT时所测量的功率，ti表示被测射频电路温度升高到第i个ΔT时所对应的性能退化时间；
(4)、计算被测射频电路的老化时间
(5)、将不同温度条件下的S参数及对应的稳定性系数Ki分别输入到ADS2012仿真软件，经过仿真后得到被测射频电路的性能退化趋势。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种射频电路性能参数退化仿真方法，首先测量被测射频电路温度每升高ΔT所对应的功率P及S参数，再计算被测射频电路温度每升高ΔT所需总能量，以及被测射频电路在不同温度条件下的稳定性系数和性能退化时间，再将不同温度条件下的性能退化时间求和，得到被测射频电路的老化时间，最后将不同温度条件下的S参数及对应的稳定性系数分别输入到ADS2012仿真软件，经过仿真后得到被测射频电路的性能退化趋势。
附图说明
图1是本发一种射频电路性能参数退化仿真方法的流程图；
图2是基于ATF54143的低噪声放大器的原理图；
图3是低噪声放大器电路的S11参数在室温50℃条件下的老化趋势；
图4是低噪声放大器电路的S12参数在室温50℃条件下的老化趋势；
图5是低噪声放大器电路的S21参数在室温50℃条件下的老化趋势；
图6是低噪声放大器电路的S22参数在室温50℃条件下的老化趋势；
图7是低噪声放大器电路的稳定性K在室温50℃条件下的老化趋势；
图8是S11分别在50℃、80℃和100℃下的性能退化轨迹；
图9是S12分别在50℃、80℃和100℃下的性能退化轨迹；
图10是S21分别在50℃、80℃和100℃下的性能退化轨迹；
图11是S22分别在50℃、80℃和100℃下的性能退化轨迹；
图12是加YIELD分析的S11与未加YIELD分析S11的性能退化比较；
图13是加YIELD分析的S12与未加YIELD分析S12的性能退化比较；
图14是加YIELD分析的S21与未加YIELD分析S21的性能退化比较；
图15是加YIELD分析的S22与未加YIELD分析S22的性能退化比较；
图16是加YIELD分析的K与未加YIELD分析K的性能退化比较；
表1是各元器件变化对射频电路可测参数的影响；
表2是50℃仿真温度条件下电路老化时间及S参数退化；
表3是在仿真温度为80℃和100℃条件下电路老化时间；
表4是仿真温度50℃条件下加上YIELD分析的电路老化时间及S参数退化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。
实施例
图1是本发明一种射频电路性能参数退化仿真方法流程图。
在本实施例中，结合基于ATF54143的低噪声放大电路，对射频电路性能参数进行分析以选取能够有效的反映当前射频电路工作状态的性能特征参数。
如图1所示，本发明一种射频电路性能参数退化方法包括以下具体步骤：
S1、搭建被测射频电路
基于ATF54143的低噪声放大电路的设计目标如下：
工作频率：2.4—2.5GHz；
噪声系数NF<0.7；
增益Gain>12；
VSWRin<1.5，VSWRout<1.5；
图2即为搭建完成的基于ATF54143的低噪声放大电路。
S2、测量被测射频电路温度每升高ΔT所对应的功率P及S参数；
对于射频电路，它可以直接进行测量的性能参数有电流、噪声和S参数等。因此需要结合基于ATF54143的低噪声放大电路，对射频电路性能参数进行分析以选取能够有效的反映当前射频电路工作状态的性能特征参数。从图2可以看出，基于ATF54143的低噪声放大器的元器件有R1、R2、R3、L3、L4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11组成。元器件R1、R2、R3、L3、L4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11在四种故障模式对在射频电路可测参数影响如表1所示。
表1是基于ATF54143的低噪声放大电路中各元器件变化时对性能参数的影响统计表。
表1
如表1所示，与使用单一的射频电路输出参数相比，使用S参数对射频电路的健康度进行评估则会尽可能准确的反应射频电路的工作状态。
下面基于ATF54143的低噪声放大电路在室温50℃条件下，电路温度每升高10℃时，测量基于ATF54143的低噪声放大电路所对应的功率P及S参数如表2所示；
表2是ATF54143的低噪声放大电路在温度每升高10℃时，对应的参数统计表。
表2
S3、计算被测射频电路在不同温度条件下的稳定性系数Ki
在射频电路设计的过程中，电路在正常工作频段内的稳定性是必须要考虑的问题，在不同温度条件下，射频电路对应的稳定系数均不相同，具体可以表示为：
其中，为温度升高到第i个10℃后所对应的S参数，i＝1,2,…,n，n表示被测射频电路最大升高n个10℃；
在本实施例中，基于ATF54143的低噪声放大电路在温度每升高10℃时，对应的稳定系数K如表2所示。
S4、计算被测射频电路在不同温度条件下的性能退化时间
在计算性能退化时间前，我们首先来计算一下被测射频电路温度每升高ΔT所需总能量
E＝Q+W
其中，E表示被测射频电路的总能量，W为剩余能量，其中W由电能公式W＝Pt可算得，Q为射频电路温度每升高ΔT所转移的能量,即转换成的热能，可以通过红外线测温仪测量得到；
