CN104266676B - 8mm基片集成波导环行器失效率检测方法 - Google Patents

Abstract

8mm基片集成波导环行器失效率检测方法，涉及微波器件技术领域。本发明包括下述步骤：1)确定SIW结构失效率λ_G1：2)确定金属通孔失效率λ_G2：3)确定SIW转微带失效率λ_G3：4)确定铁氧体圆柱失效率λ_G4：5)确定永磁体失效率λ_G5；6)以下式确定环行器整体失效率λ_sp：λ_sp＝λ_G1+λ_G2+λ_G3+λ_G4+λ_G5本发明的有益效果是：检测结果可靠，适用范围广。

Description

8mm基片集成波导环行器失效率检测方法

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域。

背景技术

高频率环行器在军事上的雷达及微波多路通信系统中应有非常广泛，而军事通信装备的可靠性非常重要，而失效率检测方法可以很好的判断失效器件的失效模式，找到对可靠性产生影响的失效原因；而且可以为判断器件是否达到指标提供依据。

目前的技术资料军标GJB/Z299B-98只提供了整个一大类环行器的失效率，没有提出每一类以及每一个频段的环行器的失效率计算及检测方法，不能够对某一类环行器的技术指标提供指导。而这项发明解决了这些问题，而且可以推广到同类型的其他频段的环行器和隔离器上进行检测分析。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了对某一种类环行器的具有普遍性的失效率检测方法，适用于这类环行器工作在不同频段型号的检测分析。

本发明所采用的技术方案是：8mm基片集成波导环行器失效率检测方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)按照下式确定SIW结构失效率λ_G1：

λ_G1＝(N*λ_b1+λ_b2)π_Eπ_C

其中，N：金属化通孔数量，π_E：环境系数，π_C：复杂度系数；

2)按照下式确定金属通孔失效率λ_G2：

λ_G2＝(N*λ_b1+λ_b2)π_E

λ_b1：金属孔直径D参数基本失效率，公式为：

λ_b2：金属孔P参数基本失效率，公式为：

3)按照下式确定SIW转微带失效率λ_G3：

λ_G3＝(λ_w2+λ_w3+λ_l)π_E

λ_w2：SIW转微带连接SIW处金属导带宽度基本失效率，公式为：

λ_w3：SIW转微带连接50欧姆微带处金属导带宽度基本失效率，公式为：

λ_l：SIW转微带变换器整体长度l基本失效率，公式为：

4)按照下式确定铁氧体圆柱失效率λ_G4：

λ_G4＝λ_R&Tc，公式为：

公式中ΔT确定如下：

当铁氧体半径R形变量达到设计容差x6所需温度小于居里温度Tc时： $\mathrm{\Δ}T=\frac{x6}{R\·{\∂}_3}$

当铁氧体半径R形变量达到设计容差x6所需温度大于居里温度Tc时：ΔT＝Tc；

5)按照下式确定永磁体失效率λ_G5

λ_G5＝λ_Tc2，公式为：

6)以下式确定环行器整体失效率λ_sp：

λ_sp＝λ_G1+λ_G2+λ_G3+λ_G4+λ_G5

λ_Gi可通过MTBF求得：λ_Gi＝1/MTBF_Gi，

MTBF为平均无故障时间，即两次故障之间系统能够正常工作的时间的平均值。

本发明的有益效果是：检测结果可靠，适用范围广，可用于一大类环行器，可以通过控制环行器设计容差值以及材料特性检测控制环行器失效率；为环行器的可靠性测试提供了依据。

附图说明

图1为36GHz环行器结构图；

图2该型号环行器金属通孔结构；

图3该环行器中SIW转微带结构图；

表1为罗杰斯板材性能参数。

具体实施方式

基片集成波导环行器由5个要素(部分)所构成，各要素都是相互独立工作，若其中任一要素失效都会导致该环行器发生故障，从功能上均可以认为该环行器属于5个要素的串联系统。

由军标GJB/Z299B-98中可靠性理论可知，此类串联结构，其失效率的计算公式为：

${\mathrm{\λ}}_{sp}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{Ni\λ}}_{Gi}$

