CN108304646B - 一种多通道片式tr组件的多学科建模及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道片式TR组件多学科建模方法，采用特征建模方法在结构专业数模软件中定制开发电讯专业的无源电路特征数模，建立TR组件的多学科统一数模，通过修改模型参数可以同步修改模型，便于优化设计，而多学科统一数模本身可以实现热电协同仿真数据的共享和传递，是TR组件多学科设计的基础；本发明还公开了一种基于多通道片式TR组件多学科数模的设计方法，可以有效解决高密度集成TR组件存在的热耗高对电性能紧密影响的设计难点，实现TR组件热与电性能的快速、准确协同设计。

Description

一种多通道片式TR组件的多学科建模及设计方法

技术领域

本发明涉及高密度集成有源相控阵雷达的TR组件设计领域，更具体涉及一种多通道片式TR组件的多学科建模及设计方法。

背景技术

TR组件是有源相控阵雷达(AESA)的核心，在一部AESA中有数千至上万个TR组件。新型武器装备雷达系统对多通道片式TR组件提出了迫切需求，这种片式TR组件具有单元体积小、内部有源芯片数量多、组件之间高密度集成等特点，使得其工作时的热控问题愈发突出，主要表现为：(1)、单个T/R组件各信号通道上的多个有源芯片会产生密集的热量；(2)、较小的空间内高密度集成了多个T/R组件，热能密度大。温度场的变化将对TR组件的电磁性能产生直接影响，包括TR内部有源芯片的S参数、收发信号通道的匹配性能乃至整个天线系统的电讯指标，与此同时变化的电磁场又将重新影响TR组件的热耗。

TR组件单学科模型来自结构专业和电讯专业，结构专业提供壳体、盖板等数模，电讯专业提供多层介质板的电路数模以及连接器。四通道片式TR组件的结构专业数模示意图如图1所示，包括盖板1、介质板2、隔筋3、壳体4。隔筋3将TR组件内部空间隔成四个通道，每个通道都通过垂直互联方式与天线单元连接，发射或接收信号。由于结构和电讯专业使用的建模工具不同(结构采用CAD软件，电讯采用EDA软件)，导致单学科的数模难以直接融合形成用于热电协同设计分析的TR多学科数模，传统的以电讯牵头的单学科设计，缺乏对TR组件热性能与电磁性能互相作用关系的考虑，难以支撑多通道片式TR组件的设计研发。

《中国西部科技》2015年05月第14卷第05期公开的“小型化Ku波段瓦片式TR组件设计”一文提出采用TR组件层紧贴冷板、内部有源芯片紧贴组件外壁的设计方式解决片式TR组件的散热问题，该方法在工程上被广泛采用，但是属于对已定电讯方案的被动设计，而且在很小的空间内冷板的自然散热效果有限，并未从总体设计角度对片式TR组件的多层介质板电路、内腔结构等进行热电协同设计。

多学科设计方法在雷达结构中已有应用，以西安电子科技大学为代表的高校针对雷达天线阵面开展了机电耦合机理以及多学科优化设计的研究，并申请发明专利，但是未开展对雷达系统中的TR组件，尤其是多通道片式TR组件的多学科设计研究。

目前，针对高密度集成有源相控阵雷达的多通道片式TR组件，尚未见到明确的多学科协同设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一在于针对目前尚未见到明确的多学科协同设计方法的问题，提供了一种多通道片式TR组件的多学科统一建模方法；本发明所要解决的技术问题之二在于针对目前尚未见到明确的多学科协同设计方法的问题提供了一种基于TR组件多学科统一数模的热电协同仿真设计方法，实现多通道片式TR组件热与电性能的快速、准确协同设计。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题之一的：

一种多通道片式TR组件多学科建模方法，采用特征建模方法在结构专业数模软件中定制开发电讯专业的无源电路特征数模，建立TR组件的多学科统一数模，用于热电协同分析，所述的无源电路特征数模包括多层介质板传输线特征数模和多层介质板过孔特征数模。

