本虚拟仿真实验项目采用虚拟仿真手段模拟商用卫星高可靠第三代半导体微波集成电路协同设计，是《射频与微波系统综合实验》专业实验课程的重要组成部分。项目引导学生从卫星系统链路、微波集成电路、第三代半导体器件、商用卫星微波集成电路可靠性设计四个层面进行学习，旨在培养学生解决星载微波集成电路设计领域相关复杂工程问题的综合能力。具体实验教学目标如下：

（1）帮助学生熟悉卫星链路的基本组成，在理解卫星短报文通信功能基础上，掌握第三代半导体微波集成电路性能指标计算方法，提升学生对微波功率放大器的认知能力。

（2）帮助学生熟悉微波集成电路设计的基本原理，掌握阻抗匹配、系统封装设计以及太空辐照、微波击穿效应防护等方法，提升学生在星载微波集成电路设计方面的能力。

（3）帮助学生熟悉第三代半导体器件设计的基本原理，掌握第三代半导体器件结构参数、工作点选取等与性能指标参数的关系和设计方法，提升学生在星载第三代半导体器件设计方面的能力。

（4）帮助学生熟悉复杂太空环境对星载第三代半导体微波集成电路性能影响的基本原理，掌握星载第三代半导体微波集成电路综合设计方法，提升学生在商用卫星第三代半导体微波集成电路高可靠性协同设计方面的能力。

本实验项目通过虚拟仿真的手段从卫星链路系统、微波集成电路、第三代半导体器件、太空环境可靠性四个方面，建立卫星高可靠第三代半导体微波集成电路协同设计仿真平台，基本层次关系如图1所示：

图1 虚拟仿真项目层次关系图

1、卫星链路计算

卫星通信射频收发系统包括发送和接收两部分组成，发送部分主要由上变频器、滤波器、放大器和天线等部件组成；接收机则包括天线、低噪声放大器，滤波器，下变频器等部件。信号在传输过程中会受到路径损耗、大气损耗等多种影响，因此需根据卫星链路损耗公式及地面接收雷达最小接收功率，计算获得微波集成电路的最小输出功率指标。

2、微波集成电路设计

微波集成电路设计主要包括功率放大器的输出功率、功耗、匹配电路以及电路的非线性等方面。其中电路非线性方面，须考虑3阶交调（互调）失真造成的干扰，通常用3阶交调系数表示：

式中，P₁为基波信号（ω₁, ω₂）的输出功率，P₃为3阶交调信号（2ω₁-ω₂, 2ω₂-ω₁）的输出功率。

3、第三代半导体器件设计

第三代半导体材料具有宽禁带、高击穿电压、快响应、抗辐射能力强、耐高温等特点，特别适用于星载器件中。第三代半导体材料GaN制备的HEMT结构如图2所示，包含源极、漏极、栅极、异质结沟道。

利用Statz模型可以描述GaN HEMT器件中I_ds-V_gs关系：

图2GaN HEMT器件剖面图

其中是导电沟道长度调制系数、V_th是器件的阈值电压、α是电压饱和参数、C₀是单位面积电容、b是掺杂因子。

4、太空辐照退化原理

空间辐射环境是一个充斥着各类宇宙射线的复杂环境，由太阳大气加速的高能量、高通量带电粒子流组成的太阳宇宙射线，自太阳飞向地球的热电离气体形成的太阳风，以及由地磁场俘获的质子、电子和少量低能重离子构成的地球辐射带，会造成卫星中半导体器件氧化层俘获电荷、界面态的产生，造成半导体器件的性能退化。采用总剂量模型可以描述器件阈值退化：

为器件阈值电压，D是总辐照剂量，为介质相对介电常数，Not是饱和辐射感生正电荷密度，为介质层厚度tox2，α是空穴俘获系数，ρ/ω表示单位辐照总剂量产生的电子－空穴对数。

5、低气压放电原理

封装外壳由于气密性的原因会造成漏气，长时间漏气会产生低气压环境，有效载荷GaN微波集成电路极易发生微波击穿现象，严重影响微波器件性能乃至整个微波设备的可靠性和安全性。微波击穿现象发生后，伴随形成的等离子体将对高功率微波传播产生不利影响。击穿阈值E随漏气变化的公式为：

图3 低气压放电导致的电路损毁图

本实验基于商用卫星高可靠第三代半导体微波集成电路设计涉及的关键知识点，结我校兵工特色，将应用场景设定为陆战武器与卫星的实时通信，设计了“实验简介”、“卫星通信链路基本组成”、“第三代半导体微波集成电路建模仿真与设计”、“商用卫星微波集成电路可靠性综合设计”4个关键模块，旨在培养学生探究式的思维方式和解决复杂科学问题的综合能力。

学生交互性操作步骤，共 16 步