CN110069862B - 面向微波组件的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法 - Google Patents

面向微波组件的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，包括：确定芯线绕焊互联几何参数与物性参数，对芯线绕焊互联形态进行参数化表征，计算芯线绕焊互联结构中芯线长度，建立芯线绕焊互联结构‑电磁分析模型，设计芯线绕焊互联形态参数与电磁传输性能指标的正交试验，计算芯线绕焊互联形态参数灵敏度、芯线绕焊互联形态参数影响度；确定芯线绕焊互联形态关键参数并进行参数关键度计算；确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳形态参数；确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳芯线长度。本方法可指导微波组件设计与优化，提升微波产品研制品质。

Description

面向微波组件的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法
技术领域
本发明属于微波射频电路技术领域，具体是一种面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，可用于指导微波组件中模块互联设计与电磁传输性能调控。
背景技术
随着电子信息技术的快速发展，微波射频电路及模块被广泛应用于移动通信、卫星通信、雷达、及其它航空航天等领域。微波电子器件及模块的研制日趋小型化、集成化、高速率与高可靠，这对微波器件及模块的组装互联提出了非常严苛的要求。微波组件中电路模块互联形态对高频信号传输性能的影响随着频率的升高急剧显著，同时，在电子设备服役中，互联形态也极易受温度及环境载荷的影响，上述使得高频微波组件中模块互联问题成为严重影响微波组件性能和制约微波组件研制水平提升的关键因素。
在高频有源微波组件中，电路模块间组装由于受到组装精度和制造公差的限制，安装间隙不可避免，而且由于组装精度和制造公差取值的变化会造成模块间隙距离显著变化。采用芯线绕焊互联结构，不仅能起到信号精确传递的作用，同时还具有调节组装误差与缓冲载荷的效果，并且这种互联形态能够有效克服由于材料热膨胀系数不匹配所造成的连接易开裂等缺陷，显著地改善了互联处抗热应力的不足，提升了电路互联可靠性。然而芯线绕焊互联形态的改变及瞬时变化会对高频微波信号传输性能造成显著影响，现有针对互联形态与信号传输性能的影响机理鲜见研究，且工程中多停留在人工经验以及大量软件仿真上，无法精确快速给出面向传输性能的最佳互联形态，造成人工成本高，且工作效率低。
因此，有必要深入研究面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，对互联形态进行参数化精确表征建模，探究互联形性影响规律，突破互联形性关联关键参数识别，进而实现互联形态最佳参数快速准确预测，为微波组件中模块互联设计与电性能调控提供理论保障。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，以便快速、准确地确定芯线绕焊互联最佳形态参数，为微波组件性能提升，以及复杂环境下电性能的保障提供理论指导。
实现本发明目的的技术解决方案是，一种面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，该方法包括下述步骤：
(1)根据高频微波组件互联的具体要求，确定微波组件中芯线绕焊互联的几何参数与物性参数；
(2)根据微波组件互联形态及工程实际调研，对芯线绕焊互联形态分段进行参数化表征；
(3)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线绕焊互联结构中芯线长度表达式Lt；
(4)根据确定的微波组件中芯线绕焊互联几何参数、物性参数及形态参数化表征，建立芯线绕焊互联结构-电磁分析模型；
(5)根据微波组件中芯线绕焊互联形态参数与电性能评价指标，确定因素、水平和指标，设计芯线绕焊互联形态参数与电磁传输性能指标的正交试验；
(6)根据正交试验结果极差分析，计算芯线绕焊互联形态参数灵敏度；
(7)根据正交试验结果方差分析，计算芯线绕焊互联形态参数影响度；
(8)根据芯线绕焊互联形态参数灵敏度与影响度，确定芯线绕焊互联形态关键参数并进行参数关键度计算；
(9)根据芯线绕焊互联形态关键参数与正交试验结果极差分析趋势图，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳形态参数；
(10)根据芯线绕焊互联最佳形态参数与芯线长度表达式Lt，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳芯线长度Lto。
进一步，步骤(1)中，确定微波组件中芯线绕焊互联参数，包括确定几何参数：芯线直径D2、引线端部到芯引连接处间距S、芯线上圆弧与引线距离P、芯线跨距Lk、芯线上圆弧半径R1、芯线下圆弧半径R2、芯线水平段长度Ls、引线直径D1、引线伸出长度Lx、引线到介质基板高度H、玻璃介质直径Dg、玻璃介质长度Lg、微带导体宽度W、微带导体厚度T和介质基板厚度Hs。
确定物性参数：信号传输频率f、介质基板介电常数εs、介质基板损耗角正切θs、玻璃介质介电常数εg和玻璃介质损耗角正切θg。
进一步，所述步骤(2)中，对芯线绕焊互联形态进行参数化表征包括：中间变量芯线倾斜角α、引线段Lsty表征函数、芯线半圆弧段Lar1表征函数、芯线竖直直线段Lst1表征函数、芯线上圆弧段Lar2表征函数、芯线倾斜直线段Lst2表征函数、芯线下圆弧段Lar3表征函数和芯线水平直线段Lst3表征函数。
进一步，所述步骤(3)中，计算芯线绕焊长度表达式Lt按照以下步骤进行：
(3a)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线半圆弧段长度Lar1；
(3b)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线竖直直线段长度Lst1；
(3c)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线上圆弧段长度Lar2；
