結(jié)構(gòu)功能一體化天線機(jī)電耦合的混合建模與補(bǔ)償設(shè)計(jì)結(jié)題摘要

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(guān)鍵部件之一，通過(guò)裝在盒體內(nèi)的微波器件來(lái)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)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(shè)計(jì)、制造工藝因素以及復(fù)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(xué)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(jī)理不明，組件制造過(guò)程中工藝對(duì)性能影響的關(guān)鍵點(diǎn)無(wú)法有效控制，導(dǎo)致產(chǎn)品調(diào)試難度大、周期長(zhǎng)，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(wú)法達(dá)標(biāo)。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(jī)電熱耦合理論與影響機(jī)理分析方法在高頻段高性能電子信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造與服役過(guò)程中將發(fā)揮愈加重要的作用。

影響機(jī)理

典型連接工藝對(duì)微波組件傳輸性能有怎樣的影響機(jī)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(duì)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(shí)對(duì)微波射頻電路的加工工藝也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)。為此，作者開(kāi)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(duì)傳輸性能影響機(jī)理研究，通過(guò)結(jié)構(gòu)特征提取、電磁建模、仿真分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等過(guò)程，定性、定量地確定典型連接工藝形態(tài)參數(shù)對(duì)微波組件傳輸性能的影響規(guī)律。這些可為微波組件設(shè)計(jì)制造提供理論方案和關(guān)鍵技術(shù)指導(dǎo)，具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。

模塊拼縫工藝是一種實(shí)現(xiàn)微波組件電路基板間微波信號(hào)傳輸?shù)牡湫瓦B接方式，傳統(tǒng)上利用經(jīng)驗(yàn)方式確定連接往往會(huì)引起嚴(yán)重的信號(hào)完整性問(wèn)題。基于此，文中開(kāi)展模塊拼縫對(duì)微波組件傳輸性能的影響機(jī)理研究，同時(shí)進(jìn)行了樣件測(cè)試與驗(yàn)證，研制了模塊拼縫連接工藝影響機(jī)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)微波信號(hào)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(dòng)，進(jìn)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(duì)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(xiàng)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(huì)引起器件接地的可靠性變差，同時(shí)也會(huì)惡化器件的導(dǎo)熱、導(dǎo)電特能，為此，文中研究釬焊空洞特性對(duì)微波組件傳輸性能的影響，通過(guò)理論分析、仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)釬焊工藝提出工程指導(dǎo)性意見(jiàn)，降低傳輸性能對(duì)焊接空洞的敏感度。

在高頻微波組件中，螺栓連接是實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(yàn)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(huì)產(chǎn)生難以預(yù)測(cè)的信號(hào)完整性問(wèn)題。為此，開(kāi)展螺栓連接對(duì)微波組件傳輸性能的影響機(jī)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(shè)計(jì)和互聯(lián)工藝方案提供工程指導(dǎo)。

微波組件多通道腔體耦合效應(yīng)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(fù)雜的電磁環(huán)境。完整無(wú)孔縫的金屬箱體屏蔽可有效實(shí)現(xiàn)電磁脈沖防護(hù)，但在實(shí)際使用中，為了連接信號(hào)線、饋電線以及用于窗口觀測(cè)和散熱等，常需要在完整無(wú)孔縫的金屬屏蔽腔體上開(kāi)一些孔縫，而這些孔縫成了外部電磁脈沖進(jìn)入屏蔽結(jié)構(gòu)的通道，外部電磁脈沖進(jìn)入屏蔽腔體后會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生諧振，從而對(duì)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(shè)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(yīng)逐漸變得嚴(yán)重起來(lái)。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(duì)其電性能的影響。同時(shí)，在仿真分析的過(guò)程中，涉及多種參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式對(duì)電性能的影響問(wèn)題，故需要進(jìn)行大量電磁仿真分析，為提高分析效率，節(jié)約分析成本，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了微波組件腔體耦合效應(yīng)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(yīng)分析全過(guò)程，從而明顯提高工作效率，具有顯著的工程實(shí)用價(jià)值。

微波組件散熱冷板集成優(yōu)化設(shè)計(jì)

當(dāng)前微波組件熱源具有高達(dá)1000W/cm2以上的熱流密度。微波組件正常工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若不能及時(shí)散出熱量，對(duì)溫度敏感的電子器件性能就會(huì)迅速惡化，這將嚴(yán)重影響微波組件及電子裝備的功能、工作可靠性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹪O(shè)備的失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于溫度超過(guò)允許值而造成組件失效的比率高達(dá)55%。因此，為確保微波組件正?？煽康毓ぷ鳎鑼?duì)其進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)。

為達(dá)到減輕微波組件系統(tǒng)質(zhì)量的目的，應(yīng)設(shè)計(jì)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(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題，如質(zhì)量太輕，冷板結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度不滿(mǎn)足要求，在極端惡劣的使用環(huán)境下會(huì)發(fā)生破壞，從而影響微波組件的正常使用。與此同時(shí)，散熱冷板流道過(guò)細(xì)，也會(huì)影響其散熱效果，最后導(dǎo)致微波組件的電性能達(dá)不到要求，甚至不能正常發(fā)揮作用。因此，有必要從機(jī)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(qiáng)度、散熱性能與質(zhì)量要求之間的矛盾關(guān)系，對(duì)冷板進(jìn)行結(jié)構(gòu)和熱綜合設(shè)計(jì)，使其既能滿(mǎn)足組件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及質(zhì)量要求，又能滿(mǎn)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(jī)電熱耦合建模與影響機(jī)理分析》一書(shū)，內(nèi)容有刪減。

《微波組件機(jī)電熱耦合建模與影響機(jī)理分析》

王從思，王璐，王志海編著

北京: 科學(xué)出版社, 2018. 6

ISBN 978-7-03-057320-9

責(zé)任編輯: 李 萍

《微波組件機(jī)電熱耦合建模與影響機(jī)理分析》是從場(chǎng)路耦合的角度來(lái)講述耦合傳輸模型構(gòu)建和工藝影響機(jī)理揭示等方面涉及的仿真、實(shí)驗(yàn)、測(cè)試?yán)碚撆c關(guān)鍵技術(shù)，希望成為一本集先進(jìn)性和實(shí)用性為一體的微波組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具書(shū)。書(shū)中定性、定量地給出了制造互聯(lián)工藝參數(shù)對(duì)電路傳輸性能的影響規(guī)律，并開(kāi)展了相關(guān)實(shí)例驗(yàn)證，為實(shí)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(chǔ)與數(shù)據(jù)支持，同時(shí)依據(jù)組件性能指標(biāo)準(zhǔn)確給出了互連工藝參數(shù)的定量精度，以實(shí)現(xiàn)微波射頻組件設(shè)計(jì)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(shū)可作為微波組件設(shè)計(jì)和制造工程人員的參考書(shū)，也可作為高等院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的參考書(shū)，同時(shí)對(duì)從事相關(guān)科技研究的工作人員也有一定的參考價(jià)值。

（本期編輯：王 芳）

原創(chuàng)好讀 科學(xué)品味