式中：λ_sp——系统(设备)的失效率，10^-6/h；

λ_Gi——第i种元器件通用失效率，10^-6/h；

Ni——第i种元器件的数量；

n一一系统(设备)所用元器件的种类数目；

λ_Gi——第i种元器件通用失效率，可通过MTBF求得：

λ_Gi＝1/MTBFGi。

MTBF称为平均无故障时间：为两次故障之间系统能够正常工作的时间的平均值。

而本发明中环行器整体失效率可为：

λ_sp＝λ_G1+λ_G2+λ_G3+λ_G4+λ_G5

现分别检测串联系统各个要素失效率：

1、SIW结构失效率

SIW结构主要是由覆铜板组成，其失效率模型可以从国家标准GJB/Z299B-98中查到：

覆铜板失效率：λ_G1＝(N*λ_b1+λ_b2)π_Eπ_C

N：金属化通孔数量

π_E：环境系数

π_C：复杂度系数

2、金属通孔失效率

x1，x2分别是金属通孔直径D，相邻孔间距P的设计容差值。孔间距以圆心距计。

当D变化达到x1时，环行器性能改变较大，变得失效；

当P变化达到x2时，环行器性能改变较大，变得失效。

由以上二个数据可以分别计算λ_b1与λ_b2。

a、金属孔D参数基本失效率λ_b1：

铜的热膨胀系数为：α

所以通孔沿圆周方向尺寸变化：

δ＝x1时达到失效；

δ＝热膨胀系数*全长*温度变化

全长为L(L为金属通孔周长)

δ＝L*ΔT*α

L＝π*D

可以得到ΔT；

由于本环行器工作功率P，考虑极限情况下，介质材料发热的热量全部传给了铜，我们选用的损耗因子为tanδ的板材，所以板材的发热功率：

P热＝tanδ*P；

再由材料的导热系数k，则金属传给空气的热量功率：

P传热＝k*Δt*S*ΔT*h

S＝π*D*h*N(S表面积，Δt升温时间，ΔT温度变化量)

用来使通孔铜膨胀的热量功率:

P膨胀＝P热-P传热

C*M*ΔT＝(tanδ*P-k*ΔT*Δtπ*D*h*N)*Δt

带入参数，就散得到Δt

所以：MTBFb1＝Δt

则基本失效率λ_b1＝1/MTBFb1

λ_b1：金属孔直径D参数基本失效率，公式为：

b、λ_b2金属孔P参数基本失效率：

介质板材的发热功率：

P热＝tanδ*P

介质传走的热量功率:

P传热＝k*Δt*(N*S_金属孔+S_器件表面)*ΔT*h

用来使介质膨胀的热量功率:

P膨胀＝P热-P传热

C*M*ΔT＝(tanδ*P-k*ΔT*Δt*h*(S_器件表面+N*S_金属孔))*Δt

由于介质板热膨胀系数：α₂

所以，金属孔间距变化：

δ＝x2时达到失效；

δ＝热膨胀系数*全长*温度变化

δ＝L*ΔT*α₂

带入参数求得求得Δt

MTBFb2＝Δt

则λ_b2＝1/MTBFb2

λ_b2：金属孔P参数基本失效率，公式为：

则金属通孔失效率λ_G2：

λ_G2＝(N*λ_b1+λ_b2)π_E

3、SIW转微带失效率：

x3为SIW处微带宽度的设计容差值；

x4为50欧姆微带宽度设计容差值；

x5为SIW转微带渐变线长度设计容差值。

当w2改变量达到x3，环行器性能改变较大，变得失效；

当w3改变量达到x4，环行器性能改变较大，变得失效；

当l改变量达到x5，环行器性能改变较大，变得失效。

运用上述数学模型，可以得到SIW转微带失效率为：

λ_w2：SIW转微带连接SIW处金属导带宽度基本失效率，公式为：

λ_w3：SIW转微带连接50欧姆微带处金属导带宽度基本失效率，公式为：

λ_l：SIW转微带变换器整体长度l基本失效率，公式为：

则SIW转微带失效率λ_G3：

λ_G3＝(λ_w2+λ_w3+λ_l)π_E

4、铁氧体圆柱失效率：

x6为铁氧体直径设计容差值。

当铁氧体直径R改变量达到x6，环行器变得失效；

当铁氧体温度达到居里温度Tc时，环行器变得失效；

在运用上述数学模型计算铁氧体圆柱失效率时：

ΔT＝Tc

最后得到铁氧体失效率：

λ_G4＝λ_R&Tc(R&Tc同时考虑铁氧体半径R参数容差值影响失效率和铁氧体居里温度Tc影响失效率)，公式为：

当铁氧体半径R形变量达到设计容差x6所需温度小于居里温度Tc时： $\mathrm{\Δ}T=\frac{x6}{R\·{\∂}_3}$

当铁氧体半径R形变量达到设计容差x6所需温度大于居里温度Tc时：ΔT＝Tc

5、永磁铁失效率：

此类环行器在永磁铁上只受其居里温度Tc2影响，因此在确定永磁铁失效率时代入：

永磁铁表面积：S＝2πR²+2πRh

ΔT＝Tc2(Tc2为永磁铁居里温度)

最后得到永磁铁失效率λ_G5，公式为：

上式中，若分母无意义，则代表系统产生的热量不足以达到使环行器失效的形变量，则该元素的失效时间为无穷，该元素失效率用0表示。

经过以上推导，得到最终检测计算模型如下(只要代入每一个型号的相关已知数据，即可检测失效率)：

${\mathrm{\λ}}_{sp}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{Ni\λ}}_{Gi}$

