CN110083919B - 一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法 - Google Patents
一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法,包括:确定引线搭焊互联点的物性参数、结构参数;将引线搭焊互联点的互联结构拆分进行阻抗分析;计算同轴线阻抗,确定电阻、电感、电容值得到微带线阻抗计算公式;将互联点部分依据结构拆分为两部分,并将其等效为微带线进行阻抗计算;推导引线搭焊互联点整体反射系数计算公式;快速给出引线搭焊互联点整体传输性能预测性能。本发明方法可以实现引线搭焊互联点基本参数和传输性能的耦合分析,可用于直接预测互联点基本参数下的信号传输性能,指导引线搭焊互联点的结构设计与优化。
Description
技术领域
本发明属于微波互联技术领域,具体是一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法。本发明建立的基于引线搭焊互联点物性结构电磁参数的信号传输新能预测方法,可用于快速准确预测工作状态确定的引线搭焊互联点信号传输性能,指导引线搭焊互联点的参数调控。
背景技术
随着微波组件在电子装备中的大量使用,多种互联点已广泛应用于各种雷达、卫星、基站等领域的微波组件中。其中引线搭焊互联点相对于其他形式的互联点工艺制造更容易、体积更小、性能更好,因此成为应用最广泛的互联点之一。
虽然引线搭焊互联点在工程中已经大量使用,目前国内外研究主要从两个方面展开,一个是针对引线搭焊互联点的物性结构参数及其工作环境,研究引线搭焊互联点的可靠性问题;一个是针对引线搭焊互联点在电路中导致的信号完整性问题,主要借助软件仿真工具来对其性能进行评判,判断其性能往往需要花费较多的时间建立互联点模型、进行软件仿真,且最终往往无法给出具体的调控指导意见参考。这些问题是提高工程实践中对引线搭焊互联点的性能预测与调控效率的最大障碍,已经限制了引线搭焊互联点的发展。
因此,有必要结合引线搭焊互联点物性、结构、电磁参数与信号传输性能,建立其关联机制,实现通过基本参数对引线搭焊互联点传输性能的快速预测,为引线搭焊互联点的调控优化提供全新的研究方法。
发明内容
基于上述问题,本发明建立的基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法,可以实现引线搭焊互联点基本参数和传输性能的耦合分析,可用于直接预测互联点基本参数下的信号传输性能,指导引线搭焊互联点的结构设计与优化。
实现本发明目的的技术解决方案是,一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法,该方法包括下述步骤:
(1)确定引线搭焊互联点的物性参数、结构参数和电磁工作参数;
(2)将引线搭焊互联点的互联结构拆分为同轴线、微带线和互联点部分三部分进行阻抗分析;
(3)利用同轴线阻抗计算公式计算引线搭焊互联点中同轴线阻抗;
(4)根据趋肤效应计算公式、微带线自感经验公式和平行板电容器原理,依托场分析软件分别校验电阻、电感和电容值得到微带线阻抗计算公式;
(5)将互联点部分按照结构连续性拆分为两部分,并将其等效为微带线,基于微带线阻抗计算公式进行阻抗计算;
(6)计算引线搭焊互联点各衔接部分反射系数,并基于步骤(3)得到的同轴线阻抗计算公式和步骤(5)得到的微带线阻抗计算公式,求解引线搭焊互联点整体反射系数计算公式;
(7)根据引线搭焊互联点整体反射系数计算公式,快速给出引线搭焊互联点整体传输性能预测性能。
