表面粗糙度對(duì)高精度微波電子裝備電性能影響的研究.pdf

1、隨著電子裝備向高頻段、高增益、高密度、小型化方向的發(fā)展，其電磁與機(jī)械結(jié)構(gòu)因素的相互影響、相互制約關(guān)系變得越來越突出。在影響電子裝備電性能指標(biāo)的諸多機(jī)械結(jié)構(gòu)因素中，表面粗糙度因其存在的普遍性、分布的隨機(jī)性及對(duì)電性能影響機(jī)理的復(fù)雜性而備受矚目。本文在多個(gè)國家重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，以電子裝備中四種典型工程案例--金屬波導(dǎo)、腔體濾波器、反射面天線和平板裂縫陣天線為研究對(duì)象，針對(duì)設(shè)計(jì)與分析的過程中存在的表面粗糙度對(duì)其電性能影響問題進(jìn)行了深入的研究與探

2、索，主要研究內(nèi)容包括以下三部分。一是表面粗糙度數(shù)學(xué)模型的建立，二是表面粗糙度對(duì)電子裝備電性能的影響機(jī)理，三是基于影響機(jī)理的電子裝備表面面向電性能的功能性設(shè)計(jì)。
　　 (1)提出了表面粗糙度機(jī)電耦合建模方法
　　 針對(duì)腔體結(jié)構(gòu)表面粗糙度，首先根據(jù)研究對(duì)象的工作頻率及材料屬性確定其趨膚深度，繼而由趨膚深度值確定腔體表面原始粗糙度中對(duì)腔體內(nèi)電流流動(dòng)路徑產(chǎn)生較大影響的成分。構(gòu)造合適的高斯濾波函數(shù)以及濾波頻率的上下限，對(duì)表面粗糙度

3、原始輪廓進(jìn)行濾波，將對(duì)電流流動(dòng)路徑產(chǎn)生較大影響的粗糙度成分從表面原始粗糙度中分離出來，去除粗糙度中對(duì)電性能影響較小的噪聲成分，得到相對(duì)有效的粗糙度信息，建立了表面粗糙度對(duì)電性能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響的機(jī)電耦合理論建模。
　　 (2)提出了表面粗糙度多尺度建模方法
　　 針對(duì)面板結(jié)構(gòu)表面粗糙度特殊的形成機(jī)理與分布特點(diǎn)，提出了一種面板廣義粗糙度的概念。面板結(jié)構(gòu)表面粗糙度根據(jù)其誤差來源和幅相特征可分為三種尺度，一是面板在加工過程中由材料

4、屬性與加工工藝過程中產(chǎn)生的高頻低幅粗糙度誤差；二是面板在裝配過程中產(chǎn)生的低頻低幅波紋度誤差；三是面板在外界載荷作用下產(chǎn)生的低頻高幅幾何形狀誤差，本文將這三種誤差統(tǒng)稱為廣義粗糙度。應(yīng)用小波分析法，基于不同尺度誤差的幅相特征，對(duì)包含三種尺度誤差的面板測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜劃分，根據(jù)各尺度誤差信息選用合理的小波基，確定小波分解次數(shù)，對(duì)表面粗糙度中三種尺度的誤差成分進(jìn)行有效地分離與重構(gòu)，建立了表面粗糙度多尺度理論模型。
　　 (3)建立了表面

5、粗糙度對(duì)波導(dǎo)傳輸性能的影響關(guān)系理論模型
　　 應(yīng)用表面粗糙度機(jī)電耦合建模方法，基于二維高斯函數(shù)，建立了波導(dǎo)腔體內(nèi)壁的表面粗糙度模型。研究發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度對(duì)波導(dǎo)傳輸損耗的影響實(shí)質(zhì)在于增加了波導(dǎo)內(nèi)壁表面電流的流動(dòng)路徑，將粗糙度數(shù)學(xué)模型作為電磁場計(jì)算的邊界條件，通過求解有效電流路徑得到腔體的有效電導(dǎo)率，分別針對(duì)矩形和圓形金屬波導(dǎo)，導(dǎo)出了粗糙度對(duì)波導(dǎo)功率傳輸損耗的影響關(guān)系，并對(duì)局部存在任意形狀粗糙度的特殊情況進(jìn)行了研究，導(dǎo)出了相應(yīng)的計(jì)算

6、公式。最后，研制加工了一批不同材質(zhì)與加工工藝的七階矩形金屬波導(dǎo)濾波器，對(duì)上述建模方法和影響關(guān)系理論模型的正確性與有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 (4)建立了表面粗糙度對(duì)濾波器傳輸性能的影響關(guān)系理論模型
　　 應(yīng)用表面粗糙度機(jī)電耦合建模方法，分別建立了濾波器腔體內(nèi)壁的一維和二維表面粗糙度模型，提出了相關(guān)長度作為評(píng)價(jià)粗糙度除均方根值(rms)之外的另一評(píng)價(jià)參數(shù)。基于粗糙度數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出了粗糙度影響下的濾波器阻抗值，進(jìn)而得到了粗糙度