(3d)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线倾斜直线段长度Lst2；
(3e)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线下圆弧段长度Lar3；
(3f)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线水平直线段长度Lst3；
(3g)根据上述分段曲线长度公式，计算芯线总长度：
Lt＝Lar1+Lst1+Lar2+Lst2+Lar3+Lst3。
进一步，步骤(4)中，所述建立芯线绕焊互联结构-电磁分析模型包括根据步骤(1)中确定的微波组件芯线绕焊互联几何参数、物性参数，以及步骤(2) 中对芯线绕焊互联形态进行的参数化表征，在三维电磁全波仿真分析软件中建立芯线绕焊互联结构-电磁分析模型，所建立的模型包括引线、芯线、微带线、焊锡、玻璃介质、介质基板。
进一步，所述步骤(5)中，确定因素、水平和指标，设计芯线绕焊互联形态参数与电磁传输性能指标的正交试验按照以下步骤进行：
(5a)根据微波组件互联形态及工程实际调研，确定芯线绕焊互联形态6 个调控因素分别为：引线到介质基板高度H、引线端部到芯引连接处间距S、芯线上圆弧与引线距离P、芯线水平段长度Ls、芯线跨距Lk、引线伸出长度Lx；
(5b)根据微波组件互联形态及工程实际调研，确定芯线绕焊互联形态6 个因素设计空间分别为：引线到介质基板高度H∈[Hvc1,Hvc7]、引线端部到芯引连接处间距S∈[Svc1,Svc7]、芯线上圆弧与引线距离P∈[Pvc1,Pvc7]、芯线水平段长度Ls∈[Lsvc1,Lsvc7]、芯线跨距Lk∈[Lkvc1,Lkvc7]、引线伸出长度Lx∈[Lxvc1,Lxvc7]。
(5c)对芯线绕焊互联形态依据设计空间选取等间距6因素7水平数值；
(5d)根据微波组件互联与电磁传输工程实际调研，确定芯线绕焊互联电磁传输性能指标为插入损耗和电压驻波比；
(5e)设计6因素7水平正交表L49(78)，并结合三维电磁全波仿真软件分析设计芯线绕焊互联形态参数与电磁传输性能指标的正交试验。
进一步，所述步骤(6)中，计算芯线绕焊互联形态参数灵敏度按照以下步骤进行：
(6a)对步骤(5)中的正交试验结果进行极差分析；
(6b)根据正交试验极差分析结果，计算芯线绕焊互联形态参数归一化区间灵敏度；
(6c)同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数灵敏度。
进一步，所述步骤(7)中，计算芯线绕焊互联形态参数影响度按照以下步骤进行：
(7a)根据步骤(5)中的正交试验结果计算偏差平方和，互联形态各参数及空列偏差平方和总差方和，得到试验误差平方和；
(7b)根据步骤(5)中的正交试验计算自由度，分别得到试验总自由度、各参数自由度和试验误差自由度；
(7c)结合上述计算过程计算各参数平均差方和以及误差平均差方和；
(7d)结合上述计算结果，计算平均偏差平方和比值F值；
(7e)根据正交试验方差分析结果，计算芯线绕焊互联形态参数归一化影响度；
(7f)同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数影响度。
进一步，所述步骤(8)中，确定芯线绕焊互联形态关键参数并进行参数关键度计算按照以下步骤进行：
(8a)根据参数自由度fj和误差自由度fe，并结合F分布及α分位数，确定临界值Fα(fj,fe)，则计算芯线绕焊互联形态参数归一化临界影响度；
(8b)同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数临界影响度；
(8c)根据芯线绕焊互联形态参数归一化影响度Effj及归一化临界影响度 Effjα，确定芯线绕焊互联形态关键参数的判定准则；
(8d)根据芯线绕焊互联形态参数灵敏度与影响度，并结合关键参数判定准则，计算参数归一化关键度。
进一步，所述步骤(9)中，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳形态参数按照以下步骤进行：
(9a)根据正交试验极差分析结果绘制因素与指标趋势图。基于芯线绕焊互联形态因素与指标趋势图，确定面向综合电磁传输性能的芯线绕焊互联形态各参数最优值选取；
(9c)根据步骤(8)中确定的芯线绕焊互联形态关键参数与形态各参数最优值，确定面向综合电磁传输性能的芯线绕焊互联最佳形态参数。
进一步，步骤(10)中，所述确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳芯线长度Lto包括基于步骤(3)得到的芯线总长度表达式Lt，与基于步骤(8)得到的芯线绕焊互联最佳形态参数Parco(j)，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳芯线长度Lto。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1.本发明针对微波组件芯线绕焊互联结构，建立了面向电性能的芯线绕焊互联形态参数化表征模型，基于此表征模型研究了互联形态与信号传输性能之间的影响关系，确定了芯线绕焊互联最佳形态参数，解决了目前微波组件中模块互联形态与信号传输性能间影响关联不清，精确优化设计方向不明的难题。
2.利用面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，可实现在设计制造全过程与工作服役全周期中，互联形态的参数化定量精确表征，快速给出芯线绕焊互联最佳形态参数，为工程设计人员在微波组件中模块互联设计与传输性能调控方面提供理论指导，从而提升工作效率，降低产品研制成本，保障产品服役性能。
附图说明
图1是本发明一种面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法的流程图；
图2(a)-(d)分别是芯线绕焊互联参数化模型侧视图、主视图、俯视图和立体图；
图3是芯线倾斜角参数计算示意图；
图4(a)-(b)分别是芯线绕焊互联形态分段主视图和截面图；
图5是芯线绕焊互联结构-电磁分析模型；
图6(a)-(f)是芯线绕焊互联形态参数不同因素与插入损耗S21指标趋势图；
图7(a)-(f)是芯线绕焊互联形态参数不同因素与电压驻波比VSWR指标趋势图；