进一步的,步骤(1)中,所述引线搭焊互联点的物性参数包括各部分材料的相对介电常数、相对电导率、相对磁导率、损耗角正切等,结构参数包括同轴线、互联点、介质基板、微带线的长度、高度、宽度、直径、间距等,所述引线搭焊互联点的电磁工作参数包括引线搭焊互联点的电磁工作频率f。
进一步的,步骤(3)确定引线搭焊互联点中同轴线阻抗值的计算公式。
进一步的,步骤(4)按如下过程进行:
(4a)引线搭焊互联点中微带线的交流电阻R反映导体损耗的单位长度交流电阻;
(4b)根据引线搭焊互联点经验自感值Ls计算公式,又由于接地面有返回电流的存在,使得导体与接地面之间存在互感,且其计算过程复杂,故依托场分析软件得到引线搭焊互联点微带线部分的互感计算公式,则得到引线搭焊互联点中微带线的电感值计算公式;
(4c)引线搭焊互联点的电容主要由微带线和接地面结合介质层产生,其结构形式类似于平行板电容器,得到平行板电容器计算公式;结合引线搭焊互联点的实际形态与互联点部分较厚的等效传输线,根据假设等效公式结合场分析软件求解Δc(l,t),得到微带线电容计算公式;
(4d)基于(4a)至(4c)得到的引线搭焊互联点微带线部分的电阻、电感和电容表达式,结合传输线理论可以求得引线搭焊互联点中阻抗计算公式。
进一步的,步骤(5)中,将互联点按照结构连续性拆分为第一部分和第二部分,依据高频信号传输形式将其结构等效为微带线得到;
(5a)针对引线搭焊互联点第一部分结构,存在焊料在引线中心水平线以下、焊料在引线中心水平线以上、焊料完全覆盖引线三种不同状态,需要对其进行区分求解近似微带线关系,将以上三种情况整合得到互联点第一部分横截面周长p1、近似微带线厚度h1;
将互联点第一部分的横截面周长p1及等效微带线厚度h1代入矩形微带线阻抗计算公式,即可计算互联点第一部分的近似阻抗;
(5b)针对引线搭焊互联点第二部分结构,仅用一种近似方法表示其状态即可,得到互联点第二部分横截面周长p2、近似微带线厚度h2;
将互联点第二部分的横截面周长p2及等效微带线厚度h2代入矩形微带线阻抗计算公式,即可计算互联点第二部分的近似阻抗。
进一步的,步骤(6)中,计算引线搭焊互联点各衔接部分反射系数:
(6a)计算馈源阻抗Z0与同轴线阻抗Z1部分反射系数Γ1
(6b)计算同轴线阻抗Z1与互联点第一部分阻抗Z2部分反射系数Γ2
(6c)计算互联点第一部分阻抗Z2与互联点第二部分阻抗Z3部分反射系数Γ3
(6d)计算互联点第二部分阻抗Z3与微带线阻抗Z4部分反射系数Γ4
(6e)计算微带线阻抗Z4与负载阻抗Z5部分反射系数Γ5
(6f)根据以上内容整理,针对引线搭焊互联点,各个部分衔接部分的反射系数可以近似整合为引线搭焊互联点整体的等效反射系数。
本发明与现有技术相比,具有以下特点:
1.本发明基于传输线理论,通过拆分引线搭焊互联点结构,推导了各个部分阻抗计算公式,最终得到了引线搭焊互联点物性、结构、电磁参数与引线搭焊互联点信号传输性能之间的计算公式,可用于研究引线搭焊互联点物性、结构、电磁参数对其信号传输性能的影响,解决了目前无法基于引线搭焊互联点基本参数,通过公式快速、准确地预测引线搭焊互联点传输性能的问题。
2.通过建立的引线搭焊互联点物性、结构、电磁参数预测信号传输性能公式,可定量得到引线搭焊互联点工作环境中各种参数和信号传输性能之间的关系,可以用于判断引线搭焊互联点结构设计方案的合理性及其对引线搭焊互联点所在载体信号传输性能的影响。
附图说明
图1是本发明一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法的流程图;
图2是引线搭焊互联点结构参数标注示意图;
图3是引线搭焊互联点拆分及各阻抗变换面能量变化示意图;
