CN104166770B - 一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，包括：1)确定微波器件的结构参数、材料属性以及微波器件的电磁工作参数；2)根据微波器件的电磁工作频率，确定微波器件的拼缝宽度；3)根据给定的微波器件的结构参数、材料属性以及当前的微波器件拼缝宽度，建立微波器件的电磁分析模型；4)根据微波器件的结构参数与电磁工作参数，确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件；5)计算包括电压驻波比和插入损耗的微波器件传输性能参数；6)判断当前的拼缝宽度下微波器件传输性能是否满足要求。该方法通过优化微波器件的拼缝宽度，可以使微波器件的传输性能达到工程设计的指标要求，指导微波器件的结构方案设计。

Description

一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法

技术领域

本发明属于微波射频电路技术领域，具体是一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，可用于指导微波器件的结构方案设计，使微波传输性能满足工程指标要求。

背景技术

随着电子技术的发展，各种高速射频电路系统被广泛应用于通信、雷达、监测和导航等众多领域。随着电子设备的发展日益趋向轻量化与小型化，电子元器件的排布变得更加密集，这对微波射频电路的加工工艺提出了很高的要求。而微波射频电路的结构形式与特点直接影响着微波信号的传输性能，制约着整个微波器件电性能的实现。

在一个高速互连系统中，微波信号流经芯片内部连线、芯片封装、PCB板布线通道、焊盘、过孔，螺栓等等，信号本身的电气特性使得其在任何传输路径上都有可能存在信号完整性问题。通过将跨越基板的铜质连接线搭焊到电路基板的微带传输线上，实现微波信号的传输。然而，在实际工程中，由于受到微波器件的实际尺寸与安装位置的限制，微波器件间通常存在着缝隙，对此种跨越基板间的连接方式下的电路特性尚不清楚。在微波射频电路的设计中，针对微波器件拼缝宽度的设计，更多的是靠工程师的主观经验，在生产制造过程中缺乏相关的理论指导及确定方法，然而微波器件拼缝的大小恰恰对微波信号的传输效果影响很大。可见，传统上利用经验方式确定拼缝宽度，往往会导致严重的信号完整性问题，从而制约了微波器件电性能的实现与提高。

因此，有必要系统地研究微波器件拼缝的结构参数对微波信号传输性能的影响机理，根据微波传输性能的指标要求，找到一种快速、有效地确定微波器件拼缝宽度的设计方法，为连接工艺的结构设计提供理论保障。

发明内容

针对上述微波射频电路设计中的不足，本发明的目的在于提出了一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，该方法通过优化微波器件的拼缝宽度，可以使微波器件的传输性能达到工程设计的指标要求，指导微波器件的结构方案设计。

为了实现上述目的，本发明提供的面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法包括如下步骤：

(1)根据微波器件的各部分模块组成，确定微波器件的结构参数以及材料属性，同时确定微波器件的电磁工作参数；

(2)根据微波器件的电磁工作参数，确定微波器件的拼缝宽度；

(3)根据给定的微波器件的结构参数、材料属性以及当前的微波器件拼缝宽度，建立微波器件的电磁分析模型；

(4)根据微波器件的结构参数与电磁工作参数，确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件；

(5)利用三维电磁分析软件HFSS，计算包括电压驻波比、插入损耗的微波器件传输性能参数；

(6)根据微波器件的传输性能指标要求，判断当前的拼缝宽度下微波器件传输性能是否满足要求，如果满足要求，则当前的拼缝宽度即为满足微波器件传输性能的最佳拼缝宽度；否则，根据上一次的拼缝宽度以及当前微波器件的传输性能，更新微波器件的拼缝宽度，并重复步骤(3)至步骤(6)，直至满足要求；

进一步地，所述步骤(1)中确定微波器件的结构参数，包括介质基板和微带传输线的长度、宽度及厚度，连接线的直径和长度；确定微波器件的材料属性，包括相对介电常数、相对渗透率以及质量密度；确定微波器件的电磁工作参数，包括微带传输线的电磁工作频率。

