CN112084738A - 基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，包括：确定金带键合互联几何、物性、互联电磁传输参数；建立构形参数化表征模型；建立互联区域分段离散与线性等效电路；求解金带键合互联整体转移矩阵、散射参量和吸收损耗；建立金带键合互联构形与信号传输性能路耦合模型。本方法可实现金带键合互联构形参数化表征建模，实现金带键合互联构形与信号传输性能路耦合模型构建。利用此路耦合模型可实现微波互联结构形态参数到信号传输性能的精准预测，指导高性能微波组件设计与优化，有效提升微波产品研制品质，节约成本，缩短研制周期。

Description

基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法

技术领域

本发明属于微波射频电路技术领域，具体是一种基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，可用于指导微波组件中电路互联设计优化与电磁传输性能调控。

背景技术

新世纪受电子信息技术飞速发展的驱动，微波电路与组件在通信、导航、对抗、识别及其它航空航天领域有着广泛的应用。电子装备性能不断快速提升的迫切需求，使得作为电子装备核心单元及部件的微波组件，其研制日益向小型化、多功能、高速率、高可靠方向发展。在微波组件中，电路互联处不同结构形态设计对电磁信号传输的影响随着信号传输频率的升高逐渐加剧，同时，在电子装备组装、运输与服役时，互联形态在环境载荷影响下会产生变形，进而也会对信号传输造成影响，两者综合作用甚至会造成组件失效。因此，微波组件中互联的设计品质逐渐成为制约微波组件性能提升的关键因素。

高频有源微波组件中的互联在保障信号高效传输的同时，不可避免的承受着自身应力和外界载荷的影响。针对微波组件中典型的电路模块间互联，通过采用带有拱形弯曲形状的金带键合互联结构替代传统的直接钎焊刚性连接，可缓冲互联自身应力和承受的外部载荷，这种柔性结构极大的改善了互联可靠性，但由于金带键合互联初始不规则的构形，以及此构形更易受环境载荷影响而发生形变，这些改变了信号传输路径的不连续性，会对高频微波信号传输性能造成显著影响，并且互联形态参数的变化又具有极大的不确定性，进而造成信号传输经此互联后的不确定性。现有文献中针对互联形态与信号传输性能的影响机理研究鲜见报道，而工程中多停留在人工经验以及大量软件仿真上，无法精确而有效的实现信号传输性能预测与调控，造成人工成本高，且工作效率低。

因此，有必要深入研究基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，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，突破基于互联构形的路耦合建模，实现信号传输快速精准预测，为微波组件中电路互联优化设计与电性能调控提供理论保障。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于金带键合互联构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，以便快速、准确地预测互联路耦合信号传输性能，指导互联优化设计与性能调控，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支持。

实现本发明目的的技术解决方案是，一种基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，该方法包括下述步骤：

(1)根据高频微波组件中互联的具体要求，确定金带键合互联的几何参数与物性参数；

(2)根据微波组件中互联工况及性能指标，确定金带键合互联电磁传输参数；

(3)根据微波组件中互联构形及工程实际调研，对金带键合互联构形进行参数化表征建模；

(4)基于非均匀传输线理论与分段线性理论，对金带键合互联区域进行分段离散与线性等效；

(5)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，分段建立AB段三导体传输线等效电路、BC段双层介质传输线等效电路和CD段空气介质传输线等效电路；

(6)根据建立的金带键合互联分段等效电路与微波网络分析理论，求解金带键合互联整体转移矩阵；

(7)根据求解的金带键合互联整体转移矩阵与微波网络分析理论，求解金带键合互联整体散射参量；

(8)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型、传输线损耗理论与微波网络分析理论，计算金带键合互联整体吸收损耗；

(9)根据计算的金带键合互联整体散射参量与吸收损耗，结合传输线理论与微波网络分析理论，建立金带键合互联构形与信号传输性能路耦合模型。

进一步，步骤(1)中，确定微波组件中金带键合互联的几何参数包括：金带宽度B、金带厚度T、金带拱高h、金带键合左处距微带左端距离p₁、金带键合右处距微带右端距离p₂、微带宽度W、微带厚度h₁、微带左端到基板左端距离d₁、微带右端到基板右端距离d₂、介质基板厚度h₂和介质模块间隙g；