进一步地，所述的多层介质板传输线特征数模为射频收发信号层传输线特征数模。

进一步地，所述的多层介质板传输线特征数模包括带状线特征数模、网络合成节点特征数模、网络端点特征数模和连接金丝特征数模。

进一步地，所述的带状线特征数模建模参数包括矩形面长度、矩形面高度、线宽度和倒角尺寸或圆角尺寸。

进一步地，所述的网络合成节点特征数模建模参数包括圆环外径、圆环面宽度、圆环中心距离和矩形面宽度。

进一步地，所述的网络端点特征数模建模参数包括圆环面半径、总高度和矩形面宽度。

进一步地，所述的连接金丝特征数模建模参数包括截面直径、圆柱长度和夹角。

进一步地，所述的多层介质板过孔特征数模包括馈电孔特征数模、散热孔特征数模和隔离孔特征数模。

进一步地，所述的馈电孔特征数模采用圆形阵列特征建模，其建模参数包括中心孔半径、阵列孔半径、阵列距离以及阵列孔个数；所述的散热孔数模采用矩形阵列特征建模，其建模参数包括过孔半径、相邻过孔间距以及长、宽方向的阵列个数；所述的隔离孔数模采用圆形阵列和矩形阵列组成的组合阵列特征建模。

进一步地，所述的隔离孔相邻孔间距≥0.1λ，其中λ表示电磁波在多层介质板中的波长。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题之一的：

一种多通道片式TR组件多学科设计方法，包括以下步骤：

S1、采用所述的多通道片式TR组件多学科建模方法快速建立用于热电协同分析的TR组件多学科统一数模；

S2、将TR组件多学科统一数模中只参与热分析的热学科特征抑制，然后进行场路协同分析，完成电路匹配，获得收发通道的S参数以及实际激励下各有源芯片的热耗，若电路不匹配，则进入S1修改统一数模，重复S2，直至电路匹配；

S3、将S1的TR组件多学科统一数模中只参与电讯性能分析的电学科特征抑制，并以S2获得的各有源芯片的热耗作为输入，获得TR组件壳体以及各有源芯片的温度分布；

S4、根据有源芯片的温度值，判断实际激励下芯片S参数是否影响TR组件电讯指标，决定是否需要对有源芯片的选型、散热设计以及匹配电路进行针对性的改进设计；

S5、对于TR组件进行改进设计时，针对性的选取S1到S4中的任一步进行迭代设计，直到其热电性能指标均满足设计指标。

进一步地，所述的热学科特征包括TR组件的壳体、盖板、有源芯片和芯片焊层。

进一步地，所述的电学科特征包括TR组件的射频网络和垂直互联连接器。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)采用特征建模方法可以快速建立TR组件多学科统一数模，通过修改模型参数可以同步修改模型，便于优化设计，而多学科统一数模本身可以实现热电协同仿真数据的共享和传递，是TR组件多学科设计的基础；

(2)采用基于TR组件多学科统一数模的热电协同仿真设计方法，可以有效解决高密度集成TR组件存在的热耗高对电性能紧密影响的设计难点，实现TR组件热与电性能的快速、准确协同设计。

附图说明

图1为现有技术中多通道片式TR组件结构专业数模示意图；其中：1、盖板；2、介质板；3、隔筋；4、壳体。

图2为本发明实施例的四通道片式TR组件多学科分析设计流程图。

图3为本发明实施例的四通道片式TR组件的多层介质板射频网络层传输线特征数模示意图。

图4为本发明实施例的四通道片式TR组件多层介质板的过孔特征数模示意图。

图5为本发明实施例四多通道片式TR组件多学科统一数模示意图；其中：5、盖板；6、多层介质板；7、壳体；8、隔筋；9、有源芯片；10、射频网络；11、垂直互联连接器。

图6为本发明实施例四多通道片式TR组件场路协同分析电路图；其中：12、信号源；13、TR电磁模型；14、有源芯片；15、电流探针；16、电压探针；17、匹配负载。

图7为本发明实施例四多通道片式TR组件内部芯片的温度分布示意图。

图8为本发明实施例四多通道片式TR组件在不同温度下的端口驻波比随频率的分布图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一种四通道片式TR组件的多学科设计方法