进一步地，所述步骤(2)中根据微波器件的电磁工作参数，确定微波器件的拼缝宽度，按照下述方法进行：

设k为更新微波器件拼缝宽度的次数，当k＝1时，取微波器件的初始拼缝宽度dx(1)服从于均值为λ/8，标准差为λ/120正态分布的随机数，其中λ＝c/f为微带传输线的波长，c＝3×10⁸m/s为电磁波在空间的传播速度，f为微带传输线的电磁工作频率。

进一步地，所述步骤(3)根据步骤(1)中确定的微波器件的结构参数、材料属性和电磁工作参数，以及步骤(2)中确定的微波器件拼缝宽度在HFSS软件中建立微波器件的电磁分析模型。

进一步地，所述步骤(4)按照如下过程进行：

(4a)设微带传输线的宽度为w，微波器件的介质基板厚为h，馈电端口面的长为a，馈电端口面的宽为b，根据单模传输理论，可得到馈电端口面的尺寸为：

$\begin{array}{c}a=\left\{\begin{array}{cc}10w& w\&GreaterEqual;h\\ 5w& w<h\end{array}\right.\\ b=6h\end{array}---\left(1\right)$

(4b)设两个不同介质基板的长度分别为L₁和L₂，两个不同介质基板的宽度分别为w₁和w₂，由电磁传播理论可知，第k次的微波器件拼缝宽度dx(k)下的电磁计算边界尺寸的长(L_a)、宽(W_a)、高(H_a)为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_a=L_1+L_2+dx\left(k\right)\\ W_a=Max(w_1,w_2)\\ H_a=\mathrm{\&lambda;}/4\end{array}\right.---\left(2\right)$

λ为微带传输线的波长；

(4c)根据确定的馈电端口面的尺寸在HFSS软件中建立馈电端口；根据电磁计算边界尺寸，在HFSS软件中建立电磁计算边界，并分别将电磁计算边界的上表面与四个侧面设置为电磁辐射边界即电磁计算边界条件。

进一步地，所述步骤(6)，按照下述步骤进行：

根据步骤(5)计算的当前拼缝宽度下包括电压驻波比与插入损耗的微波器件传输性能参数，判断当前拼缝宽度下的微波器件传输性能是否满足指标要求；

(6a)若满足要求，则当前的拼缝宽度即为满足微波器件传输性能的最佳拼缝宽度；

(6b)若不满足要求，则计算k+1次更新的拼缝宽度为：

dx(k+1)＝dx(k)+dk (3)

其中dx(k)为第k次更新的拼缝宽度，dk为拼缝宽度的更新方向；

(6c)由此得到如下公式：

$\begin{array}{c}dk=v_k+w\&CenterDot;\&lsqb;F\left(k\right)-G\left(k\right)\&rsqb;\\ v_{k+1}=t\&CenterDot;v_k\end{array}---\left(4\right)$

式中，v_k为更新速度，其初值，即v(1)的取值为1；t为惩罚因子，为[0,1]范围内的均匀随机数；w为惯性权值，其取值为1.5；为第k次更新的拼缝宽度相对于第一次拼缝宽度的归一化值；F(k)代表的是第k次计算的微波传输性能参数相对于工程设计指标的归一化值；

(6d)设第k次更新的拼缝宽度下，微波传输的电压驻波比和插入损耗分别为V(k)和S(k)，且工程设计中电压驻波比的最大上限值为V_max(即要求(V(k)≤V_max)，插入损耗的最大上限值为S_max(即要求S(k)≤S_max)，则F(k)为：

$F\left(k\right)=\frac{V\left(k\right)}{V_{\max }}+\frac{S\left(k\right)}{S_{\max }}---\left(5\right).$