图8是芯线绕焊互联形态参数初值与最佳值对应插入损耗S21指标对比；
图9是芯线绕焊互联形态参数初值与最佳值电压驻波比VSWR指标对比；
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，本发明为一种面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，具体步骤如下：
步骤1，确定微波组件中芯线绕焊互联的几何参数与物性参数
参照图2(a)-(d)所示，高频微波组件包括接地板4，在接地板4上层分布有介质基板7，在介质基板7上设置的微带线6，通过焊锡5焊接有芯线2，芯线2通过引线3连接玻璃介质1。根据高频微波组件互联的具体要求，分别确定微波组件中芯线绕焊互联的几何参数与物性参数，包括确定几何参数和确定物性参数。
确定几何参数包括，芯线直径D2、引线端部到芯引连接处间距S、芯线上圆弧与引线距离P、芯线跨距Lk、芯线上圆弧半径R1、芯线下圆弧半径R2、芯线水平段长度Ls、引线直径D1、引线伸出长度Lx、引线到介质基板高度H、玻璃介质直径Dg、玻璃介质长度Lg、微带导体宽度W、微带导体厚度T、介质基板厚度Hs。
确定物性参数包括，信号传输频率f、介质基板介电常数εs、介质基板损耗角正切θs、玻璃介质介电常数εg、玻璃介质损耗角正切θg。
步骤2，对芯线绕焊互联形态进行参数化表征
根据微波组件互联形态及工程实际调研，对芯线绕焊互联形态分段进行参数化表征，参照图3与图4(a)-(b)，按照以下步骤进行：
(2a)根据芯线绕焊互联点形态特征分析，对芯线绕焊互联形态进行表征的关键首先为中间变量芯线倾斜角的计算。
设介质基板下平面到芯线上圆弧圆心距离为H1，则H1高度计算为：
Figure GDA0002569045980000071
在直角三角形ACD中，根据几何关系有：
Figure GDA0002569045980000072
sin2α+cos2α＝1
联立求解上式可得
Figure GDA0002569045980000073
则进一步计算可得到芯线倾斜角α为，
Figure GDA0002569045980000074
式中，H1为介质基板下平面到芯线上圆弧圆心距离；
(2b)根据芯线绕焊互联点形态特征分析，建立三维空间笛卡尔直角坐标系，对芯线绕焊互联形态划分为7段分别进行分段函数表征，其中引线段Lsty表征函数为：
Figure GDA0002569045980000081
式中，x、y、z分别为三个坐标系方向；
(2c)根据芯线绕焊互联点形态特征分析，对芯线绕焊互联形态划分为7 段进行分段函数表征，其中芯线半圆弧段Lar1表征函数为：
Figure GDA0002569045980000082
(2d)根据芯线绕焊互联点形态特征分析，对芯线绕焊互联形态划分为7 段进行分段函数表征，其中芯线竖直直线段Lst1表征函数为：
Figure GDA0002569045980000083
(2e)根据芯线绕焊互联点形态特征分析，对芯线绕焊互联形态划分为7 段进行分段函数表征，其中芯线上圆弧段Lar2表征函数为：
Figure GDA0002569045980000084
(2f)根据芯线绕焊互联点形态特征分析，对芯线绕焊互联形态划分为7 段进行分段函数表征，其中芯线倾斜直线段Lst2表征函数为：
Figure GDA0002569045980000085
上式中，
Figure GDA0002569045980000091
(2g)根据芯线绕焊互联点形态特征分析，对芯线绕焊互联形态划分为7 段进行分段函数表征，其中芯线下圆弧段Lar3表征函数为：
Figure GDA0002569045980000092
(2h)根据芯线绕焊互联点形态特征分析，对芯线绕焊互联形态划分为7 段进行分段函数表征，其中芯线水平直线段Lst3表征函数为：
Figure GDA0002569045980000093
步骤3，计算芯线绕焊互联结构中芯线长度表达式
根据芯线绕焊互联形态曲线特征，分别计算各段芯线长度，最后计算总的芯线长度表达式，参照图3，图4(a)-(b)，按照以下步骤进行：
(3a)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线半圆弧段长度为：
Figure GDA0002569045980000094
(3b)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线竖直直线段长度为：
Figure GDA0002569045980000095
(3c)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线上圆弧段长度为：
Lar2＝R1(π-α)
(3d)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线倾斜直线段长度为：
Figure GDA0002569045980000101
式中，l为图3中△ACD中芯线倾斜角α所对应的直角边；
(3e)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线下圆弧段长度为：
Figure GDA0002569045980000102
(3f)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线水平直线段长度为：
Lst3＝Ls
(3g)根据上述分段曲线长度公式，计算芯线总长度为：
Figure GDA0002569045980000103
步骤4，建立芯线绕焊互联结构-电磁分析模型
根据确定的微波组件中芯线绕焊互联几何参数、物性参数及形态参数化表征，建立芯线绕焊互联结构-电磁分析模型，参照图5，包括根据步骤(1)中确定的微波组件芯线绕焊互联几何参数、物性参数，以及步骤(2)中对芯线绕焊互联形态进行的参数化表征，在三维电磁全波仿真分析软件中建立芯线绕焊互联结构-电磁分析模型，所建立的模型如下图5示。
步骤5，确定因素、水平和指标，设计芯线绕焊互联形态参数与电磁传输性能指标的正交试验
根据微波组件中芯线绕焊互联形态参数与电性能评价指标，确定因素、水平和指标，设计芯线绕焊互联形态参数与电磁传输性能指标的正交试验，按照以下步骤进行：
(5a)根据微波组件互联形态及工程实际调研，确定芯线绕焊互联形态6 个调控因素分别为：引线到介质基板高度H、引线端部到芯引连接处间距S、芯线上圆弧与引线距离P、芯线水平段长度Ls、芯线跨距Lk、引线伸出长度Lx。