确定物性参数包括：介质基板相对介电常数ε_r、介质基板介电损耗角δ，真空磁导率μ₀，真空光速c和第n段导体电导率σ_n。

进一步，所述步骤(2)中，确定微波组件中金带键合互联电磁传输参数，具体包括：信号传输频率f，回波损耗S₁₁和插入损耗S₂₁。

进一步，所述步骤(3)中，对金带键合互联构形进行参数化表征建模按照以下步骤进行：

(3a)根据金带键合互联构形特征分析，对金带键合互联构形选择均值为零的高斯分布函数进行参数化表征；

(3b)建立金带键合互联构形高斯分布参数化表征函数；

(3c)对金带非键合区线上任意两点，如点S_p和T_p，使用位移矢量进行描述；

(3d)对金带非键合区线上金带微分长度进行计算；

(3e)对金带非键合区线上金带长度进行计算；

(3f)建立金带键合互联构形参数化表征模型。

进一步，所述步骤(4)中，对金带键合互联区域进行分段离散与线性等效按照以下步骤进行：

(4a)根据非均匀传输线理论与分段线性理论，对金带键合互联区域进行分段离散与线性等效，将金带键合互联区域依结构变化划分为6段，分别为：AB三导体段、BC双层介质段、CD空气介质段，DE、EF、FG三段分别与CD、BC、AB三段对称，结构特征相同；

(4b)对金带键合互联区域进行分段离散与线性等效，将金带键合互联区域按照已划分的6段进行分段线性处理，分别为：长度为p₁的AB段三导体传输线、长度为d₁的BC段双层介质传输线、长度为g/2的CD段空气介质传输线，DE、EF和FG三段分别与CD、BC和AB三段对称，对应长度表示为g/2、d₂和p₂，传输线结构特征相同。

进一步，所述步骤(5)中，建立AB段三导体传输线等效电路按照以下步骤进行：

(1ab)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，AB段可以看成由接地板、导带(微带线)以及金带构成的三导体传输线，用一个T型集总元件电路对AB段长度为l，特性阻抗为Z₀的微带线进行等效，将其等效为两个电感L先串联，再在两电感中间并联一个电容C；令T型集总元件电路与特性阻抗为Z₀的微带线转移矩阵相等，求得T型集总元件电路中各元件值；

(2ab)进一步考虑到AB段上金带—微带线间以空气为介质形成新的传输线的电感量L_t的影响，计算电感量L_t；

(3ab)考虑到电感量L_t的影响，基于电感串联理论，将电感量L_t代入等效电路当中，得到最终等效电路；

(4ab)AB段的转移矩阵[A]_ab可看成由三个基本电路单元级联而成，即由两个串联阻抗和一个并联导纳组成，根据AB段等效电路模型，计算转移矩阵[A]_ab。

进一步，所述步骤(5)中，建立BC段双层介质传输线等效电路按照以下步骤进行：

(1bc)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，BC段可以看成由金带、中间空气与基板介质形成的双层介质层以及接地板形成的传输线，取BC段金带中间高度h_bc作为平均高度，计算为BC段空气介质平均厚度s；

(2bc)对于双层介质的微带传输线，其特性阻抗求解基于微带传输线寄生电容的串并联，第m种情况下，计算微带传输线电容C_m；

(3bc)BC段传输线的电容C_S可以看做是由上部空气中的电容C_air和下部介质中的电容C_diel串联组成。计算BC段上部空气中的电容C_air；

(4bc)BC段结构可以分解为传统传输线，进一步假设BC段整体填满介质时电容

是由上部空气层填满介质时电容

和下部介质层电容C_diel串联而成，因此计算BC段下部介质层电容C_diel；

(5bc)根据计算的BC段上部空气层电容C_air和下部介质层电容C_diel，基于电路分析基础，计算BC段传输线的电容C_S；

(6bc)假设BC段介质全部为空气时，计算电容

(7bc)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，以金带为导体，计算以空气层和介质基板为双介质层的BC段等效微带传输线的特性阻抗与等效介电常数；

(8bc)计算BC段等效微带线的电长度θ_bc；

(9bc)计算BC段等效微带线的转移矩阵[A]_bc。

进一步，所述步骤(5)中，建立CD段空气介质传输线等效电路按照以下步骤进行：

(1cd)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，对于CD段，可将其视为一段介质为空气的微带传输线，然后取CD段金带中点高度作为此段平均高度，计算CD段的等效阻抗；

(2cd)计算CD段等效微带线的电长度θ_cd；

(3cd)计算CD段等效微带线的转移矩阵[A]_cd。

进一步，所述步骤(6)中，根据建立的金带键合互联分段等效电路与微波网络分析理论，利用微波网络转移矩阵级联，计算金带键合互联构形整体转移矩阵。

进一步，所述步骤(7)中，根据求解的金带键合互联整体转移矩阵与微波网络分析理论，求解金带键合互联整体散射参量。

进一步，所述步骤(8)中，计算金带键合互联整体吸收损耗按照以下步骤进行：

(8a)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型、传输线损耗理论与微波网络分析理论，计算导体损耗α_cn；