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1.针对微波射频电路的工程设计中，微波器件拼缝宽度的确定缺少理论指导的问题，本发明通过优化微波器件拼缝的宽度，实现了微波器件传输性能的提高。传统方法只能根据实际加工中，微波器件的尺寸大小以及安装的具体位置来设计微波器件的拼缝宽度，缺乏相应的理论指导，通常也不考虑拼缝宽度对微波器件电性能的影响，而本发明在充分地考虑了微波器件拼缝尺寸对其传输性能的影响下，快速、有效地对微波器件拼缝宽度进行确定，从而避免了现有的经验设计给微波器件电性能的提高带来的不足。

2.通过研究微波射频电路中的加工工艺与微波器件传输性能之间的影响关系，不仅为微波器件拼缝宽度的设计提供了理论支持，保证了微波器件的电性能的实现，同时也为微波射频电路的结构方案设计提供了指导。

附图说明

图1是本发明技术方案的流程图。

图2是微波器件的俯视图以及尺寸标注图。

图3(a)、图3(b)是微波器件的正视图以及局部尺寸标注图。

图4(a)-图4(c)是微波器件的侧视图以及局部尺寸标注图。

图5是微波器件的电磁分析模型。

图6是电磁计算边界模型。

图7是馈电端口面的示意图。

图8是设置电磁计算边界条件的示意图。

图2中：1.介质基板；2.微带传输线；3.连接线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，具体步骤如下：

步骤一，确定微波器件的结构参数与电磁工作参数

根据微波器件的各部分模块组成，确定微波器件的结构参数以及材料属性。微波器件的结构参数，包括介质基板的长度、宽度及厚度，微带传输线的长度、宽度及厚度，连接线的直径和长度，如图2～图4所示。微波器件的材料属性，包括相对介电常数、相对渗透率以及质量密度；确定微波器件的电磁工作参数，包括微带传输线的电磁工作频率。

步骤二，确定微波器件的拼缝宽度

根据微波器件的电磁工作频率，确定初始的微波器件拼缝的大小dx，设k为更新微波器件拼缝宽度的次数，当k＝1时，取微波器件的初始拼缝宽度dx(1)服从于均值为λ/8，标准差为λ/120正态分布的随机数，其中λ＝c/f为微带传输线的波长，c＝3×10⁸m/s为电磁波在空间的传播速度，f为微带传输线的电磁工作频率。

步骤三，建立微波器件的电磁分析模型

根据步骤一中确定的微波器件的结构参数、材料属性和电磁工作参数，以及步骤二中确定的微波器件拼缝宽度，在HFSS软件中建立微波器件的电磁分析模型。

步骤四，确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件

根据微波器件的结构参数与电磁工作参数，确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件按照如下过程进行：

4.1)设微带传输线的宽度为w，微波器件的介质基板厚为h，馈电端口面的长为a，馈电端口面的宽为b。根据单模传输理论，可得到馈电端口面的尺寸为：

$\begin{array}{c}a=\left\{\begin{array}{cc}10w& w\&GreaterEqual;h\\ 5w& w<h\end{array}\right.\\ b=6h\end{array}---\left(1\right)$

4.2)设两个不同介质基板的长度分别为L₁和L₂，两个不同介质基板的宽度分别为w₁和w₂，由电磁传播理论可知，第k次的微波器件拼缝宽度dx(k)下的电磁计算边界尺寸的长(L_a)、宽(W_a)、高(H_a)为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_a=L_1+L_2+dx\left(k\right)\\ W_a=Max(w_1,w_2)\\ H_a=\mathrm{\&lambda;}/4\end{array}\right.---\left(2\right)$

λ为微带传输线的波长；

4.3)根据确定的馈电端口面的尺寸在HFSS软件中建立馈电端口，如图7所示；根据电磁计算边界尺寸，在HFSS软件中建立电磁计算边界，并分别将电磁计算边界的上表面与四个侧面设置为电磁辐射边界即电磁计算边界条件，如图8所示。