(5b)根据微波组件互联形态及工程实际调研，确定芯线绕焊互联形态6 个因素设计空间分别为：引线到介质基板高度H∈[Hvc1,Hvc7]、引线端部到芯引连接处间距S∈[Svc1,Svc7]、芯线上圆弧与引线距离P∈[Pvc1,Pvc7]、芯线水平段长度Ls∈[Lsvc1,Lsvc7]、芯线跨距Lk∈[Lkvc1,Lkvc7]、引线伸出长度Lx∈[Lxvc1,Lxvc7]。
(5c)对芯线绕焊互联形态依据设计空间选取等间距6因素7水平数值为：
Figure GDA0002569045980000111
(5d)根据微波组件互联与电磁传输工程实际调研，确定芯线绕焊互联电磁传输性能指标为插入损耗和电压驻波比：
Ind＝[S21 VSWR]
式中，S21为插入损耗指标，VSWR为电压驻波比指标；
(5e)设计6因素7水平正交表L49(78)，并结合三维电磁全波仿真软件分析设计芯线绕焊互联形态参数与电磁传输性能指标的正交试验。
步骤6，计算芯线绕焊互联形态参数灵敏度
根据正交试验结果进行极差分析，计算芯线绕焊互联形态参数灵敏度，按照以下步骤进行：
(6a)对步骤(5)中的正交试验结果进行极差分析，具体计算为：
设列数为r，因素数为v，则有r≥v。水平数为m，总试验次数为n，i＝1,2…m， j＝1,2…r，Ti j为第j列i水平所对应的试验指标数值之和，u为第j列同一水平出现的次数，则第j列i水平所对应的试验指标平均值计算公式
Figure GDA0002569045980000112
各参数的极差值Rj为该参数各水平计算的统计参数ki j最大值与最小值的差值
Rj＝kj(max)-kj(min)
式中，kj(max)为第j列中最大的ki j值，kj(min)为第j列中最小的ki j值。
(6b)根据正交试验极差分析结果，计算芯线绕焊互联形态参数归一化区间灵敏度为：
Figure GDA0002569045980000121
(6c)同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数灵敏度为：
Figure GDA0002569045980000122
式中，SenS21为面向插损指标S21的芯线绕焊互联形态参数灵敏度，SenVSWR为面向电压驻波比指标VSWR的芯线绕焊互联形态参数灵敏度。
步骤7，计算芯线绕焊互联形态参数影响度
根据正交试验结果进行方差分析，计算芯线绕焊互联形态参数影响度，按照以下步骤进行：
(7a)根据步骤(5)中的正交试验结果计算偏差平方和，互联形态各参数及空列偏差平方和为：
Figure GDA0002569045980000123
上式中，
Figure GDA0002569045980000124
为第j列1水平所对应的试验指标平均值，
Figure GDA0002569045980000125
为第j列2水平所对应的试验指标平均值，
Figure GDA0002569045980000126
为第j列m水平所对应的试验指标平均值，m为水平数u为第j列同一水平出现的次数，xir为第i水平，第r个观测数据；
Figure GDA0002569045980000127
为所有观测数据平均值。
总差方和为：
Figure GDA0002569045980000131
试验误差平方和为：
Figure GDA0002569045980000132
(7b)根据步骤(5)中的正交试验计算自由度，试验总自由度为：fT＝mu-1
各参数自由度为：fj＝m-1
试验误差自由度为：
Figure GDA0002569045980000133
(7c)结合上述计算过程(7a)和(7b)计算平均差方和，各参数平均差方和为：
Figure GDA0002569045980000134
误差平均差方和为：
Figure GDA0002569045980000135
(7d)结合上述计算结果，计算平均偏差平方和比值F值为：
Figure GDA0002569045980000136
式中，Fj为第j个参数的平均差方和与误差平均差方和之比；
(7e)根据正交试验方差分析结果，计算芯线绕焊互联形态参数归一化影响度为：
Figure GDA0002569045980000137
(7f)同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数影响度为：
Figure GDA0002569045980000141
式中，EffS21为面向插损指标S21的芯线绕焊互联形态参数影响度，EffVSWR为面向电压驻波比指标VSWR的芯线绕焊互联形态参数影响度。
步骤8，确定芯线绕焊互联形态关键参数并进行参数关键度计算
根据芯线绕焊互联形态参数灵敏度与影响度，确定芯线绕焊互联形态关键参数并进行参数关键度计算，按照以下步骤进行：
(8a)根据参数自由度fj、误差自由度fe和第j个参数的平均差方和与误差平均差方和之比Fj，并结合F分布及分位数，确定临界值Fα(fj,fe)，则计算芯线绕焊互联形态参数归一化临界影响度为：
Figure GDA0002569045980000142
(8b)同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数临界影响度为：
Figure GDA0002569045980000143
式中，
Figure GDA0002569045980000144
为面向插损指标S21的芯线绕焊互联形态参数临界影响度，
Figure GDA0002569045980000145
为面向电压驻波比指标VSWR的芯线绕焊互联形态参数临界影响度。
(8c)根据芯线绕焊互联形态参数归一化影响度Effj及归一化临界影响度 Effjα，确定芯线绕焊互联形态关键参数的判定准则为：
Figure GDA0002569045980000146
(8d)根据芯线绕焊互联形态参数灵敏度与影响度，并结合关键参数判定准则，计算参数归一化关键度为：
Figure GDA0002569045980000151
式中，
Figure GDA0002569045980000153
为同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联第j个形态参数灵敏度。
步骤9，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳形态参数