(8b)计算介质损耗α_d；

(8c)计算金带键合互联构形整体吸收损耗Q_z。

进一步，所述步骤(9)中，建立金带键合互联构形与信号传输性能路耦合模型按照以下步骤进行：

(9a)根据计算的金带键合互联整体散射参数与吸收损耗，结合传输线理论与微波网络分析理论，求解金带键合互联整体含吸收损耗的回波损耗与插入损耗；

(9b)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型、求解的金带键合互联整体含吸收损耗的回波损耗与插入损耗，结合传输线理论与微波网络分析理论，建立金带键合互联构形参数与信号传输性能路耦合模型。

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金带键合互联，建立了面向电性能的金带键合互联构形参数化表征模型，基于此表征模型进一步建立了金带键合互联构形与信号传输性能间路耦合预测模型，实现了在微波组件中基于金带键合构形预测信号传输性能，解决了目前微波组件中电路互联构形与信号传输性能间影响关联不清，性能调控与参数精确优化设计方向不明的难题。

2.利用基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，可实现在微波组件设计、制造与应用过程中，电路互联形态的参数化定量精确表征，基于互联几何构形快速实现信号传输性能预测，为工程设计人员在微波组件中电路传输性能调控与互联优化设计方面提供理论指导，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是本发明一种基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法的流程图；

图2是金带键合互联结构组成示意图；

图3是金带键合互联参数示意图(主视图)；

图4是金带键合互联参数示意图(俯视图)；

图5是金带键合互联参数示意图(侧视图)；

图6是高斯分布函数表征金带形态示意图；

图7是高斯分布函数表征计算金带尺寸示意图；

图8是金带键合互联结构分段示意图；

图9是金带键合互联结构离散线性等效示意图；

图10是金带键合互联结构AB段横截面示意；

图11(a)、图11(b)是金带键合互联结构AB段微带线等效电路；

图12是金带键合互联结构AB段最终等效电路；

图13是金带键合互联结构BC段横截面示意图；

图14(a)是金带键合互联结构BC段截面整体传输线示意图；图14(b)是金带键合互联结构BC段截面确定C_air示意图；图14(c)、(d)是金带键合互联结构BC段截面确定C_diel示意图；

图15是金带键合互联结构CD段横截面示意图；

图16是金带键合互联结构整体等效电路拓扑结构；

图17是金带键合互联三维结构-电磁仿真模型与局部放大图；

图18是金带键合互联HFSS仿真与路耦合模型计算的电性能对比。

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，本发明为一种基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，具体步骤如下：

步骤1，确定微波组件中金带键合互联的几何参数与物性参数

参照图2、3、4、5所示，高频微波组件中金带键合互联包括接地板4，在接地板4上层连接有介质基片3，在介质基片3上连接的导体带2通过金带1连接。根据高频微波组件中互联的具体要求，分别确定微波组件中金带键合互联的几何参数与物性参数；

确定几何参数包括，金带宽度B、金带厚度T、金带拱高h、金带键合左处距微带左端距离p₁、金带键合右处距微带右端距离p₂、微带宽度W、微带厚度h₁、微带左端到基板左端距离d₁、微带右端到基板右端距离d₂、介质基板厚度h₂和介质模块间隙g；