步骤五，计算包括电压驻波比和插入损耗的微波传输性能参数

利用三维电磁分析软件HFSS，计算当前拼缝宽度下微波器件的传输性能参数：电压驻波比(VSWR)和插入损耗(S21)。

步骤六，判断当前拼缝宽度下的微波器件传输性能是否满足指标要求

6.1)若满足要求，则当前的拼缝宽度即为满足微波器件传输性能的最佳拼缝宽度；

6.2)若不满足要求，则计算k+1次更新的拼缝宽度为：

dx(k+1)＝dx(k)+dk (3)

其中dx(k)为第k次更新的拼缝宽度，dk为拼缝宽度的更新方向，

6.3)由此得到如下公式：

$\begin{array}{c}dk=v_k+w\&CenterDot;\&lsqb;F\left(k\right)-G\left(k\right)\&rsqb;\\ v_{k+1}=t\&CenterDot;v_k\end{array}---\left(4\right)$

式中，v_k为更新速度，其初值，即v(1)的取值为1；t为惩罚因子，为[0,1]范围内的均匀随机数；w为惯性权值，其取值为1.5；为第k次更新的拼缝宽度相对于第一次拼缝宽度的归一化值；F(k)代表的是第k次计算的微波传输性能参数相对于工程设计指标的归一化值；

6.4)设第k次更新的拼缝宽度下，微波传输的电压驻波比和插入损耗分别为V(k)和S(k)，且工程设计中电压驻波比的最大上限值为V_max(即要求(V(k)≤V_max)，插入损耗的最大上限值为S_max(即要求S(k)≤S_max)，则F(k)为：

$F\left(k\right)=\frac{V\left(k\right)}{V_{\max }}+\frac{S\left(k\right)}{S_{\max }}---\left(5\right)$

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：

1.确定微波器件的结构参数与电磁工作参数

本实验以S波段3GHz的有源相控阵天线中的单通道微波器件为例，研究单通道微波器件中的功率放大器器件与环形器器件间的拼缝宽度。为了简化分析，将两微波器件等效为两个大小相同的微波电路基板，微带传输线紧贴在电路基板表面，两块电路基板由连接线相连，连接线通过搭焊工艺焊接到微带线上。具体结构参数如图2～图4所示，具体材料属性如表1所示。

表1微波器件的材料属性

取微波器件的电磁工作频率f为3GHz。

2.确定微波器件的拼缝宽度

根据微波器件的电磁工作频率，计算出电磁波波长λ＝c/f＝100mm，取微波器件的初始拼缝宽度值dx(1)为一个服从于均值为12.5mm，标准差为0.83的正态分布的随机数。

3.建立微波器件的电磁分析模型

根据微波器件的结构参数、材料属性和电磁工作参数，以及微波器件的拼缝宽度，在HFSS软件中建立微波器件的电磁分析模型，如图5所示。

4.确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件

根据微波器件的结构参数与电磁工作参数，确定馈电端口面的尺寸，设微带传输线的宽度为w，微波器件的介质基板厚为h，馈电端口面的长为a，馈电端口面的宽为b，根据单模传输理论，可得到馈电端口面的尺寸为：

$\begin{array}{c}a=\left\{\begin{array}{cc}10w& w\&GreaterEqual;h\\ 5w& w<h\end{array}\right.\\ b=6h\end{array}---\left(1\right)$

由微波器件的结构参数，微波器件的俯视图以及尺寸标注图如图2所示，图2中1为介质基板，2为微带传输线，3为连接线。由图2可得w＝0.91mm，h＝0.354mm，由上式可知：a＝9.1mm，b＝2.124mm。

设两个不同介质基板的长度分别为L₁和L₂，两个不同介质基板的宽度分别为w₁和w₂，由电磁传播理论可知，第k次的微波器件拼缝宽度dx(k)下的电磁计算边界尺寸的长(L_a)、宽(W_a)、高(H_a)为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_a=L_1+L_2+dx\left(k\right)\\ W_a=Max(w_1,w_2)\\ H_a=\mathrm{\&lambda;}/4\end{array}\right.---\left(2\right)$

