結(jié)構(gòu)功能一體化天線機電耦合的混合建模與補償設計

微波組件是包括有源相控陣天線在內(nèi)的電子信息系統(tǒng)關鍵部件之一，通過裝在盒體內(nèi)的微波器件來實現(xiàn)微波信號的功率放大、低噪聲放大和變頻等功能。微波組件結(jié)構(gòu)與散熱設計、制造工藝因素以及復雜工作環(huán)境是制約高頻段電子信息系統(tǒng)性能和功能的主要因素，互聯(lián)工藝形態(tài)參數(shù)的科學調(diào)控也是組件傳輸性能穩(wěn)健可靠的重要保障。

目前由于微波組件制造互聯(lián)工藝中各參數(shù)與傳輸性能的耦合理論不清、影響機理不明，組件制造過程中工藝對性能影響的關鍵點無法有效控制，導致產(chǎn)品調(diào)試難度大、周期長，并存在盲目性，從而增加了研制成本，甚至產(chǎn)品最終性能始終無法達標。隨著組件集成化、輕量化、小型化的發(fā)展需求不斷增大，微波組件機電熱耦合理論與影響機理分析方法在高頻段高性能電子信息系統(tǒng)的設計、制造與服役過程中將發(fā)揮愈加重要的作用。

影響機理

典型連接工藝對微波組件傳輸性能有怎樣的影響機理？微波組件的發(fā)展日趨輕量化與小型化，電子元器件的排布更加密集，這就對微波組件在體積、電性能及可靠性方面提出了更為苛刻的要求，同時對微波射頻電路的加工工藝也提出了更高的標準。為此，作者開展典型微波組件互聯(lián)工藝（模塊拼縫、金絲鍵合、平面釬焊、螺栓連接）對傳輸性能影響機理研究，通過結(jié)構(gòu)特征提取、電磁建模、仿真分析、優(yōu)化設計、數(shù)據(jù)挖掘等過程，定性、定量地確定典型連接工藝形態(tài)參數(shù)對微波組件傳輸性能的影響規(guī)律。這些可為微波組件設計制造提供理論方案和關鍵技術(shù)指導，具有重要工程應用價值。

模塊拼縫工藝是一種實現(xiàn)微波組件電路基板間微波信號傳輸?shù)牡湫瓦B接方式，傳統(tǒng)上利用經(jīng)驗方式確定連接往往會引起嚴重的信號完整性問題?；诖?，文中開展模塊拼縫對微波組件傳輸性能的影響機理研究，同時進行了樣件測試與驗證，研制了模塊拼縫連接工藝影響機理分析軟件，并給出了可供工程技術(shù)人員參考的拼縫互聯(lián)工藝設計原則。

微波組件內(nèi)的單片微波集成電路通常采用金絲鍵合實現(xiàn)微波信號的傳輸。其工藝參數(shù)的微小改變就有可能引起金絲鍵合器件傳輸性能的顯著擾動，進而造成組件電性能的惡化，因此有必要研究金絲鍵合互聯(lián)工藝參數(shù)對組件傳輸性能的影響。

接地技術(shù)是有源微波組件互聯(lián)工藝中的一項核心技術(shù)，微帶基板和殼體間的接地連接存在釬焊空洞。釬焊空洞不僅會引起器件接地的可靠性變差，同時也會惡化器件的導熱、導電特能，為此，文中研究釬焊空洞特性對微波組件傳輸性能的影響，通過理論分析、仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)，對釬焊工藝提出工程指導性意見，降低傳輸性能對焊接空洞的敏感度。

在高頻微波組件中，螺栓連接是實現(xiàn)整個介質(zhì)基板與承載結(jié)構(gòu)框架連接的一種典型互聯(lián)工藝。傳統(tǒng)意義上，利用經(jīng)驗方式確定螺栓連接的位置與數(shù)目，往往在組件系統(tǒng)服役期間會產(chǎn)生難以預測的信號完整性問題。為此，開展螺栓連接對微波組件傳輸性能的影響機理研究，提出更優(yōu)的螺栓排布形式，可為微波組件的結(jié)構(gòu)設計和互聯(lián)工藝方案提供工程指導。

