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技術(shù)文章

表面粗糙度對高精度微波電子裝備電性能影響的研究
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的諸多機械結(jié)構(gòu)因素中，表面粗糙度因其存在的普遍性、分布的隨機性及對電性能影響機理的復雜性而備受矚目。本文在多個國家重點項目的支持下，以電子裝備中四種典型工程案例——金屬波導、腔體濾波器、反射面天線和平板裂縫陣天線為研究對象，針對設計與分析的過程中存在的表面粗糙度對其電性能影響問題進行了深入的研究與探索，主要研究內(nèi)容包括以下三部分。一是表面粗糙度數(shù)學模型的建立，二是表面粗糙度對電子裝備電性能的影響機理，三是基于影響機理的電子裝備表面面向電性能的功能性設計。（1）提出了表面粗糙度機電耦合建模方法針對腔體結(jié)構(gòu)表面粗糙度，首先根據(jù)研究對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腔體內(nèi)電流流動路徑產(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，對表面粗糙度原始輪廓進行濾波，將對電流流動路徑產(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，去除粗糙度中對電性能影響較小的噪聲成分，得到相對有效的粗糙度信息，建立了表面粗糙度對電性能產(chǎn)生實質(zhì)影響的機電耦合理論建模。（2）提出了表面粗糙度多尺度建模方法針對面板結(jié)構(gòu)表面粗糙度特殊的形成機理與分布特點，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。應用小波分析法，基于不同尺度誤差的幅相特征，對包含三種尺度誤差的面板測試數(shù)據(jù)進行頻譜劃分，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)，對表面粗糙度中三種尺度的誤差成分進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）建立了表面粗糙度對波導傳輸性能的影響關(guān)系理論模型應用表面粗糙度機電耦合建模方法，基于二維高斯函數(shù)，建立了波導腔體內(nèi)壁的表面粗糙度模型。研究發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度對波導傳輸損耗的影響實質(zhì)在于增加了波導內(nèi)壁表面電流的流動路徑，將粗糙度數(shù)學模型作為電磁場計算的邊界條件，通過求解有效電流路徑得到腔體的有效電導率，分別針對矩形和圓形金屬波導，導出了粗糙度對波導功率傳輸損耗的影響關(guān)系，并對局部存在任意形狀粗糙度的特殊情況進行了研究，導出了相應的計算公式。*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濾波器，對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行了驗證。（4）建立了表面粗糙度對濾波器傳輸性能的影響關(guān)系理論模型應用表面粗糙度機電耦合建模方法，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)長度作為評價粗糙度除均方根值（rms）之外的另一評價參數(shù)?；诖植诙葦?shù)學模型，導出了粗糙度影響下的濾波器阻抗值，進而得到了粗糙度對濾波器無載Q值的影響關(guān)系公式；此外，以電阻矩陣作為中間變量，研究了粗糙度對濾波器傳輸參數(shù)的影響，導出了考慮粗糙度情況下的濾波器S11、S21等相關(guān)參數(shù)的計算公式。*后，以一個Ku頻段的電調(diào)雙工濾波器為工程案例，進行了相關(guān)測試實驗，在課題組研制的數(shù)據(jù)挖掘軟件工具的幫助下擴展了相關(guān)數(shù)據(jù)量，解決了濾波器研究過程中面臨的實測數(shù)據(jù)嚴重不足的問題，*終驗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反射面天線輻射性能的影響關(guān)系理論模型針對反射面天線面板的實際工況，應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)化為物理光學法中的光程差，進而轉(zhuǎn)化為電磁場計算中的相位差，然后以相位差的形式進入到反射面天線的電性能計算中；導出了粗糙度對反射面天線遠場輻射場的影響關(guān)系公式。研究了不同尺度，不同幅度的粗糙度對天線遠場方向圖各參數(shù)的影響。*后分別以一3.7m口徑的反射面天線為工程案例，驗證了所提方法的正確性。（6）建立了表面粗糙度對平板裂縫陣天線輻射性能的影響關(guān)系理論模型針對平板裂縫陣天線的特點，一方面應用表面粗糙度機電耦合建模方法建立了天線輻射波導內(nèi)壁表面粗糙度的模型?；谀Ｐ?，推導出考慮輻射波導內(nèi)部表面粗糙度影響情況下輻射波導內(nèi)部散射場的具體計算公式；另一方面，應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。通過坐標轉(zhuǎn)換技術(shù)，推導出了表面粗糙度對輻射縫的位置偏移與角度偏轉(zhuǎn)信息的影響，進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，得到陣面粗糙度對天線電性能的影響關(guān)系公式。*后，通過研制加工的一個10×11cm的彈載平板裂縫陣天線，驗證了所提方法的正確性。（7）提出了非理想天線機電綜合建模仿真分析方法針對現(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，對非理想模型不能引入誤差信息繼而進行準確建模與分析的缺陷，通過將本文作者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；進行電磁分析，得到天線的電性能，*終實現(xiàn)了非理想天線的機電綜合建模仿真與分析；針對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)復雜，子陣數(shù)目繁多，在建模分析的過程中可能會遇到的一些通用問題，例如計算方法的選用，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)系的考慮等問題進行了對比分析，給出了簡單而有效的建模分析準則。（8）提出了電子裝備表面面向電性能的功能性設計方法基于上述表面粗糙度對電子裝備電性能影響機理的研究成果，提出了一種新的電子裝備表面設計方法。根據(jù)電子裝備的性能要求給出電子裝備表面設計指標要求，該設計指標包括結(jié)構(gòu)設計指標與電性能設計指標兩部分；通過選用合適的材料與安排合理的加工工藝流程來保證結(jié)構(gòu)設計指標的實現(xiàn)，通過選用合適的涂覆材料與加工工藝來實現(xiàn)其電性能設計指標；通過結(jié)構(gòu)造型和涂覆兩種方式相結(jié)合得到電子裝備表面的實體邊界；基于此實體邊界得到真正對電性能產(chǎn)生影響的表面電磁邊界，并將其應用于電性能計算，*終得到電子裝備的電性能。