图4是引线搭焊互联点部分第一部分及第二部分拆分示意图;
图5是引线搭焊互联点第一部分焊料量低于引线水平线时结构示意图;
图6是引线搭焊互联点第一部分焊料量高于引线水平线时结构示意图;
图7是引线搭焊互联点第一部分焊料量完全覆盖引线时结构示意图;
图8是引线搭焊互联点第二部分结构示意图。
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,本发明为一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法,具体步骤如下:
步骤1,确定引线搭焊互联点的物性参数、结构参数。
引线搭焊互联点结构参数如图2所示,包括各部分材料的相对介电常数、相对电导率、相对磁导率和损耗角正切等,结构参数包括同轴线、互联点、介质基板、微带线的长度、高度、宽度、直径和间距等,引线搭焊互联点的电磁工作参数包括引线搭焊互联点的电磁工作频率f。
步骤2,将引线搭焊互联点按照结构连续性拆分进行阻抗分析。
引线搭焊互联点拆分及各阻抗变换面能量变化如图3所示,包括同轴线、微带线和互联点部分三部分进行阻抗分析,其中互联点部分按照结构连续性按图4进行拆分,包括互联点第一部分和互联点第二部分。
步骤3,利用同轴线阻抗计算公式计算同轴线阻抗。
根据微波理论,确定引线搭焊互联点中同轴线阻抗值Z的计算公式为:
其中,μr为相对磁导率,εr为玻璃介质相对介电常数,D1为引线外径,D2为外导体内径。
步骤4,确定电阻、电感、电容值得到微带线较为准确的阻抗计算公式。
(4a)引线搭焊互联点中微带线的交流电阻R反映导体损耗的单位长度交流电阻,其计算公式如下:
其中,σ为电导率,δ(f)表示与频率有关的趋肤深度,p表示导体横截面的周长;则有
其中f为频率,μ为磁导率;
(4b)根据引线搭焊互联点经验自感值Ls计算公式如下:
其中,l为走线长度,w0为上表面走线宽度,t为走线厚度。
又由于接地面有返回电流的存在,使得导体与接地面之间存在互感,且其计算过程复杂,故依托场分析软件得到引线搭焊互联点微带线部分的互感计算公式如下:
Lm=a′·l+b′·t-c′·l·t-d′
则引线搭焊互联点中微带线的电感值计算公式如下:
其中,a'、b'、c'、d'分别为依托场分析软件得到的关于走线长度l和走线厚度t的二元拟合函数系数;
(4c)引线搭焊互联点的电容主要由微带线和接地面结合介质层产生,其结构形式类似于平行板电容器,平行板电容器电容C计算公式为:
其中,Q为平行板电容中所储存电荷量;U为平行板电容两端电压;εr为介质的相对介电常数,S为平板面积,k为静电力常量,d为两板间距。
结合引线搭焊互联点的实际形态与互联点部分较厚的等效传输线,将等效公式假设如下:
其中,w0为上表面走线宽度,w1为下表面金属宽度;Δc(l,t)为权函数。结合场分析软件求解Δc(l,t),得到微带线电容计算公式如下:
其中,e'、f'、g'、h'分别为依托场分析软件求解Δc(l,t)权函数得到的关于走线长度l和走线厚度t的二元拟合函数系数;
(4d)基于(4a)至(4c)得到的引线搭焊互联点微带线部分的电阻、电感、电容表达式,结合传输线理论可以求得引线搭焊互联点中阻抗计算公式如下:
步骤5,将互联点部分依据结构拆分,并等效为微带线进行阻抗计算。
将互联点按照结构拆分为第一部分和第二部分,依据高频信号传输形式将其结构等效为微带线得到:
(5a)针对引线搭焊互联点第一部分结构,存在如图5所示的焊料在引线中心水平线以下、如图6所示的焊料在引线中心水平线以上、如图7所示的焊料完全覆盖引线三种不同状态,需要对其进行区分求解近似微带线关系,将以上三种情况整合得到互联点第一部分横截面周长p1、近似微带线厚度h1的表达式如下:
其中,D1为引线外径,H3为互联点部分微带线厚度,W2为互联点宽度,c为互
联点第一部分的侧面爬升高度,e为引线中心水平线与焊锡边缘距离。
将互联点第一部分的横截面周长p1及等效微带线厚度h1代入矩形微带线阻抗计算公式,即可计算互联点第一部分的近似阻抗。
(5b)针对引线搭焊互联点第二部分结构,仅用一种如图8所示的近似方法表示其状态即可,得到互联点第二部分横截面周长p2、近似微带线厚度h2的表达式如下:
其中,W2为互联点宽度,a为互联点第一部分的正面爬升高度。
将互联点第二部分的横截面周长p2及等效微带线厚度h2代入矩形微带线阻抗计算公式,即可计算互联点第二部分的近似阻抗。
步骤6,推导引线搭焊互联点整体反射系数计算公式。
假设引线搭焊互联点的馈源阻抗为Z0,负载阻抗为Z5,计算引线搭焊互联点各衔接部分反射系数如下:
(6a)馈源阻抗Z0与同轴线阻抗Z1部分反射系数Γ1计算公式如下:
其中,P为该部分输入能量,P1为该部分反射能量。
(6b)同轴线阻抗Z1与互联点第一部分阻抗Z2部分反射系数Γ2计算公式如下:
其中,P-P1为该部分输入能量,P2为该部分反射能量。
(6c)互联点第一部分阻抗Z2与互联点第二部分阻抗Z3部分反射系数Γ3计算公式如下:
其中,P-P1-P2为该部分输入能量,P3为该部分反射能量。
(6d)互联点第二部分阻抗Z3与微带线阻抗Z4部分反射系数Γ4计算公式如下:
其中,P-P1-P2-P3为该部分输入能量,P4为该部分反射能量。
(6e)微带线阻抗Z4与负载阻抗Z5部分反射系数Γ5计算公式如下:
其中,P-P1-P2-P3-P4为该部分输入能量,P5为该部分反射能量。
(6f)根据以上内容整理,针对引线搭焊互联点,各个部分衔接部分的反射系数可以近似整合为引线搭焊互联点整体的等效反射系数,其计算公式如下:
步骤7,快速给出引线搭焊互联点当前工艺形态下预测性能。
根据步骤6中得到的引线搭焊互联点整体的反射系数,基于以下公式:
RL=-10ln(Γ2)
IL=-10ln(1-Γ2)
可以快速给出引线搭焊互联点当前工艺形态下互联点整体传输性能(回波损耗RL和插入损耗IL)。
本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明:
一、确定引线搭焊互联点基本参数
本实例中以工作频率为10GHZ、物性、结构参数如表1所示的引线搭焊互联点为例。引线搭焊互联点结构参数标注图参见图2所示。
表1引线搭焊互联点基本参数
二、预测引线搭焊互联点信号传输性能
基于本专利提出的基于物性、结构、电磁参数的引线搭焊互联点性能(回波损耗RL和插入损耗IL)预测方法,其预测公式如下:
RL=-10ln(Γ2) (1)
IL=-10ln(1-Γ2) (2)
其中,整体反射系数计算公式如下:
其中,各部分反射系数计算公式如下:
其中,同轴线阻抗计算公式为:
其中,微带线阻抗计算公式为:
其中,互联点第一部分等效结构计算公式为:
将其代入微带线阻抗计算公式可得互联点第一部分阻抗计算公式Z2。
其中,微带线第二部分等效结构计算公式为:
将其代入微带线阻抗计算公式可得互联点第二部分阻抗计算公式Z3。
将所得到的的公式在MATLAB软件中进行编程封装,调用引线搭焊互联点参数表,得到当前物性、结构、电磁条件下引线搭焊互联点的回波损耗为-18.199dB,插入损耗为0.066dB,计算时间为30ms。
三.仿真结果对照分析