确定物性参数包括，介质基板相对介电常数ε_r、介质基板介电损耗角δ，真空磁导率μ₀，真空光速c和第n段导体电导率σ_n。

步骤2，确定金带键合互联电磁传输参数

确定微波组件中金带键合互联电磁传输参数，具体包括：信号传输频率f，回波损耗S₁₁和插入损耗S₂₁等。

步骤3，对金带键合互联构形进行参数化表征建模

根据微波组件互联形态及工程实际调研，对金带键合互联形态分段进行参数化表征，参照图6与图7，按照以下步骤进行：

(3a)高斯分布函数如以下公式所示：

式中，μ是函数的最高点所在位置，σ²是方差，x是金带构形函数曲线的横坐标；

令函数的最高点位于x轴的中心(即x＝0)处，从上式可得：

(3b)确定金带键合互联构形高斯分布表征函数为：

式中，参数a为金带形态z向变化控制相关函数，参数b为金带形态x向变化控制相关函数。分别由下式确定：

a＝h+h₁+h₂，

其中，d_uv为金带键合跨距，计算如下式：

d_uv＝p₁+d₁+g+d₂+p₂

(3c)设定金带非键合区线上任意两点S_p和T_p，得位移矢量如下：

P₁＝xa_x+G(x)a_y

P₂＝(x+Δx)a_x+G(x+Δx)a_y

式中，P₁和P₂为对应点S_p和T_p的位移矢量，a_x和a_y分别为坐标横向和纵向单位方向矢量；

(3d)金带非键合区线上金带微分长度计算如下：

式中，Δx为金带微分长度对应横坐标微分。金带长度微分向量dL_BR，计算如下：

dL_BR＝P₂-P₁＝(x+Δx-x)α_x+(G(x+Δx)-G(x))α_y

(3e)金带非键合区线上金带长度计算如下：

式中，x₁和x₂表示所求互联双根金带非键合区长度的起始点和终点；

(3f)建立金带键合互联构形参数化表征模型如下：

步骤4，对金带键合互联区域进行离散分段与线性等效

根据非均匀传输线理论与分段线性理论，对金带键合互联区域进行分段离散与线性等效，参照图8与图9，按照以下步骤进行：

(4a)根据非均匀传输线理论与分段线性理论，将金带键合互联区域依结构变化划分为6段，分别为：AB三导体段、BC双层介质段、CD空气介质段，DE、EF、FG三段分别与CD、BC、AB三段对称，结构特征相同；

(4b)将金带键合互联区域按照已划分的6段进行分段线性处理，分别为：长度为p₁的AB段三导体传输线、长度为d₁的BC段双层介质传输线、长度为g/2的CD段空气介质传输线，DE、EF和FG三段分别与CD、BC和AB三段对称，对应长度表示为g/2、d₂和p₂，传输线结构特征相同。

步骤5，建立AB段三导体传输线等效电路

根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，建立AB段三导体传输线等效电路，参照图10、图11(a)、图11(b)、图12，按照以下步骤进行：

(5a)AB段可以看成由接地板、导带(微带线)以及金带构成的三导体传输线，用一个T型集总元件电路对AB段长度为l，特性阻抗为Z₀的微带线进行等效，将其等效为两个电感L先串联，再在两电感中间并联一个电容C。令T型集总元件电路与特性阻抗为Z₀的微带线转移矩阵相等，可求得T型集总元件电路中各元件值如下：

式中，ω为角频率，

是AB段微带线的电长度，ε_re为其等效相对介电常数，l_ab为其物理长度。

其中，β₀为真空中的相位常数，计算如下

式中，λ₀为信号在真空中波长，f为信号传输频率，c为真空光速。

λ_g为介质中波长，可以由下式给出：

如果p₁段微带线长度很小，如p₁＜λ_g/8或θ≤π/4，则上式变成：

式中，ε_re可以由以下公式给出：

式中，

式中，Δε_re(h₁)为AB段与导带厚度相关的等效相对介电常数，ε_r为介质基板的相对介电常数；

(5b)进一步考虑到AB段上金带—微带线间以空气为介质形成新的传输线的电感量L_t的影响，电感量L_t的计算公式如下：

式中，Z_t(B,t,ε_r＝1)为AB金带—微带组成传输线的特性阻抗，计算公式如下：

式中，η为真空波阻抗，t为AB段金带导体与微带导体间空气间隙厚度，B_e1为AB段有效金带宽度。其中，有效金带宽度B_e1可以由下式计算：

AB段空气间隙的平均厚度t计算公式如下；

t＝h_ab-h₂-h₁

式中，h_ab为弧AB段中点到接地板上表面的高度，计算公式如下；

(5c)考虑到电感量L_t的影响，基于电感串联理论，将电感量L_t代入等效电路当中，得到最终的等效电路如下：

式中，L_s1为非对称的T型电路网络近B端等效电感参量，L_w1为非对称的T型电路网络近C端等效电感参量，C₁为等效电容参量；

(5d)AB段的转移矩阵[A]_ab可看成由三个基本电路单元级联而成，即由两个串联阻抗和一个并联导纳组成，根据AB段等效电路模型，得到AB段转移矩阵[A]_ab的计算公式如下：

其中：

Z₀₁＝jωL_s1＝jωL

Y＝jωC₁＝jωC

Z₀₂＝jωL_w1＝jω(L+L_t)

式中，j为复数单位，Z₀₁为等效电感参量L_s1对应的阻抗参量，Y为等效电容参量C₁对应的导纳参量，Z₀₂为等效电感参量L_w1对应的阻抗参量。

步骤6，建立BC段双层介质传输线等效电路

根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，建立BC段双层介质传输线等效电路，参照图13、图14(a)、图14(b)、图14(c)、(d)，按照以下步骤进行：

(6a)BC段可以看成由金带、中间空气与基板介质形成的双层介质层以及接地板形成的传输线，取BC段金带中间高度h_bc作为平均高度，s为BC段空气介质平均厚度，计算公式如下；