如图2所示，一种四通道片式TR组件的多学科设计方法包括以下步骤：

S1、采用特征建模方法快速建立多通道片式TR组件多学科统一数模

在结构专业数模软件(如proE)中定制开发电讯专业的无源电路特征数模，建立TR组件的多学科统一数模，用于热电协同分析，所述的无源电路特征数模包括多层介质板传输线特征数模和多层介质板过孔特征数模。

TR组件中的多层介质板电路包含射频收发信号层和低频控制信号层，由于热耗主要集中在射频层的有源芯片上，因此热电协同仿真在电路方面主要对射频收发信号层进行建模。多层介质板射频收发信号层传输线特征数模如图3所示，包括：

a)带状线特征，如图3(a)和图3(b)所示，由单个矩形面或多个矩形面串联而成，在拐角处可以生成倒角和圆角。图3(a)中的特征参数包括矩形面长度l、高度h、线宽度t、倒角边长b。图3(b)中的特征参数包括矩形面长度l、高度h、线宽度t、倒圆角半径r；

b)网络合成节点特征，如图3(c)，由两个圆环面串接组成类“8”字形，特征参数包括圆环面外径(r1、r2)，圆环面宽度(t1、t2)、圆环中心距离l，矩形面宽度h；

c)网络端点特征，如图3(d)，由矩形面和圆形面组合而成，特征参数包含圆环面半径(r1、r2)，总高度h、矩形面宽度t；

d)连接金丝，如图3(e)，简化为“︹形”圆柱体，参数包括截面直径d、圆柱长度(l1、l2、l3)、夹角(θ1、θ2)。

多层介质板过孔特征数模如图4所示，包括：

a)传输线端部的馈电孔，如图4(a)，采用圆形阵列特征建模，参数包括中心孔半径r1、阵列孔半径r2、阵列距离l，阵列孔个数n；

b)有源芯片下方的散热孔，如图4(b)，采用矩形阵列特征建模，参数包括过孔半径r、相邻过孔间距d，长、宽方向的阵列个数m、n；

c)传输线之间的隔离孔，如图4(c)，采用圆形阵列和矩形阵列组合进行特征建模，特征参数由图4(a)和图4(b)的特征参数组成；

d)间距小于0.1λ(λ为电磁波在介质板中的波长)的隔离孔可以去除，以减少过孔数量。

通过上述特征建模方法，获得简化后的4通道片式TR组件多学科数模如图5所示，同时包含了盖板5、多层介质板6、壳体7、隔筋8、有源芯片9、射频网络10、垂直互联连接器11。

对TR组件多学科设计模型的组成特征进行分类，将只参与热分析的特征称为热学科特征，包括盖板5、壳体7、有源芯片9以及有源芯片9下方的焊层；而将只参与电讯性能分析的结构称为电学科特征，包括射频网络10、垂直互联连接器11；将同时参与热分析和电磁分析的特征成为共有学科特征，在本实施例中共有学科特征为多层介质板6。在后续的热电协同分析中，根据需要对上述分类的特征进行抑制。

S2、将统一数模中的TR组件多学科数模的热学科特征，如：壳体7、盖板5、有源芯片9、有源芯片9下方的焊层抑制，通过电磁分析获得收发通道上各段传输路径的S参数，如端口反射系数S11，插损S21等；然后联合电磁分析结果以及芯片S参数测试数据，进行场路协同分析以判断电路是否匹配，场路协同分析的电路图如6所示，若电路匹配，获得TR组件收发通道的端口驻波比(设计要求<1.5)、增益等指标，在并计算获得真实激励下各有源芯片的热耗，若电路不匹配，则返回S1中，修改统一数模中无源电路特征数模，重复S2，直至电路匹配；

S3、将S1的统一数模中的TR组件电学科特征，如：多层介质板的射频网络10、垂直互联连接器11等抑制，并以S2获得的各有源芯片的热耗作为输入，获得TR组件壳体7以及各有源芯片9的温度分布，温度分布如图7所示，从图中可以看出温度升高区域主要位于有源芯片9位置。

S4、更新TR组件在真实温度下的S参数，并将数据代入到有源电路中进行电路重新分析，获得更新后的收发通道端口驻波以及增益等指标，如图8所示，此时驻波比<1.5，满足电讯设计要求，则完成TR组件多学科设计，如果获得的驻波比不满足电讯设计要求，则需要进行改进设计；