根据芯线绕焊互联形态关键参数与正交试验结果极差分析趋势图，参照图6 (a)-(f)与图7(a)-(f)，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳形态参数，按照以下步骤进行：
(9a)根据正交试验极差分析结果绘制因素与指标趋势图；
(9b)基于芯线绕焊互联形态因素与指标趋势图，确定面向综合电磁传输性能的芯线绕焊互联形态各参数最优值选取为：
Figure GDA0002569045980000154
式中，Par(i,j)为第j参数，第i水平值；K(j)为第j参数所对应的各水平试验指标平均值；
Figure GDA0002569045980000155
为第j参数i水平所对应的试验指标平均值；
(9c)根据步骤(8)中确定的芯线绕焊互联形态关键参数与形态各参数最优值，确定面向综合电磁传输性能的芯线绕焊互联最佳形态参数如下式：
Figure GDA0002569045980000152
式中，Paro(j)为面向综合电磁传输性能的芯线绕焊互联形态第j个参数最优值，Crij为第j个参数归一化关键度。
步骤10，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳芯线长度
根据芯线绕焊互联最佳形态参数与芯线绕焊长度表达式Lt，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳芯线长度Lto，包括基于步骤(3)得到的芯线总长度表达式Lt，与基于步骤(8)得到的芯线绕焊互联最佳形态参数Parco(j)，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳芯线长度Lto为：
Figure GDA0002569045980000161
式中，Lar1(Parco)为代入最佳形态参数的芯线半圆弧段长度，Lst1(Parco)为代入最佳形态参数的芯线竖直直线段长度，Lar2(Parco)为代入最佳形态参数的芯线上圆弧段长度，Lst2(Parco)为代入最佳形态参数的芯线倾斜直线段长度， Lar3(Parco)为代入最佳形态参数的芯线下圆弧段长度，Lst3(Parco)为代入最佳形态参数的芯线水平直线段长度，Po为最佳芯线上圆弧与引线距离，α(Parco)为代入最佳形态参数的芯线倾斜角，Lk o为最佳芯线跨距。
本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：
一、确定芯线绕焊互联的几何参数与物性参数
本实验以X波段有源相控阵天线T/R组件为例，研究T/R组件中电路模块互联采用芯线绕焊结构时，互联形态参数对电路微波传输性能的影响，并探究面向微波电性能传输的最佳互联形态参数。为了简化分析，选取T/R组件中典型的同轴电路与微带电路互联需求，探究芯线绕焊互联形性关联机理。芯线绕焊互联利用自身特殊形态，一端与同轴引线连接，另一端与微带线连接，从而实现同轴电路与微带电路的过渡连接与微波信号传输。芯线绕焊互联参数化模型示意图见图2(a)-(d)，芯线绕焊互联的几何参数与物性参数见表1，并取 T/R组件的电磁工作频率为10GHz。
表1芯线绕焊互联的几何参数与物性参数
Figure GDA0002569045980000162
Figure GDA0002569045980000171
二、计算芯线绕焊互联最佳形态参数
1.建立芯线绕焊互联结构-电磁分析模型
根据确定的T/R组件中芯线绕焊互联几何参数、物性参数及形态参数化表征，建立芯线绕焊互联结构-电磁分析模型如图5，所建立的模型由引线、芯线、微带线、焊锡、玻璃介质、介质基板等部分组成。
2.设计芯线绕焊互联形态参数与电磁传输性能指标的正交试验
(1)确定芯线绕焊互联设计变量、设计初值与设计空间
根据微波组件互联形态及工程实际调研，确定芯线绕焊互联形态6个调控因素对应的设计变量、设计初值和设计空间如下表2示。设计初值选取为设计空间的中值。
表2芯线绕焊互联的设计变量、设计初值与设计空间
Figure GDA0002569045980000181
(2)选取正交试验因素、水平和指标
对芯线绕焊互联形态依据设计空间选取等间距6因素7水平数值为：
Figure GDA0002569045980000182
根据微波组件互联与电磁传输工程实际调研，确定芯线绕焊互联电磁传输性能指标为插入损耗和电压驻波比:
Ind＝[S21 VSWR]
(3)设计6因素7水平正交表L49(78)，并结合三维电磁全波仿真软件分析设计芯线绕焊互联形态参数与电磁传输性能指标的正交试验。
3.计算芯线绕焊互联形态参数灵敏度
(1)芯线绕焊互联正交试验结果极差分析
对芯线绕焊互联正交试验结果进行极差分析，第j列i水平所对应的试验指标平均值计算如下：
Figure GDA0002569045980000183
式中，i＝1,2…m，m为水平数；j＝1,2…r，r为列数，因素数为v，则有r≥v；Ti j为第j列i水平所对应的试验指标数值之和，u为第j列同一水平出现的次数。
各参数的极差值Rj为该参数各水平计算的统计参数kij最大值与最小值的差值
Rj＝kj(max)-kj(min)
则，面向插损指标S21的极差分析结果为：
Figure GDA0002569045980000191
RS21＝[0.54 1.08 0.70 0.12 1.29 0.74]
面向电压驻波比VSWR指标的极差分析结果为：
Figure GDA0002569045980000192
RVSWR＝[0.82 1.65 1.06 0.17 1.94 1.13]
(2)芯线绕焊互联形态参数灵敏度计算
根据正交试验极差分析结果，计算芯线绕焊互联形态参数归一化区间灵敏度为：
Figure GDA0002569045980000193
则，面向插损指标S21的芯线绕焊互联形态参数灵敏度计算结果为：
Figure GDA0002569045980000201
面向电压驻波比指标VSWR的芯线绕焊互联形态参数灵敏度计算结果为：
Figure GDA0002569045980000202
故同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数灵敏度为：
Figure GDA0002569045980000203
4.计算芯线绕焊互联形态参数影响度
(1)芯线绕焊互联正交试验结果方差分析