微波組件多通道腔體耦合效應分析

數(shù)字微波組件作為電子信息系統(tǒng)的重要組成部分，其電磁特性直接決定著它的工作性能和功能，因而保證數(shù)字微波組件電性能的穩(wěn)定性和高品質(zhì)具有重要意義。數(shù)字微波組件內(nèi)部有很多的微波器件，存在著大量多通道腔體結(jié)構(gòu)，其具有復雜的電磁環(huán)境。完整無孔縫的金屬箱體屏蔽可有效實現(xiàn)電磁脈沖防護，但在實際使用中，為了連接信號線、饋電線以及用于窗口觀測和散熱等，常需要在完整無孔縫的金屬屏蔽腔體上開一些孔縫，而這些孔縫成了外部電磁脈沖進入屏蔽結(jié)構(gòu)的通道，外部電磁脈沖進入屏蔽腔體后會在其內(nèi)部產(chǎn)生諧振，從而對內(nèi)部電子信息系統(tǒng)的正常工作造成較大影響。多通道數(shù)字微波組件由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，一般都存在不同程度的電磁耦合，從而影響腔體內(nèi)電子器件/組件的正常工作。

隨著電子設備工作頻率的不斷提高，器件密度不斷增大，微波組件腔體的電磁耦合效應逐漸變得嚴重起來。腔體結(jié)構(gòu)上微小改變就有可能引起腔體電磁分布的顯著變化，影響微波器件的正常工作，因此有必要研究腔體結(jié)構(gòu)對其電性能的影響。同時，在仿真分析的過程中，涉及多種參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式對電性能的影響問題，故需要進行大量電磁仿真分析，為提高分析效率，節(jié)約分析成本，設計開發(fā)了微波組件腔體耦合效應分析軟件，工程人員只需輸入少量參數(shù)，就可完成腔體耦合效應分析全過程，從而明顯提高工作效率，具有顯著的工程實用價值。

微波組件散熱冷板集成優(yōu)化設計

當前微波組件熱源具有高達1000W/cm2以上的熱流密度。微波組件正常工作時，會產(chǎn)生大量的熱量，若不能及時散出熱量，對溫度敏感的電子器件性能就會迅速惡化，這將嚴重影響微波組件及電子裝備的功能、工作可靠性，嚴重時甚至會引起設備的失效。據(jù)統(tǒng)計，由于溫度超過允許值而造成組件失效的比率高達55%。因此，為確保微波組件正?？煽康毓ぷ?，需對其進行合理的熱設計。

為達到減輕微波組件系統(tǒng)質(zhì)量的目的，應設計合理的散熱冷板出發(fā)。單純的追求散熱冷板的輕質(zhì)量，會帶來一系列問題，如質(zhì)量太輕，冷板結(jié)構(gòu)的剛強度不滿足要求，在極端惡劣的使用環(huán)境下會發(fā)生破壞，從而影響微波組件的正常使用。與此同時，散熱冷板流道過細，也會影響其散熱效果，最后導致微波組件的電性能達不到要求，甚至不能正常發(fā)揮作用。因此，有必要從機電熱耦合的角度出發(fā)，綜合考慮微波組件散熱冷板的結(jié)構(gòu)強度、散熱性能與質(zhì)量要求之間的矛盾關系，對冷板進行結(jié)構(gòu)和熱綜合設計，使其既能滿足組件的結(jié)構(gòu)強度及質(zhì)量要求，又能滿足電子器件的溫度要求，從而確保微波組件能高效且可靠地工作。

本文摘編自王從思、王璐、王志海編著《微波組件機電熱耦合建模與影響機理分析》一書，內(nèi)容有刪減。

《微波組件機電熱耦合建模與影響機理分析》

王從思，王璐，王志海編著

北京: 科學出版社, 2018. 6

ISBN 978-7-03-057320-9

責任編輯: 李 萍

《微波組件機電熱耦合建模與影響機理分析》是從場路耦合的角度來講述耦合傳輸模型構(gòu)建和工藝影響機理揭示等方面涉及的仿真、實驗、測試理論與關鍵技術(shù)，希望成為一本集先進性和實用性為一體的微波組件結(jié)構(gòu)設計工具書。書中定性、定量地給出了制造互聯(lián)工藝參數(shù)對電路傳輸性能的影響規(guī)律，并開展了相關實例驗證，為實際工程中互聯(lián)工藝手段改善與結(jié)構(gòu)布局方案提供了理論基礎與數(shù)據(jù)支持，同時依據(jù)組件性能指標準確給出了互連工藝參數(shù)的定量精度，以實現(xiàn)微波射頻組件設計理念與制造手段的重大創(chuàng)新，從而使得微波組件的制造方法與工藝流程更高效、產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu)良。

本書可作為微波組件設計和制造工程人員的參考書，也可作為高等院校相關專業(yè)高年級本科生和研究生的參考書，同時對從事相關科技研究的工作人員也有一定的參考價值。

（本期編輯：王 芳）

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