一种基于ADS仿真的L波段固态功放失效分析

冬1988

摘 要：本文介绍了一种利用ADS软件建模进行功率管失效分析的方法。首先通过ADS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：ADS；失效分析；功率放大器

　　0 引言

　　固态功率放大器因为其效率高、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] 。固态功率放大器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失效分析。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

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效率高、体积小、线性度好