(6b)对于双层介质的微带传输线，其特性阻抗求解基于微带传输线寄生电容的串并联，第m种情况下，微带传输线电容C_m可以表示如下：

式中，h_ci为第i种情况下传输线介质高度；ε_rk为第k种情况下传输线相对介电常数。

第m种情况下，微带传输线特性阻抗Z_m(B,h_ci,ε_rk)计算如下

式中，B_e2为BC段有效金带宽度，由下式确定

第m种情况下，微带传输线等效介电常数ε_rem(B,h_ci,ε_rk)计算如下：

式中，Δε_rem(T)为第m种情况下，考虑导带厚度的等效相对介电常数

式中，i＝1,2；k＝1,2；m＝1,2,3,4。令h_c1＝s，h_c2＝s+h₂；ε_r1＝1，ε_r2＝ε_r；Z₁＝Z_m(B,h_c1,ε_r1)，Z₂＝Z_m(B,h_c1,ε_r2)，Z₃＝Z_m(B,h_c2,ε_r1)，Z₄＝Z_m(B,h_c2,ε_r2)；ε_re1＝ε_rem(B,h_c1,ε_r1)，ε_re2＝ε_rem(B,h_c1,ε_r2)，ε_re3＝ε_rem(B,h_c2,ε_r1)，ε_re4＝ε_rem(B,h_c2,ε_r2)

(6c)BC段传输线的电容C_S可以看做是由上部空气中的电容C_air和下部介质中的电容C_diel串联组成。BC段上部空气中的电容C_air计算如下式：

(6d)BC段结构可以分解为传统传输线，进一步假设BC段整体填满介质时电容

是由上部空气层填满介质时电容

和下部介质层电容C_diel串联而成，因此BC段下部介质层电容计算如下式：

和

计算如下：

(6e)根据计算的BC段上部空气层电容C_air和下部介质层电容C_diel，基于电路分析基础，BC段传输线的电容可以由下式给出：

(6f)假设BC段介质全部为空气时电容

表示如下式：

(6g)以金带为导体，以空气层和介质基板为双介质层的BC段等效微带传输线的特性阻抗与等效介电常数计算公式如下：

进一步代入可得

式中，Z_bc为BC段传输线特性阻抗，ε_res为BC段传输线等效相对介电常数；Z₁＝Z_m(B,s,ε_r＝1)是高度为s、无填充介质的BC段传输线特性阻抗；Z₂＝Z_m(B,s,ε_r)是高度为s、介电常数为ε_r的传输线特性阻抗；Z₃＝Z_m(B,s+h₂,ε_r＝1)是高度为s+h₂，无填充介质的传输线特性阻抗；Z₄＝Z_m(B,s+h₂,ε_r)是高度为s+h₂、相对介电常数为ε_r的传输线特性阻抗。

(6h)BC段等效微带线的电长度θ_bc计算公式如下：

(6i)BC段等效微带线的转移矩阵[A]_bc表示如下

步骤7，建立CD段空气介质传输线等效电路

根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，建立CD段空气介质传输线等效电路，参照图15，按照以下步骤进行：

(7a)对于CD段，可将其视为一段介质为空气的微带传输线，然后取CD段金带中点高度作为此段平均高度，计算CD段的等效阻抗如下式：

式中，h_cd为弧CD段中点到接地板上表面的高度，B_e3为CD段有效金带宽度。

其中，B_e3和h_cd可以由公式表示如下：

(7b)CD段等效微带线的电长度θ_cd计算公式如下：

(7c)CD段等效微带线的转移矩阵[A]_cd计算公式如下：

步骤8，求解金带键合互联整体转移矩阵

根据建立的金带键合互联分段等效电路与微波网络分析理论，求解金带键合互联整体转移矩阵，参照图16，利用微波网络转移矩阵级联，计算金带键合互联构形整体转移矩阵表示如下：

[A]_total＝[A]_ab[A]_bc[A]_cd[A]_de[A]_ef[A]_fg

由于金带键合互联结构两边对称，因此有：

[A]_ab＝[A]_fg

[A]_bc＝[A]_ef

[A]_cd＝[A]_de

式中，[A]_de为金带键合互联DE段等效微带线的转移矩阵；[A]_ef为金带键合互联EF段等效微带线的转移矩阵；[A]_fg为金带键合互联FG段等效微带线的转移矩阵。