7、對(duì)濾波器無載O值的影響關(guān)系公式；此外，以電阻矩陣作為中間變量，研究了粗糙度對(duì)濾波器傳輸參數(shù)的影響，導(dǎo)出了考慮粗糙度情況下的濾波器S11、S21等相關(guān)參數(shù)的計(jì)算公式。最后，以一個(gè)Ku頻段的電調(diào)雙工濾波器為工程案例，進(jìn)行了相關(guān)測試實(shí)驗(yàn)，在課題組研制的數(shù)據(jù)挖掘軟件工具的幫助下擴(kuò)展了相關(guān)數(shù)據(jù)量，解決了濾波器研究過程中面臨的實(shí)測數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足的問題，最終驗(yàn)證了上述方法的正確性與優(yōu)越性。
　　 (5)建立了表面粗糙度對(duì)反射面天線輻射性能的影響

8、關(guān)系理論模型
　　 針對(duì)反射面天線面板的實(shí)際工況，應(yīng)用表面粗糙度多尺度建模方法，建立了反射面面板包含三種尺度誤差信息的表面粗糙度模型。首先將粗糙度信息轉(zhuǎn)化為物理光學(xué)法中的光程差，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電磁場計(jì)算中的相位差，然后以相位差的形式進(jìn)入到反射面天線的電性能計(jì)算中；導(dǎo)出了粗糙度對(duì)反射面天線遠(yuǎn)場輻射場的影響關(guān)系公式。研究了不同尺度，不同幅度的粗糙度對(duì)天線遠(yuǎn)場方向圖各參數(shù)的影響。最后分別以一3.7m口徑的反射面天線為工程案例，驗(yàn)證了所提方

9、法的正確性。
　　 (6)建立了表面粗糙度對(duì)平板裂縫陣天線輻射性能的影響關(guān)系理論模型
　　 針對(duì)平板裂縫陣天線的特點(diǎn)，一方面應(yīng)用表面粗糙度機(jī)電耦合建模方法建立了天線輻射波導(dǎo)內(nèi)壁表面粗糙度的模型?；谀Ｐ停茖?dǎo)出考慮輻射波導(dǎo)內(nèi)部表面粗糙度影響情況下輻射波導(dǎo)內(nèi)部散射場的具體計(jì)算公式；另一方面，應(yīng)用表面粗糙度多尺度建模方法建立了天線輻射陣面的粗糙度模型。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換技術(shù)，推導(dǎo)出了表面粗糙度對(duì)輻射縫的位置偏移與角度偏轉(zhuǎn)信息的影響

10、，進(jìn)而求出輻射縫位置偏移量和指向偏移量，將新的相位誤差與輻射縫信息引入到理想天線的電磁分析中，得到陣面粗糙度對(duì)天線電性能的影響關(guān)系公式。最后，通過研制加工的一個(gè)10×11cm的彈載平板裂縫陣天線，驗(yàn)證了所提方法的正確性。
　　 (7)提出了非理想天線機(jī)電綜合建模仿真分析方法
　　 針對(duì)現(xiàn)有天線仿真分析所使用的相關(guān)商業(yè)軟件存在結(jié)構(gòu)分析與電磁分析相分離，對(duì)非理想模型不能引入誤差信息繼而進(jìn)行準(zhǔn)確建模與分析的缺陷，通過將本文作者

11、研制的軟件模塊嵌入到有限元分析與電磁分析商業(yè)軟件中，可方便地將制造誤差融入到結(jié)構(gòu)參數(shù)中，進(jìn)行非理想天線的幾何造型；通過施加合適的環(huán)境載荷控制系統(tǒng)誤差，完成結(jié)構(gòu)分析，得到變形結(jié)構(gòu)模型；應(yīng)用模型轉(zhuǎn)換模塊，將變形結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為電磁分析模型；進(jìn)行電磁分析，得到天線的電性能，最終實(shí)現(xiàn)了非理想天線的機(jī)電綜合建模仿真與分析；針對(duì)包含多子陣的大型平板裂縫陣天線物理尺寸龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，子陣數(shù)目繁多，在建模分析的過程中可能會(huì)遇到的一些通用問題，例如計(jì)算方法

12、的選用，網(wǎng)格密度的劃分，輻射邊界的施加，各子陣單元間互耦關(guān)系的考慮等問題進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了簡單而有效的建模分析準(zhǔn)則。
　　 (8)提出了電子裝備表面面向電性能的功能性設(shè)計(jì)方法
　　 基于上述表面粗糙度對(duì)電子裝備電性能影響機(jī)理的研究成果，提出了一種新的電子裝備表面設(shè)計(jì)方法。根據(jù)電子裝備的性能要求給出電子裝備表面設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，該設(shè)計(jì)指標(biāo)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)與電性能設(shè)計(jì)指標(biāo)兩部分；通過選用合適的材料與安排合理的加工工藝流程來保