利用表1中引线搭焊互联点结构物性参数在电磁仿真软件HFSS中建立引线搭焊互联点的精确模型,该过程需要花费大量的时间。在同一台计算机上进行软件仿真得到当前引线搭焊互联点物性、结构、电磁参数下回波损耗为-18.306dB,插入损耗为0.112dB,仿真时间为2min26s。
对照本专利提出的性能预测方法与电磁仿真软件HFSS仿真得到的结果可知,利用本专利提出的引线搭焊互联点性能预测方法预测得到的回波损耗误差及插入损耗误差都很小,预测精确度高,且从分析时间的角度看,通过本专利方法预测所消耗的时间为通过电磁软件仿真消耗的时间的0.35%,极大地节省了时间成本,尤其在工程实践中对大量引线搭焊互联点同时分析时尤其明显。因此利用本专利提出的引线搭焊互联点性能预测方法可实现引线搭焊互联点信号传输性能的精准预测,且有效地减少了分析的时间成本,有利于指导引线搭焊互联点的设计与优化。
Claims (8)
1.一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法,其特征在于,包括下述步骤:
(1)确定引线搭焊互联点的物性参数、结构参数和电磁工作参数;
(2)将引线搭焊互联点的互联结构拆分为同轴线、微带线和互联点部分三部分进行阻抗分析;
(3)利用同轴线阻抗计算公式计算引线搭焊互联点中同轴线阻抗;
(4)根据趋肤效应计算公式、微带线自感经验公式和平行板电容器原理,根据微带线的交流电阻和依托场分析软件分别校验电感和电容值,得到微带线阻抗计算公式;
步骤(4)按如下过程进行:
(4a)根据引线搭焊互联点中微带线的交流电阻R反映导体损耗的单位长度交流电阻;
(4b)根据引线搭焊互联点经验自感值Ls计算公式:
其中,l为走线长度,w0为上表面走线宽度,t为走线厚度;
依托场分析软件得到引线搭焊互联点微带线部分的互感计算公式:
Lm=a′·l+b′·t-c′·l·t-d′
则得到引线搭焊互联点中微带线的电感L值计算公式;
其中,a'、b'、c'、d'分别为依托场分析软件得到的关于走线长度l和走线厚度t的二元拟合函数系数;
(4c)引线搭焊互联点的电容由微带线和接地面结合介质层产生,得到平行板电容器计算公式;结合引线搭焊互联点的实际形态与互联点部分较厚的等效传输线,根据假设等效公式结合场分析软件求解权函数Δc(l,t),得到微带线电容计算公式;
其中,e'、f'、g'、h'分别为依托场分析软件求解Δc(l,t)权函数得到的关于走线长度l和走线厚度t的二元拟合函数系数;
(4d)基于得到的引线搭焊互联点微带线部分的电阻、电感和电容,结合传输线理论可以求得引线搭焊互联点中阻抗计算公式;
(5)将互联点部分依据结构拆分为两部分,并将其等效为微带线,基于微带线阻抗计算公式进行阻抗计算;
步骤(5)中,将互联点按照结构连续性拆分为第一部分和第二部分,依据高频信号传输形式将其结构等效为微带线得到;
(5a)针对引线搭焊互联点第一部分结构,存在焊料在引线中心水平线以下、焊料在引线中心水平线以上、焊料完全覆盖引线三种不同状态,需要对其进行区分求解近似微带线关系,将以上三种情况整合得到互联点第一部分横截面周长p1、近似微带线厚度h1;
将互联点第一部分的横截面周长p1及等效微带线厚度h1代入微带线阻抗计算公式,即可计算互联点第一部分的近似阻抗;
(5b)针对引线搭焊互联点第二部分结构,仅用一种近似方法表示其状态即可,得到互联点第二部分横截面周长p2、近似微带线厚度h2;
将互联点第二部分的横截面周长p2及等效微带线厚度h2代入微带线阻抗计算公式,即可计算互联点第二部分的近似阻抗;
(6)计算引线搭焊互联点各衔接部分反射系数,并基于步骤(3)得到的同轴线阻抗计算公式和步骤(5)得到的微带线阻抗计算公式,求解引线搭焊互联点整体反射系数计算公式;