在本实施例中，通过在ATF54143的芯片手册中可以查到该芯片的热阻(ThermalResistance)为162℃/W，即该芯片每消耗一瓦的热能，芯片的温度将会升高162℃。假设温度是均匀升高的，则芯片温度每升高1℃，该芯片所转化的热能为1/162W。当芯片度升高T度时，芯片所产生的热能为T/162W。ATF54143的温度每升高10℃所需要的能量为10/162W。
因此，我们通过被测射频电路温度每升高ΔT所转移的能量来计算性能退化时间，即有如下关系：
Q＝|Pi-Pi-1|ti/2
其中，Pi表示被测射频电路温度升高到第i个10℃时所测量的功率，ti表示被测射频电路温度升高到第i个10℃时所对应的性能退化时间；
在本实施例中，基于ATF54143的低噪声放大电路在温度每升高10℃时，对应的性能退化时间t如表2所示。
S5、计算被测射频电路的老化时间
在本实施例中，根据表2中的数据可知，基于ATF54143的低噪声放大电路的S参数在室温50℃条件下的老化趋势如图3到图7所示(图3到图7分别表示S11、S12、S21、S22和稳定性K性能退化趋势)。
S6、将不同温度条件下的S参数及对应的稳定性系数Ki分别输入到ADS2012仿真软件，经过仿真后得到被测射频电路的性能退化趋势。
在不同的环境温度条件下进行仿真，得到不同仿真环境温度条件下的的性能退化数据，性能退化数据如表3所示。
表3是基于ATF54143的低噪声放大电路在80℃和100℃条件下的性能退化仿真数据。
表3
在使用ADS2012对基于ATF54143的低噪声放大电路进行性能退化仿真时，仿真环境温度只对射频电路的性能退化速率有影响，即仿真环境温度只对射频电路的性能退化时间有影响，对射频电路的监测参数没有影响。因此在不同仿真环境温度条件下的性能退化仿真得到性能退化数据中，只有退化时间参数不同，S参数的值是一样的。
从表3可以看出，射频电路的性能退化轨迹会随着仿真温度的不同而产生变化，其具体表现为射频电路的性能退化时间会随着反正环境温度的升高而减少，但是射频电路的性能参数的退化范围并不会随着仿真环境温度的变化而发生变化。
基于ATF54143的低噪声放大电路在仿真环境温度分别为50℃、80℃和100℃时的各S参数的性能退化轨迹如图8到图11所示。其中，图中的50℃、80℃和100℃分别表示各S参数分别在50℃、80℃和100℃的仿真环境温度条件下的性能退化曲线。
从图8到图11可以看出，随着仿真的环境温度的升高，基于ATF54143的低噪声放大电路的各S参数的性能退化速率将会增快，其性能退化轨迹会随着温度的升高而发生显著的变化；
考虑元器件的容差进行分析仿真。上述仿真是在理想条件下进行的，因此所得到的数据也是理想数据。而在现实工作中，因为生产工艺等原因，元器件的标称值总会存在容差等问题，一般情况下只要容差等问题所引起的偏差是在允许范围内，通常认为该元器件合格。而射频电路对电路的尺寸和阻抗容抗等有着较高要求，所以进行仿真时需要考虑元器件的容差等问题。在ADS2012软件中，有着专门对于容差等问题进行分析仿真的插件：YIELD，所以在进行仿真时应在原理图中加上YIELD分析。
表4是使用YIELD分析后的放大电路的S参数的性能退化仿真结果。
表4
如表4所示，根据仿真结果，低噪声放大器电路S参数在室温50℃条件下的添加YIELD分析与为添加YIELD分析的老化趋势如图12到图16所示，其中S1、S2、S3、S4以及S11、S12、S21、S22分别表示未添加YIELD分析与添加了YIELD分析的S11、S12、S21和S22的性能退化趋势曲线。而图16中，K1和K2分别表示未添加YIELD分析与添加了YIELD分析的稳定性K与添加了YIELD分析的稳定性K。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种射频电路性能参数退化仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、测量被测射频电路温度每升高ΔT所对应的功率P及S参数；
(2)、计算被测射频电路在不同温度条件下的稳定性系数Ki
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其中，为温度升高到第i个ΔT后所对应的S参数，i＝1,2,…,n，n表示被测射频电路最大升高n个ΔT；
(3)、计算被测射频电路在不同温度条件下的性能退化时间
Q＝|Pi-Pi-1|ti/2
其中，Q为被测射频电路温度每升高ΔT所转移的能量,即转换成的热能，Pi表示被测射频电路温度升高到第i个ΔT时所测量的功率，ti表示被测射频电路温度升高到第i个ΔT时所对应的性能退化时间；
(4)、计算被测射频电路的老化时间
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(5)、将不同温度条件下的S参数及对应的稳定性系数Ki分别输入到ADS2012仿真软件，经过仿真后得到被测射频电路的性能退化趋势。
2.根据权利要求1所述的一种射频电路性能参数退化仿真方法，其特征在于，所述的转移的能量Q可以通过红外线测温仪测量射频电路温度每升高ΔT所转移的能量。
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| "电子装备系统性能可靠性分析与评估研究";蔡金燕;《中国博士学位论文全文数据库 科技信息辑》;20120215(第02期);全文 * |
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