步骤9，求解金带键合互联整体散射参量

根据求解的金带键合互联整体转移参量与微波网络分析理论，求解金带键合互联整体散射参量如下所示：

式中，

分别为无吸收损耗的端口1电压反射系数和端口1到端口2的电压传输系数；Z₀为微带线特性阻抗(为定值，一般取50Ω)，

分别为金带键合互联整体转移参量；

由于金带键合互联为完全对称结构，则有

其中，

分别为无吸收损耗的端口2电压反射系数和端口2到端口1的电压传输系数。

步骤10，计算金带键合互联整体吸收损耗

根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型、传输线损耗理论与微波网络分析理论，计算金带键合互联整体吸收损耗，按照以下步骤进行：

(10a)首先求解导体损耗，导体损耗α_cn计算如下式：

式中，

W_en为考虑导带厚度时的等效带宽，由下式确定

式中，ΔW_n为考虑导带厚度时增加的导带宽度；

R_sn为导体表面趋肤电阻率，可由下式确定

上式中，Z_cn为第n段传输线特征阻抗，W_n为第n段传输线宽度，h_tn为第n段传输线厚度，h_dn为第n段介质厚度，σ_n为第n段导体电导率，e为奈培基数。n＝1,2,3,4，令Z_c1＝Z₀，Z_c2＝Z_ab，Z_c3＝Z_bc，Z_c4＝Z_cd；W₁＝W，W₂＝W₃＝W₄＝B；σ₁＝σ₂＝σ₃＝σ₄＝σ；h_t1＝h₁，h_t2＝h_t3＝h_t4＝T；h_d1＝h₂，h_d2＝h_ab，h_d3＝h_bc，h_d4＝h_cd，其中Z_ab可通过[A]_ab计算得出；

(10b)介质损耗计算如下式：

(10c)计算金带键合互联构形整体吸收损耗为：

Q_z＝2|Q_c1|+2|Q_c2|+2|Q_c3|+|Q_c4|+2|Q_d1|

式中，Q_c1为均匀微带传输线的导体损耗；Q_c2为AB段金带导体损耗；Q_c3为BC段金带导体损耗；Q_c4为CD段金带导体损耗；Q_d1为传输线介质损耗。

步骤11，建立金带键合互联构形与信号传输性能路耦合模型

根据计算的金带键合互联整体散射参数与吸收损耗，结合传输线理论与微波网络分析理论，建立金带键合互联构形与信号传输性能路耦合模型，按照以下步骤进行：

(11a)求解金带键合互联整体含吸收损耗的回波损耗与插入损耗计算如下式所示：

式中，S₁₁、S₂₁及Q_z均以dB为单位；

(11b)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型、求解的金带键合互联整体含吸收损耗的回波损耗与插入损耗，结合传输线理论与微波网络分析理论，建立金带键合互联构形参数与信号传输性能路耦合模型，用函数F_i表示，i＝1,2，简记为：

式中，R表示除上式中外金带键合互联其余几何参数。

本发明的优点可通过以下仿真实验进一步说明：

一、确定金带键合互联的几何参数与物性参数

本实验通过对比在三维电磁仿真软件HFSS仿真结果与基于金带键合互联路耦合模型的MATLAB计算结果，以验证金带互联路耦合模型的准确性与有效性。首先需给定金带键合互联几何参数与物性参数，金带键合互联参数化模型示意图见图2、3、4、5，金带键合互联的几何参数与物性参数见表1。

表1 金带键合互联的几何参数与物性参数

二、建立金带键合互联结构-电磁仿真模型

确定微波组件中金带键合互联电磁传输参数，具体包括：信号传输扫描频率f＝1～40GHz，回波损耗指标S₁₁，插入损耗指标S₂₁等。

根据确定的微波组件中金带键合互联几何参数、物性参数、电磁传输参数以及对金带键合互联构形进行的参数化表征建模，在三维电磁全波仿真分析软件HFSS中建立金带键合互联结构-电磁分析模型，见图17所示。所建立的模型由金带、微带导体、介质基板等部分组成。

三、金带键合互联路耦合模型验证

选取频率f＝1～40GHz，以1GHz为步长，分别通过HFSS软件仿真与路耦合模型计算，求得信号传输性能回波损耗S₁₁与插入损耗S₂₁。对比结果见图18所示，从图中可以看出在1-8GHz低频段与28-40GHz高频段，软件仿真结果出现震荡，高频段性能急剧变差。在中间8-27GHz频段路耦合模型计算曲线与HFSS仿真曲线吻合良好。