由确定的结构参数可知，两个介质基板的长度分别为L₁＝L₂＝20mm，两个介质基板的宽度分别为w₁＝w₂＝15mm，可得L_a＝20mm+dx(k)，W_a＝15mm，H_a＝25mm，图3(a)、图3(b)给出了微波器件的正视图以及局部尺寸标注图；图4(a)-图4(c)给出了微波器件的侧视图以及局部尺寸标注图。微波器件的电磁计算边界模型如图6所示。

根据确定的馈电端口面的尺寸在HFSS软件中建立馈电端口，如图7所示；根据电磁计算边界尺寸，在HFSS软件中分别将电磁计算边界的上表面与四个侧面设置为电磁辐射边界，即电磁计算边界条件，如图8所示。

5.计算包含电压驻波比、插入损耗的微波传输性能参数

利用三维电磁分析软件，分别计算当前拼缝宽度下，包括电压驻波比(VSWR)和插入损耗(S21)的微波传输性能参数。根据微波器件的初始拼缝宽度dx(1)为13.14mm，计算出的电压驻波比：VSWR＝4.56；插入损耗：S21＝2.39dB。

6.拼缝宽度确定及电性能结果

因为目前拼缝宽度下的微波器件电性能不满足工程设计中要求的电压驻波比不大于1.2以及插入损耗不大于0.2dB的指标要求，所以根据式(3)～式(5)更新拼缝宽度并重复计算，经过15次更新，即k＝15时，得到满足微波传输性能指标要求的最佳拼缝宽度为1.1mm，此时计算出的微波器件的传输性能参数，电压驻波比：VSWR＝1.12；插入损耗：S21＝0.12，满足工程设计中要求的电压驻波比不大于1.2以及插入损耗不大于0.2dB的指标要求。这15次更新的拼缝大小及相应微波器件电性能结果如表2所示。可见在1.1mm拼缝宽度下，微波器件的传输性能参数满足了工程设计的指标要求，明显提高了微波信号的传输效果。

表2拼缝大小更新过程及电性能结果

上述仿真实验可以看出，本发明提出的一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，在充分地考虑了微波器件的拼缝宽度对微波信号传输性能的影响下，快速有效地对微波器件拼缝宽度进行确定，从而避免了现有的经验设计给微波器件电性能的提高带来的负面影响，确保了微波器件的电性能实现，同时也为微波射频电路的结构方案设计提供了理论指导。

Claims (7)

1.一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)根据微波器件的各部分模块组成，确定微波器件的结构参数以及材料属性，同时确定微波器件的电磁工作参数；

(2)根据微波器件的电磁工作参数，确定微波器件的拼缝宽度；

(3)根据给定的微波器件的结构参数、材料属性以及当前的微波器件拼缝宽度，建立微波器件的电磁分析模型；

(4)根据微波器件的结构参数与电磁工作参数，确定馈电端口面的尺寸并设置电磁计算边界条件；

(5)利用三维电磁分析软件HFSS，计算包括电压驻波比、插入损耗的微波器件传输性能参数；

(6)根据微波器件的传输性能指标要求，判断当前的拼缝宽度下微波器件传输性能是否满足要求，如果满足要求，则当前的拼缝宽度即为满足微波器件传输性能的最佳拼缝宽度；否则，根据上一次的拼缝宽度以及当前微波器件的传输性能，更新微波器件的拼缝宽度，并重复步骤(3)至步骤(6)，直至满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，其特征在于，所述步骤(1)中确定微波器件的结构参数，包括介质基板和微带传输线的长度、宽度及厚度，连接线的直径和长度；确定微波器件的材料属性，包括相对介电常数、相对渗透率以及质量密度；确定微波器件的电磁工作参数，包括微带传输线的电磁工作频率。