根据正交试验结果进行方差分析，结合相关计算公式，F值计算公式为：
Figure GDA0002569045980000204
则，面向插损指标S21的方差分析F值计算结果为：
FS21＝[13.32 52.56 21.46 0.61 72.20 25.64]
面向电压驻波比VSWR指标的方差分析F值计算结果为：
FVSWR＝[20.82 80.47 32.40 0.77 107.67 39.02]
(2)芯线绕焊互联形态参数影响度计算
根据正交试验方差分析结果，计算芯线绕焊互联形态参数归一化影响度为：
Figure GDA0002569045980000205
则，面向插损指标S21的芯线绕焊互联形态参数影响度分析结果为：
Figure GDA0002569045980000211
面向电压驻波比指标VSWR的芯线绕焊互联形态参数影响度分析结果为：
Figure GDA0002569045980000212
故同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数影响度为：
Figure GDA0002569045980000213
5.确定芯线绕焊互联形态关键参数并计算参数关键度
(1)芯线绕焊互联形态参数临界影响度计算
根据参数自由度fj和误差自由度fe，并结合F分布及α分位数，确定临界值Fα(fj,fe)，则计算芯线绕焊互联形态参数归一化临界影响度计算公式为：
Figure GDA0002569045980000214
则，面向插损指标S21的芯线绕焊互联形态参数临界影响度计算结果为：
Figure GDA0002569045980000215
面向电压驻波比指标VSWR的芯线绕焊互联形态参数临界影响度计算结果为：
Figure GDA0002569045980000221
故同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数临界影响度为：
Figure GDA0002569045980000222
(2)芯线绕焊互联形态关键参数确定
根据芯线绕焊互联形态参数归一化影响度EffALL及归一化临界影响度
Figure GDA0002569045980000223
确定芯线绕焊互联形态关键参数的判定准则为：
Figure GDA0002569045980000224
经计算
Figure GDA0002569045980000225
则，面向综合电性能的芯线绕焊互联形态关键参数确定为：
Parc＝[H S P Lk Lx]
无关参数确定为：
Paru＝[Ls]
(3)芯线绕焊互联形态参数关键度计算
根据芯线绕焊互联形态参数灵敏度与影响度，并结合关键参数判定准则，计算参数归一化关键度公式为：
Figure GDA0002569045980000231
则，面向综合电性能的芯线绕焊互联形态参数关键度为：
Criw＝[Hw Sw Pw Ls w Lk w Lx w]＝[0.04 0.29 0.08 0 0.49 0.10]
6.确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳形态参数
(1)绘制因素与指标趋势图，确定各参数最优值
根据正交试验极差分析结果绘制不同因素与指标趋势图，分别如图6(a)- (f)，图7(a)-(f)所示。
由上述确定的芯线绕焊互联形态因素与指标趋势图，确定面向综合电磁传输性能的芯线绕焊互联形态各参数最优值选取为：
Figure GDA0002569045980000232
则芯线绕焊互联形态各参数最优值为：
Paro＝[Ho So Po Ls o Lk o Lx o]＝[0.45 0.9 0.2 0.8 0.9 1.2]
(2)确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳形态参数
结合面向综合电性能的芯线绕焊互联形态关键参数与形态各参数最优值，确定面向综合电磁传输性能的芯线绕焊互联最佳形态参数如下式：
Figure GDA0002569045980000233
则面向综合电磁传输性能的芯线绕焊互联最佳形态参数为：
Parco＝[Ho So Po Lk o Lx o]＝[0.45 0.9 0.2 0.9 1.2]
三、确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳芯线长度
根据芯线绕焊互联最佳形态参数与芯线绕焊长度表达式Lt，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳芯线长度Lto为：
Figure GDA0002569045980000241
四、仿真结果及分析
选取芯线绕焊互联形态各参数初值与最佳值，参数中的无关参数最佳值仍取初值。应用三维电磁全波仿真软件，选取工作频段为X频段8～12GHz，分析得出对应电性能指标对比分别如图8和图9所示。从图中可以看到基于最佳形态参数的芯线绕焊互联，其插入损耗S21和电压驻波比VSWR电性能均得到了大幅提升。选取工作频率为10GHz，计算得出在最佳形态参数下，芯线绕焊互联插入损耗S21电性能为-0.20dB，电压驻波比VSWR电性能为1.45，相比初始形态参数，电性能分别提升89.6％和62.7％，具体对比如表3所示。
表3芯线绕焊互联形态参数初值与最佳值对应电性能指标对比
Figure GDA0002569045980000242
由上述仿真实验可以看出，本发明提出的一种面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，可快速、准确地分析计算出芯线绕焊互联最佳形态参数，能够显著提升微波组件中模块互联设计效率与电磁传输性能。

Claims (10)

1.一种面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)根据高频微波组件互联的具体要求，确定微波组件中芯线绕焊互联的几何参数与物性参数；
(2)根据微波组件互联形态及工程实际调研，对芯线绕焊互联形态分段进行参数化表征；
(3)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线绕焊互联结构中芯线长度表达式Lt；
(4)根据确定的微波组件中芯线绕焊互联几何参数、物性参数及形态参数化表征，建立芯线绕焊互联结构-电磁分析模型；