为了进一步验证高频电磁软件HFSS仿真的S参数与文中路耦合预测模型计算结果的差别，选取频率8-27GHz结果进行对比，并计算两者误差与百分比，见表2。

表2 高频结构电磁软件HFSS仿真与路耦合模型计算结果对比

从表2中结果对比可见，在8-27GHz宽频带内，除个别峰值外，回波损耗最大误差ΔS₁₁＜2dB，最大误差百分比小于20％；插入损耗最大误差ΔS₂₁＜0.08dB，最大误差百分比小于20％。在Ku波段12-18GHz频段上，除个别峰值外，回波损耗最大误差ΔS₁₁＜2dB，最大误差百分比小于10％；插入损耗最大误差ΔS₂₁＜0.01dB，最大误差百分比小于7％。上述分析表明该路耦合模型可靠有效，具有良好的信号传输性能预测能力。

Claims (9)

1.一种基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)根据高频微波组件中互联的具体要求，确定金带键合互联的几何参数与物性参数；

(2)根据微波组件中互联工况及性能指标，确定金带键合互联电磁传输参数；

(3)根据微波组件中互联构形及工程实际调研，对金带键合互联构形进行参数化表征建模；

(4)基于非均匀传输线理论与分段线性理论，对金带键合互联区域进行分段离散与线性等效；

(5)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，分段建立AB段三导体传输线等效电路、BC段双层介质传输线等效电路和CD段空气介质传输线等效电路；

(6)根据建立的金带键合互联分段等效电路与微波网络分析理论，求解金带键合互联整体转移矩阵；

(7)根据求解的金带键合互联整体转移矩阵与微波网络分析理论，求解金带键合互联整体散射参量；

(8)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型、传输线损耗理论与微波网络分析理论，计算金带键合互联整体吸收损耗；

(9)根据计算的金带键合互联整体散射参量与吸收损耗，结合传输线理论与微波网络分析理论，建立金带键合互联构形与信号传输性能路耦合模型。

2.根据权利要求1所述的基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，其特征在于，所述确定微波组件中金带键合互联的几何参数包括金带宽度B、金带厚度T、金带拱高h、金带键合左处距微带左端距离p₁、金带键合右处距微带右端距离p₂、微带宽度W、微带厚度h₁、微带左端到基板左端距离d₁、微带右端到基板右端距离d₂、介质基板厚度h₂和介质模块间隙g；

确定物性参数包括介质基板相对介电常数ε_r、介质基板介电损耗角δ，真空磁导率μ₀，真空光速c和第n段导体电导率σ_n；

确定金带键合互联电磁传输参数包括：信号传输频率f，回波损耗S₁₁和插入损耗S₂₁。

3.根据权利要求2所述的基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，其特征在于，步骤(3)按如下过程进行：

(3a)根据金带键合互联构形特征分析，对金带键合互联构形采用高斯分布函数进行参数化表征；

式中，μ是函数的最高点所在位置，σ²是方差，x是金带构形函数曲线的横坐标；

(3b)确定金带键合互联构形高斯分布表征函数为：

式中，a为金带形态z向变化控制相关函数，b为金带形态x向变化控制相关函数；d_uv为金带键合跨距；

(3c)设定金带非键合区线上任意两点S_p和T_p，得位移矢量如下：

P₁＝xa_x+G(x)a_y

P₂＝(x+Δx)a_x+G(x+Δx)a_y

式中，P₁和P₂为对应点S_p和T_p的位移矢量，a_x和a_y分别为坐标横向和纵向单位方向矢量；

(3d)金带非键合区上金带微分长度计算如下：

式中，Δx为金带微分长度对应横坐标微分，金带长度微分向量dL_BR，计算如下：

(3e)金带非键合区上金带长度计算如下：

式中，x₁和x₂表示所求互联双根金带非键合区长度的起始点和终点；

(3f)建立金带键合互联构形参数化表征模型如下：

4.根据权利要求2所述的基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，其特征在于，步骤(4)按如下过程进行：

(4a)根据非均匀传输线理论与分段线性理论，对金带键合互联区域进行分段离散与线性等效，将金带键合互联区域依结构变化划分为6段，分别为：AB三导体段、BC双层介质段、CD空气介质段，DE、EF、FG三段分别与CD、BC、AB三段对称，结构特征相同；

(4b)对金带键合互联区域进行分段离散与线性等效，将金带键合互联区域按照已划分的6段进行分段线性处理，分别为：长度为p₁的AB段三导体传输线、长度为d₁的BC段双层介质传输线、长度为g/2的CD段空气介质传输线，DE、EF和FG三段分别与CD、BC和AB三段对称，对应长度表示为g/2、d₂和p₂，传输线结构特征相同。

5.根据权利要求2所述的基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，其特征在于，步骤(5)中，建立AB段三导体传输线等效电路如下：