(7)根据引线搭焊互联点整体反射系数计算公式,给出引线搭焊互联点整体传输性能预测性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法,其特征在于,步骤(1)中,所述引线搭焊互联点的物性参数包括各部分材料的相对介电常数、相对电导率、相对磁导率和损耗角正切;所述结构参数包括同轴线、互联点、介质基板、微带线的长度、高度、宽度、直径和间距;所述引线搭焊互联点的电磁工作参数包括引线搭焊互联点的电磁工作频率f。
4.根据权利要求1所述的一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法,其特征在于,步骤(4)按如下过程进行:
(4a)引线搭焊互联点中,微带线的交流电阻R反映导体损耗的单位长度交流电阻,其计算公式如下:
其中,σ为电导率,δ(f)表示与频率有关的趋肤深度,p表示导体横截面的周长;则有
其中,f为频率,μ为磁导率;
(4b)根据引线搭焊互联点经验自感值Ls计算公式:
依托场分析软件得到引线搭焊互联点微带线部分的互感计算公式:
Lm=a′·l+b′·t-c′·l·t-d′
则引线搭焊互联点中微带线的电感L值计算公式如下:
(4c)由平行板电容C计算公式:
其中,Q为平行板电容中所储存电荷量;U为平行板电容两端电压;εr为介质的相对介电常数,S为平板面积,k为静电力常量,d为两板间距;
结合引线搭焊互联点的实际形态与互联点部分较厚的等效传输线,将等效公式假设如下:
其中,w1为下表面金属宽度;
结合场分析软件求解权函数Δc(l,t),得到微带线电容计算公式如下:
(4d)基于(4a)至(4c)得到的引线搭焊互联点微带线部分的电阻、电感和电容表达式,结合传输线理论可以求得引线搭焊互联点中阻抗计算公式如下:
7.根据权利要求1所述的一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法,其特征在于,步骤(6)中,假设引线搭焊互联点的馈源阻抗为Z0,负载阻抗为Z5,计算引线搭焊互联点各衔接部分反射系数如下:
(6a)馈源阻抗Z0与同轴线阻抗Z1部分反射系数Γ1计算公式如下:
其中,Z1为同轴线阻抗,P为同轴线阻抗Z1部分输入能量,P1为同轴线阻抗Z1部分反射能量;
(6b)同轴线阻抗Z1与互联点第一部分阻抗Z2部分反射系数Γ2计算公式如下:
其中,P-P1为互联点第一部分阻抗Z2部分输入能量,P2为互联点第一部分阻抗Z2部分反射能量;
(6c)互联点第一部分阻抗Z2与互联点第二部分阻抗Z3部分反射系数Γ3计算公式如下:
其中,P-P1-P2为互联点第二部分阻抗Z3部分输入能量,P3为互联点第二部分阻抗Z3部分反射能量;
(6d)互联点第二部分阻抗Z3与微带线阻抗Z4部分反射系数Γ4计算公式如下:
其中,P-P1-P2-P3为微带线阻抗Z4部分输入能量,P4为微带线阻抗Z4部分反射能量;
(6e)微带线阻抗Z4与负载阻抗Z5部分反射系数Γ5计算公式如下:
其中,P-P1-P2-P3-P4为负载阻抗Z5部分输入能量,P5为负载阻抗Z5部分反射能量;
(6f)各个部分衔接部分的反射系数可以近似整合为引线搭焊互联点整体的等效反射系数,其计算公式如下:
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于物性结构电磁参数的引线搭焊互联点性能预测方法,其特征在于,基于以下公式快速预测包括回波损耗RL、插入损耗IL在内的互联点整体传输性能:
RL=-10ln(Γ2)
IL=-10ln(1-Γ2)。
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