S5、当温升造成的有源芯片S参数变化使得TR组件电讯指标不满足设计要求时，需要根据可设计性，对芯片散热设计、有源芯片选型以及电路匹配设计进行改进，对于改进后的方案，针对性的选取S1到S4中的任一步进行迭代设计，当只是改进散热设计时，则修改数模后可以直接从S3开始设计，直到TR组件的热、电性能指标均满足设计指标；当只是更换合适芯片时，则修改数模后可以直接从S4开始设计，直至TR组件的热、电性能指标均满足设计指标；当只是改进电路设计时，则修改数模后可以直接从S2开始设计，直至TR组件的热、电性能指标均满足设计指标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，多通道片式TR组件多学科建模方法，采用特征建模方法在结构专业数模软件中定制开发电讯专业的无源电路特征数模，建立TR组件的多学科统一数模，用于热电协同分析，所述的无源电路特征数模包括多层介质板传输线特征数模和多层介质板过孔特征数模；

多通道片式TR组件多学科设计方法包括以下步骤：

S1、采用所述多通道片式TR组件多学科建模方法建立用于热电协同分析的TR组件多学科统一数模；

S2、将TR组件多学科统一数模中只参与热分析的热学科特征抑制，然后进行场路协同分析，完成电路匹配，获得收发通道的S参数以及实际激励下各有源芯片的热耗，若电路不匹配，则进入S1修改统一数模，重复S2，直至电路匹配；

S3、将S1的TR组件多学科统一数模中只参与电讯性能分析的电学科特征抑制，并以S2获得的各有源芯片的热耗作为输入，获得TR组件壳体以及各有源芯片的温度分布；

S4、根据有源芯片的温度值，判断实际激励下芯片S参数是否影响TR组件电讯指标，决定是否需要对有源芯片的选型、散热设计以及匹配电路进行针对性的改进设计；

S5、对于TR组件进行改进设计时，针对性的选取S1到S4中的任一步进行迭代设计，直到其热电性能指标均满足设计指标。

2.根据权利要求1所述的一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，所述的热学科特征包括TR组件的壳体、盖板、有源芯片和芯片焊层。

3.根据权利要求1所述的一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，所述的电学科特征包括TR组件的射频网络和垂直互联连接器。

4.根据权利要求1所述的一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，所述的多层介质板传输线特征数模为射频收发信号层传输线特征数模。

5.根据权利要求4所述的一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，所述的射频收发信号层传输线特征数模包括带状线特征数模、网络合成节点特征数模、网络端点特征数模和连接金丝特征数模。

6.根据权利要求5所述的一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，所述的带状线特征数模建模参数包括矩形面长度、矩形面高度、线宽度和倒角尺寸或圆角尺寸。

7.根据权利要求5所述的一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，所述的网络合成节点特征数模建模参数包括圆环外径、圆环面宽度、圆环中心距离和矩形面宽度。

8.根据权利要求5所述的一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，所述的网络端点特征数模建模参数包括圆环面半径、总高度和矩形面宽度。

9.根据权利要求5所述的一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，所述的连接金丝特征数模建模参数包括截面直径、圆柱长度和夹角。

10.根据权利要求1所述的一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，所述的多层介质板过孔特征数模包括馈电孔特征数模、散热孔特征数模和隔离孔特征数模。

11.根据权利要求10所述的一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，所述的馈电孔特征数模采用圆形阵列特征建模，其建模参数包括中心孔半径、阵列孔半径、阵列距离以及阵列孔个数；所述的散热孔特征数模采用矩形阵列特征建模，其建模参数包括过孔半径、相邻过孔间距以及长、宽方向的阵列个数；所述的隔离孔特征数模采用圆形阵列和矩形阵列组成的组合阵列特征建模。

12.根据权利要求11所述的一种基于多通道片式TR组件多学科建模方法的多通道片式TR组件多学科设计方法，其特征在于，所述的隔离孔相邻孔间距≥0.1λ，其中λ表示电磁波在多层介质板中的波长。

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