(5)根据微波组件中芯线绕焊互联形态参数与电性能评价指标，确定因素、水平和指标，设计芯线绕焊互联形态参数与电磁传输性能指标的正交试验；
(6)根据正交试验结果极差分析，计算芯线绕焊互联形态参数灵敏度；
(7)根据正交试验结果方差分析，计算芯线绕焊互联形态参数影响度；
(8)根据芯线绕焊互联形态参数灵敏度与影响度，确定芯线绕焊互联形态关键参数并进行参数关键度计算；
(9)根据芯线绕焊互联形态关键参数与正交试验结果极差分析趋势图，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳形态参数；
(10)根据芯线绕焊互联最佳形态参数与芯线长度表达式Lt，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳芯线长度Lto。
2.根据权利要求1所述的面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，确定微波组件中芯线绕焊互联的几何参数与物性参数，具体包括：
确定几何参数包括：芯线直径D2、引线端部到芯引连接处间距S、芯线上圆弧与引线距离P、芯线跨距Lk、芯线上圆弧半径R1、芯线下圆弧半径R2、芯线水平段长度Ls、引线直径D1、引线伸出长度Lx、引线到介质基板高度H、玻璃介质直径Dg、玻璃介质长度Lg、微带导体宽度W、微带导体厚度T和介质基板厚度Hs；
确定物性参数包括：信号传输频率f、介质基板介电常数εs、介质基板损耗角正切θs、玻璃介质介电常数εg和玻璃介质损耗角正切θg；
步骤(2)对芯线绕焊互联形态进行参数化表征包括：中间变量芯线倾斜角α、引线段Lsty表征函数、芯线半圆弧段Lar1表征函数、芯线竖直直线段Lst1表征函数、芯线上圆弧段Lar2表征函数、芯线倾斜直线段Lst2表征函数、芯线下圆弧段Lar3表征函数和芯线水平直线段Lst3表征函数。
3.根据权利要求2所述的面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，其特征在于，所述步骤(3)按如下过程进行：
(3a)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线半圆弧段长度为：
Figure FDA0002713360680000021
(3b)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线竖直直线段长度为：
Figure FDA0002713360680000022
(3c)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线上圆弧段长度为：
Lar2＝R1(π-α)
(3d)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线倾斜直线段长度为：
Figure FDA0002713360680000031
式中，l为芯线倾斜角α所对应的直角边；
(3e)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线下圆弧段长度为：
Figure FDA0002713360680000032
(3f)根据芯线绕焊互联形态曲线特征，计算芯线水平直线段长度为：
Lst3＝Ls
(3g)根据上述分段曲线长度公式，计算芯线总长度为：
Figure FDA0002713360680000033
4.根据权利要求1所述的面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，其特征在于，所述步骤(4)根据步骤(1)中确定的微波组件芯线绕焊互联几何参数、物性参数，以及步骤(2)中对芯线绕焊互联形态进行的参数化表征，在三维电磁全波仿真分析软件中建立芯线绕焊互联结构-电磁分析模型。
5.根据权利要求1所述的面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，其特征在于，步骤(5)按如下过程进行：
(5a)根据微波组件互联形态及工程实际调研，确定芯线绕焊互联形态6个调控因素分别为：引线到介质基板高度H、引线端部到芯引连接处间距S、芯线上圆弧与引线距离P、芯线水平段长度Ls、芯线跨距Lk和引线伸出长度Lx；
(5b)根据微波组件互联形态及工程实际调研，确定芯线绕焊互联形态6个因素设计空间分别为：引线到介质基板高度H∈[Hvc1,Hvc7]、引线端部到芯引连接处间距S∈[Svc1,Svc7]、芯线上圆弧与引线距离P∈[Pvc1,Pvc7]、芯线水平段长度Ls∈[Lsvc1,Lsvc7]、芯线跨距Lk∈[Lkvc1,Lkvc7]和引线伸出长度Lx∈[Lxvc1,Lxvc7]；
(5c)对芯线绕焊互联形态依据设计空间选取等间距6因素7水平数值为：
Figure FDA0002713360680000041
(5d)根据微波组件互联与电磁传输工程实际调研，确定芯线绕焊互联电磁传输性能指标为插入损耗和电压驻波比：
Ind＝[S21 VSWR]
式中，S21为插入损耗指标，VSWR为电压驻波比指标；
(5e)设计6因素7水平正交表L49(78)，并结合三维电磁全波仿真软件分析设计芯线绕焊互联形态参数与电磁传输性能指标的正交试验。
6.根据权利要求1所述的面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，其特征在于，步骤(6)按如下过程进行：
(6a)对步骤(5)中的正交试验结果进行极差分析，具体计算为：
设列数为r，因素数为v，则有r≥v；水平数为m，总试验次数为n，i＝1,2…m，j＝1,2…r，Ti j为第j列i水平所对应的试验指标数值之和，u为第j列同一水平出现的次数，则第j列i水平所对应的试验指标平均值计算公式
Figure FDA0002713360680000042
各参数的极差值Rj为该参数各水平计算的统计参数ki j最大值与最小值的差值
Rj＝kj(max)-kj(min)
式中，kj(max)为第j列中最大的ki j值，kj(min)为第j列中最小的ki j值；
(6b)根据正交试验极差分析结果，计算芯线绕焊互联形态参数归一化区间灵敏度为：
Figure FDA0002713360680000051
(6c)同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数灵敏度为：