3.根据权利要求2所述的一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据微波器件的电磁工作参数，确定微波器件的拼缝宽度，按照下述方法进行：

设k为更新微波器件拼缝宽度的次数，当k＝1时，取微波器件的初始拼缝宽度dx(1)服从于均值为λ/8，标准差为λ/120正态分布的随机数，其中λ＝c/f为微带传输线的波长，c＝3×10⁸m/s为电磁波在空间的传播速度，f为微带传输线的电磁工作频率。

4.根据权利要求1所述的一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，其特征在于，所述步骤(3)根据步骤(1)中确定的微波器件的结构参数、材料属性和电磁工作参数，以及步骤(2)中确定的微波器件拼缝宽度在HFSS软件中建立微波器件的电磁分析模型。

5.根据权利要求1所述的一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，其特征在于，所述步骤(4)按照如下过程进行：

(4a)设微带传输线的宽度为w，微波器件的介质基板厚为h，馈电端口面的长为a，馈电端口面的宽为b，根据单模传输理论，得到馈电端口面的尺寸为：

$\begin{array}{c}a=\left\{\begin{array}{cc}10w& w\&GreaterEqual;h\\ 5w& w<h\end{array}\right.\\ b=6h\end{array}---\left(1\right);$

(4b)设两个不同介质基板的长度分别为L₁和L₂，两个不同介质基板的宽度分别为w₁和w₂，由电磁传播理论可知，第k次的微波器件拼缝宽度dx(k)下的电磁计算边界尺寸的长L_a、宽W_a、高H_a分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_a=L_1+L_2+dx\left(k\right)\\ W_a=Max(w_1,w_2)\\ H_a=\mathrm{\&lambda;}/4\end{array}\right.---\left(2\right);$

λ为微带传输线的波长；

(4c)根据确定的馈电端口面的尺寸在HFSS软件中建立馈电端口；根据电磁计算边界尺寸，在HFSS软件中建立电磁计算边界，并分别将电磁计算边界的上表面与四个侧面设置为电磁辐射边界即电磁计算边界条件。

6.根据权利要求1所述的一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，其特征在于，所述步骤(6)按照下述步骤进行：

根据步骤(5)计算的当前拼缝宽度下包括电压驻波比与插入损耗的微波器件传输性能参数，判断当前拼缝宽度下的微波器件传输性能是否满足指标要求；

(6a)若满足要求，则当前的拼缝宽度即为满足微波器件传输性能的最佳拼缝宽度；

(6b)若不满足要求，则计算k+1次更新的拼缝宽度为：

dx(k+1)＝dx(k)+dk (3)

其中dx(k)为第k次更新的拼缝宽度，dk为拼缝宽度的更新方向；

(6c)由此得到如下公式：

$\begin{array}{c}dk=v_k+w\&CenterDot;\&lsqb;F\left(k\right)-G\left(k\right)\&rsqb;\\ v_{k+1}=t\&CenterDot;v_k\end{array}---\left(4\right)$

式中，v_k为更新速度，其初值，即v(1)的取值为1；t为惩罚因子，为[0,1]范围内的均匀随机数；w为惯性权值，其取值为1.5；为第k次更新的拼缝宽度相对于第一次拼缝宽度的归一化值；F(k)代表的是第k次计算的微波传输性能参数相对于工程设计指标的归一化值；

(6d)设第k次更新的拼缝宽度下，微波传输的电压驻波比和插入损耗分别为V(k)和S(k)，且工程设计中电压驻波比的最大上限值为V_max，插入损耗的最大上限值为S_max，则F(k)为：

$F\left(k\right)=\frac{V\left(k\right)}{V_{\max }}+\frac{S\left(k\right)}{S_{\max }}---\left(5\right).$

7.根据权利要求6所述的一种面向传输性能的微波器件拼缝宽度的快速确定方法，其特征在于，所述电压驻波比的最大上限值为V_max≥V(k)，插入损耗的最大上限值为S_max≥S(k)。