实施例：

8mm基片集成波导环行器失效率检测与计算的实施例如下：

本实施例的基片工作在Ka波段中心频率为36GHz，该型环行器由5个要素(部分)所构成，各要素都是相互独立工作。

λ_b1＝0.00017×10^-6/h，λ_b2＝0.0011×10^-6/h,π_E＝2，π_C＝2,N＝15

x1＝0.2mm,x2＝0.1mm,x3＝0.05mm,x4＝0.1mm,x5＝0.5mm,x6＝0.02mm

k_铜＝400w/mk，k_介＝0.64w/mk

tanδ＝0.0018,P＝25w,c_铜＝0.39×10³J/(kg·℃),m_铜＝2g，m_介＝2g,m_铁氧体＝0.5g

m_磁体＝1gh＝0.5mm，h_磁体＝1mmD＝0.4mm，R_磁体＝1mm,L＝8mm,ΔT＝Tc＝260℃

Tc2＝200℃

将以上各数据代入失效率测试计算模型公式可以得到：

1)计算λ_G1：

λ_G1＝(N·λ_b1+λ_b2)·π_E·π_C

λ_G1＝(0.00017×15+0.0011)×2×2×10^-6/h

λ_G1＝0.0146×10^-6/h

2)计算λ_G2：

λ_G2＝(N·λ_b1+λ_b2)·π_E

λ_G2＝0+0.0015×10^-6/h

λ_G2＝0.0015×10^-6/h

3)计算λ_G3：

λ_G3＝λ_w2+λ_w3+λ_l

λ_G3＝0+0+0

λ_G3＝0

4)计算λ_G4：

λ_G4＝λ_R&Tc

λ_G4＝0.0076×10^-6/h

5)计算λ_G5：

λ_G5＝λ_Tc2

λ_G5＝0.001×10^-6/h

将上述数值，代入模型，可以得到器件整体失效率：

λ_SP＝λ_G1+λ_G2+λ_G3+λ_G4+λ_G5

λ_SP＝0.0247×10^-6/h

λ_SP＝λ_G1+λ_G2+λ_G3+λ_G4+λ_G5

λ_sp＝(N·λ_b1+λ_b2)·π_E·π_C+

各项参数解释如下：

λ_b1,λ_b2，π_E，π_C由军标GJB/Z299B-98查到

λ_b1＝0.00017×10^-6/h，λ_b2＝0.0011×10^-6/h

π_E，π_C根据工作环境不同而不同

N：金属通孔个数

铜热膨胀系数，介质板热膨胀系数

k_铜：铜导热系数，k_介：介质板材导热系数

k_铁氧体：铁氧体导热系数，k_磁铁：永磁体导热系数

tanδ：介质板介电损耗

P：环形器工作额定功率

c_铜：铜比热容，c_介：介质板材比热容

c_铁氧体:铁氧体比热容，c_磁铁:磁体比热容

m_铜:表面覆铜质量，m_介：介质层质量

m_铁氧体：铁氧体质量，m_磁铁：磁体质量

h：介质厚度，h_磁铁：磁体厚度

D：金属通孔直径，R_磁铁：磁体半径

L：金属通孔的周长

ΔT取与T_c中较小值

R：铁氧体半径，铁氧体热膨胀系数

T_c：铁氧体居里温度，T_c2：磁体居里温度。

表1

表1(中译文)

Claims (1)

1.8mm基片集成波导环行器失效率检测方法，其特征在于，包括下述步骤：

1)按照下式确定SIW结构失效率λ_G1：

λ_G1＝(N*λ_b1+λ_b2)π_Eπ_C

其中，N：金属化通孔数量，π_E：环境系数，π_C：复杂度系数；

2)按照下式确定金属通孔失效率λ_G2：

λ_G2＝(N*λ_b1+λ_b2)π_E

λ_b1：金属孔直径D参数基本失效率，计算公式为：

λ_b2：金属孔P参数基本失效率，计算公式为：

3)按照下式确定SIW转微带失效率λ_G3：

λ_G3＝(λ_w2+λ_w3+λ_l)π_E

λ_w2：SIW转微带连接SIW处金属导带宽度基本失效率，计算公式为：

λ_w3：SIW转微带连接50欧姆微带处金属导带宽度基本失效率，计算公式为：

λ_l：SIW转微带变换器整体长度l基本失效率，计算公式为：

4)按照下式确定铁氧体圆柱失效率λ_G4：

λ_G4＝λ_R&Tc，计算公式为：

公式中ΔT确定如下：

当铁氧体半径R形变量达到设计容差x6所需温度小于居里温度Tc时： $\mathrm{\Δ}T=\frac{x6}{R\·{\∂}_3}$

当铁氧体半径R形变量达到设计容差x6所需温度大于居里温度Tc时：ΔT＝Tc；

5)按照下式确定永磁体失效率λ_G5

λ_G5＝λ_Tc2，计算公式为：

6)以下式确定环行器整体失效率λ_sp：

λ_sp＝λ_G1+λ_G2+λ_G3+λ_G4+λ_G5

λ_Gi可通过MTBF求得：λ_Gi＝1/MTBF_Gi，

MTBF为平均无故障时间，即两次故障之间系统能够正常工作的时间的平均值；

各项参数含义：

铜热膨胀系数，介质板热膨胀系数

k_铜：铜导热系数，k_介：介质板材导热系数

k_铁氧体：铁氧体导热系数，k_磁铁：永磁体导热系数

tanδ：介质板介电损耗

P：环形器工作额定功率

c_铜：铜比热容，c_介：介质板材比热容

c_铁氧体:铁氧体比热容，c_磁铁:磁体比热容

m_铜:表面覆铜质量，m_介：介质层质量

m_铁氧体：铁氧体质量，m_磁铁：磁体质量

h：介质厚度，h_磁铁：磁体厚度

R_磁铁：磁体半径

L：金属通孔的周长

ΔT取与T_c中较小值

R：铁氧体半径

铁氧体热膨胀系数

T_c2：磁体居里温度

x1为金属通孔直径D的设计容差值

x2为相邻孔间距P的设计容差值

x3为SIW处微带宽度的设计容差值

x4为50欧姆微带宽度设计容差值

x5为SIW转微带渐变线长度设计容差值

x6为铁氧体直径设计容差值。