Figure FDA0002713360680000052
式中，SenS21为面向插损指标S21的芯线绕焊互联形态参数灵敏度，SenVSWR为面向电压驻波比指标VSWR的芯线绕焊互联形态参数灵敏度。
7.根据权利要求6所述的面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，其特征在于，步骤(7)按如下过程进行：
(7a)根据步骤(5)中的正交试验结果计算偏差平方和，互联形态各参数及空列偏差平方和为：
Figure FDA0002713360680000053
上式中，
Figure FDA0002713360680000054
为第j列1水平所对应的试验指标平均值，
Figure FDA0002713360680000055
为第j列2水平所对应的试验指标平均值，
Figure FDA0002713360680000056
为第j列m水平所对应的试验指标平均值，m为水平数u为第j列同一水平出现的次数xir为第i水平，第r个观测数据；
Figure FDA0002713360680000061
为所有观测数据平均值；
总差方和为：
Figure FDA0002713360680000062
试验误差平方和为：
Figure FDA0002713360680000063
(7b)根据步骤(5)中的正交试验计算自由度，试验总自由度为：
fT＝mu-1
各参数自由度为：
fj＝m-1
试验误差自由度为：
Figure FDA0002713360680000064
(7c)结合上述计算过程(7a)和(7b)计算平均差方和，各参数平均差方和为：
Figure FDA0002713360680000065
误差平均差方和为：
Figure FDA0002713360680000066
(7d)结合上述计算结果，计算平均偏差平方和比值F值为：
Figure FDA0002713360680000071
式中，Fj为第j个参数的平均差方和MQj与误差平均差方和MQe之比；
(7e)根据正交试验方差分析结果，计算芯线绕焊互联形态参数归一化影响度为：
Figure FDA0002713360680000072
(7f)同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数影响度为：
Figure FDA0002713360680000073
式中，EffS21为面向插损指标S21的芯线绕焊互联形态参数影响度，EffVSWR为面向电压驻波比指标VSWR的芯线绕焊互联形态参数影响度。
8.根据权利要求7所述的面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，其特征在于，步骤(8)按如下过程进行：
(8a)根据参数自由度fj、误差自由度fe和第j个参数的平均差方和与误差平均差方和之比Fj，并结合F分布及分位数，确定临界值Fα(fj,fe)，则计算芯线绕焊互联形态参数归一化临界影响度为：
Figure FDA0002713360680000074
(8b)同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联形态参数临界影响度为：
Figure FDA0002713360680000081
式中，
Figure FDA0002713360680000082
为面向插损指标S21的芯线绕焊互联形态参数临界影响度，
Figure FDA0002713360680000083
为面向电压驻波比指标VSWR的芯线绕焊互联形态参数临界影响度；
(8c)根据芯线绕焊互联形态参数归一化影响度Effj及归一化临界影响度Effjα，确定芯线绕焊互联形态关键参数的判定准则为：
Figure FDA0002713360680000084
(8d)根据芯线绕焊互联形态参数灵敏度与影响度，并结合关键参数判定准则，计算参数归一化关键度为：
Figure FDA0002713360680000085
式中，
Figure FDA0002713360680000086
为同时面向插损S21与电压驻波比VSWR综合电性能指标，芯线绕焊互联第j个形态参数灵敏度。
9.根据权利要求1所述的面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，其特征在于，步骤(9)按如下过程进行：
(9a)根据正交试验极差分析结果绘制因素与指标趋势图；
(9b)根据上述确定的芯线绕焊互联形态因素与指标趋势图，选取面向综合电磁传输性能的芯线绕焊互联形态各参数最优值为：
Paro(j)＝Par(i,j)，find(i,j),
Figure FDA0002713360680000091
式中，Par(i,j)为第j参数，第i水平值；K(j)为第j参数所对应的各水平试验指标平均值；
Figure FDA0002713360680000092
为第j参数i水平所对应的试验指标平均值；
(9c)根据步骤(8)中确定的芯线绕焊互联形态关键参数与形态各参数最优值，确定面向综合电磁传输性能的芯线绕焊互联最佳形态参数Parco(j)如下式：
Figure FDA0002713360680000093
式中，Paro(j)为面向综合电磁传输性能的芯线绕焊互联形态第j个参数最优值，Crij为第j个参数归一化关键度。
10.根据权利要求1所述的面向微波组件电性能的芯线绕焊互联最佳形态参数确定方法，其特征在于，所述步骤(10)中，基于步骤(3)得到的芯线总长度表达式Lt，与基于步骤(9)得到的芯线绕焊互联最佳形态参数Parco(j)，确定面向电磁传输的芯线绕焊互联最佳芯线长度Lto为：
Figure FDA0002713360680000094
式中，Lar1(Parco)为代入最佳形态参数的芯线半圆弧段长度，Lst1(Parco)为代入最佳形态参数的芯线竖直直线段长度，Lar2(Parco)为代入最佳形态参数的芯线上圆弧段长度，Lst2(Parco)为代入最佳形态参数的芯线倾斜直线段长度，Lar3(Parco)为代入最佳形态参数的芯线下圆弧段长度，Lst3(Parco)为代入最佳形态参数的芯线水平直线段长度，Po为最佳芯线上圆弧与引线距离，α(Parco)为代入最佳形态参数的芯线倾斜角，Lk o为最佳芯线跨距。
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