表面粗糙度对高精度微波电子装备电性能影响的研究

【摘要】：随着电子装备向高频段、高增益、高密度、小型化方向的发展，其电磁与机械结构因素的相互影响、相互制约关系变得越来越突出。在影响电子装备电性能指标的诸多机械结构因素中，表面粗糙度因其存在的普遍性、分布的随机性及对电性能影响机理的复杂性而备受瞩目。本文在多个国家重点项目的支持下，以电子装备中四种典型工程案例——金属波导、腔体滤波器、反射面天线和平板裂缝阵天线为研究对象，针对设计与分析的过程中存在的表面粗糙度对其电性能影响问题进行了深入的研究与探索，主要研究内容包括以下三部分。一是表面粗糙度数学模型的建立，二是表面粗糙度对电子装备电性能的影响机理，三是基于影响机理的电子装备表面面向电性能的功能性设计。 （1）提出了表面粗糙度机电耦合建模方法 针对腔体结构表面粗糙度，首先根据研究对象的工作频率及材料属性确定其趋肤深度，继而由趋肤深度值确定腔体表面原始粗糙度中对腔体内电流流动路径产生较大影响的成分。构造合适的高斯滤波函数以及滤波频率的上下限，对表面粗糙度原始轮廓进行滤波，将对电流流动路径产生较大影响的粗糙度成分从表面原始粗糙度中分离出来，去除粗糙度中对电性能影响较小的噪声成分，得到相对有效的粗糙度信息，建立了表面粗糙度对电性能产生实质影响的机电耦合理论建模。 （2）提出了表面粗糙度多尺度建模方法 针对面板结构表面粗糙度特殊的形成机理与分布特点，提出了一种面板广义粗糙度的概念。面板结构表面粗糙度根据其误差来源和幅相特征可分为三种尺度，一是面板在加工过程中由材料属性与加工工艺过程中产生的高频低幅粗糙度误差；二是面板在装配过程中产生的低频低幅波纹度误差；三是面板在外界载荷作用下产生的低频高幅几何形状误差，本文将这三种误差统称为广义粗糙度。应用小波分析法，基于不同尺度误差的幅相特征，对包含三种尺度误差的面板测试数据进行频谱划分，根据各尺度误差信息选用合理的小波基，确定小波分解次数，对表面粗糙度中三种尺度的误差成分进行有效地分离与重构，建立了表面粗糙度多尺度理论模型。 （3）建立了表面粗糙度对波导传输性能的影响关系理论模型 应用表面粗糙度机电耦合建模方法，基于二维高斯函数，建立了波导腔体内壁的表面粗糙度模型。研究发现，表面粗糙度对波导传输损耗的影响实质在于增加了波导内壁表面电流的流动路径，将粗糙度数学模型作为电磁场计算的边界条件，通过求解有效电流路径得到腔体的有效电导率，分别针对矩形和圆形金属波导，导出了粗糙度对波导功率传输损耗的影响关系，并对局部存在任意形状粗糙度的特殊情况进行了研究，导出了相应的计算公式。最后，研制加工了一批不同材质与加工工艺的七阶矩形金属波导滤波器，对上述建模方法和影响关系理论模型的正确性与有效性进行了验证。 （4）建立了表面粗糙度对滤波器传输性能的影响关系理论模型 应用表面粗糙度机电耦合建模方法，分别建立了滤波器腔体内壁的一维和二维表面粗糙度模型，提出了相关长度作为评价粗糙度除均方根值（rms）之外的另一评价参数。基于粗糙度数学模型，导出了粗糙度影响下的滤波器阻抗值，进而得到了粗糙度对滤波器无载Q值的影响关系公式；此外，以电阻矩阵作为中间变量，研究了粗糙度对滤波器传输参数的影响，导出了考虑粗糙度情况下的滤波器S11、S21等相关参数的计算公式。最后，以一个Ku频段的电调双工滤波器为工程案例，进行了相关测试实验，在课题组研制的数据挖掘软件工具的帮助下扩展了相关数据量，解决了滤波器研究过程中面临的实测数据严重不足的问题，最终验证了上述方法的正确性与优越性。 （5）建立了表面粗糙度对反射面天线辐射性能的影响关系理论模型 针对反射面天线面板的实际工况，应用表面粗糙度多尺度建模方法，建立了反射面面板包含三种尺度误差信息的表面粗糙度模型。首先将粗糙度信息转化为物理光学法中的光程差，进而转化为电磁场计算中的相位差，然后以相位差的形式进入到反射面天线的电性能计算中；导出了粗糙度对反射面天线远场辐射场的影响关系公式。研究了不同尺度，不同幅度的粗糙度对天线远场方向图各参数的影响。最后分别以一3.7m口径的反射面天线为工程案例，验证了所提方法的正确性。 （6）建立了表面粗糙度对平板裂缝阵天线辐射性能的影响关系理论模型 针对平板裂缝阵天线的特点，一方面应用表面粗糙度机电耦合建模方法建立了天线辐射波导内壁表面粗糙度的模型。基于模型，推导出考虑辐射波导内部表面粗糙度影响情况下辐射波导内部散射场的具体计算公式；另一方面，应用表面粗糙度多尺度建模方法建立了天线辐射阵面的粗糙度模型。通过坐标转换技术，推导出了表面粗糙度对辐射缝的位置偏移与角度偏转信息的影响，进而求出辐射缝位置偏移量和指向偏移量，将新的相位误差与辐射缝信息引入到理想天线的电磁分析中，得到阵面粗糙度对天线电性能的影响关系公式。最后，通过研制加工的一个10×11cm的弹载平板裂缝阵天线，验证了所提方法的正确性。 （7）提出了非理想天线机电综合建模仿真分析方法 针对现有天线仿真分析所使用的相关商业软件存在结构分析与电磁分析相分离，对非理想模型不能引入误差信息继而进行准确建模与分析的缺陷，通过将本文作者研制的软件模块嵌入到有限元分析与电磁分析商业软件中，可方便地将制造误差融入到结构参数中，进行非理想天线的几何造型；通过施加合适的环境载荷控制系统误差，完成结构分析，得到变形结构模型；应用模型转换模块，将变形结构模型转换为电磁分析模型；进行电磁分析，得到天线的电性能，最终实现了非理想天线的机电综合建模仿真与分析；针对包含多子阵的大型平板裂缝阵天线物理尺寸庞大，结构复杂，子阵数目繁多，在建模分析的过程中可能会遇到的一些通用问题，例如计算方法的选用，网格密度的划分，辐射边界的施加，各子阵单元间互耦关系的考虑等问题进行了对比分析，给出了简单而有效的建模分析准则。 （8）提出了电子装备表面面向电性能的功能性设计方法 基于上述表面粗糙度对电子装备电性能影响机理的研究成果，提出了一种新的电子装备表面设计方法。根据电子装备的性能要求给出电子装备表面设计指标要求，该设计指标包括结构设计指标与电性能设计指标两部分；通过选用合适的材料与安排合理的加工工艺流程来保证结构设计指标的实现，通过选用合适的涂覆材料与加工工艺来实现其电性能设计指标；通过结构造型和涂覆两种方式相结合得到电子装备表面的实体边界；基于此实体边界得到真正对电性能产生影响的表面电磁边界，并将其应用于电性能计算，最终得到电子装备的电性能。