(1ab)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，AB段可以看成由接地板、导带以及金带构成的三导体传输线，用一个T型集总元件电路对AB段长度为l，特性阻抗为Z₀的微带线进行等效，将其等效为两个电感L先串联，再在两电感中间并联一个电容C；令T型集总元件电路与特性阻抗为Z₀的微带线转移矩阵相等，当AB段满足p₁＜λ_g/8或θ≤π/4，求得T型集总元件电路中各元件值如下：

式中，λ_g为介质中波长，ε_re为AB段微带传输线等效相对介电常数，ω为角频率；

(2ab)进一步考虑到AB段上金带—微带线间以空气为介质形成新的传输线的电感量L_t的影响，电感量L_t的计算公式如下：

式中，Z_t(B,t,ε_r＝1)为AB金带—微带组成传输线的特性阻抗，t为AB段金带导体与微带导体间空气间隙厚度；

(3ab)将电感量L_t代入等效电路当中，得到最终的等效电路如下：

式中，L_s1为非对称的T型电路网络近B端等效电感参量，L_w1为非对称的T型电路网络近C端等效电感参量，C₁为等效电容参量；

(4ab)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，AB段的转移矩阵[A]_ab可看成由三个基本电路单元级联而成，即由两个串联阻抗和一个并联导纳组成，根据AB段等效电路模型，得到AB段转移矩阵[A]_ab：

式中，Z₀₁为等效电感参量L_s1对应的阻抗参量，Y为等效电容参量C₁对应的导纳参量，Z₀₂为等效电感参量L_w1对应的阻抗参量；

所述步骤(5)中，建立BC段双层介质传输线等效电路如下：

(1bc)将BC段视为由金带、中间空气与基板介质形成的双层介质层以及接地板形成的传输线，取BC段金带中间高度h_bc作为平均高度，s为BC段空气介质平均厚度，计算如下；

(2bc)对于双层介质的微带传输线，其特性阻抗求解基于微带传输线寄生电容的串并联，第m种情况下，微带传输线电容C_m表示如下：

式中，i＝1,2；k＝1,2；m＝1,2,3,4；h_ci为第i种情况下传输线介质高度；ε_rk为第k种情况下传输线相对介电常数；ε_rem(B,h_ci,ε_rk)为第m种情况下，微带传输线等效介电常数；Z_m(B,h_ci,ε_rk)第m种情况下，微带传输线特征阻抗；

(3bc)将BC段传输线的电容C_S视为由上部空气中的电容C_air和下部介质中的电容C_diel串联组成，BC段上部空气中的电容C_air计算如下式：

式中，Z_m(B,s,ε_r＝1)＝Z₁是高度为s、相对介电常数为1的第一种情况对应传输线特征阻抗，h_c1＝s为对应传输线介质厚度，ε_r1＝ε_r＝1为对应传输线相对介电常数；

(4bc)将BC段结构分解为传统传输线，进一步假设BC段整体填满介质时电容

是由上部空气层填满介质时电容

和下部介质层电容C_diel串联而成，因此BC段下部介质层电容计算如下式：

和

计算如下：

式中，Z₂＝Z_m(B,s,ε_r)是高度为s、相对介电常数为ε_r的第二种情况对应传输线特性阻抗，ε_r2＝ε_r为对应传输线相对介电常数；Z_m(B,s+h₂,ε_r＝1)＝Z₃是高度为s+h₂、相对介电常数为1的第三种情况对应传输线特征阻抗，h_c2＝s+h₂为对应传输线介质厚度；Z_m(B,s+h₂,ε_r)＝Z₄是高度为s+h₂、相对介电常数ε_r2＝ε_r的第四种情况对应传输线特征阻抗；

(5bc)根据计算的BC段上部空气层电容C_air和下部介质层电容C_diel，基于电路分析基础，BC段传输线的电容C_s可以由下式给出：

(6bc)假设BC段介质全部为空气时，电容

表示如下式：

(7bc)以金带为导体，以空气层和介质基板为双介质层的BC段等效微带传输线的特性阻抗Z_bc与等效相对介电常数ε_res，计算公式如下：

(8bc)BC段等效微带线的电长度θ_bc计算公式如下：

式中，β₀为真空中的相位常数；

(9bc)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型与均匀传输线理论，BC段等效微带线的转移矩阵[A]_bc表示如下

式中，j为虚数单位；

所述步骤(5)，建立CD段空气介质传输线等效电路如下：

(1cd)对于CD段，可将其视为一段介质为空气的微带传输线，然后取CD段金带中点高度作为此段平均高度，计算CD段的等效阻抗Z_cd如下式：

式中，h_cd为弧CD段中点到接地板上表面的高度；B_e3为CD段有效金带宽度；

(2cd)CD段等效微带线的电长度θ_cd计算公式如下：

(3cd)CD段等效微带线的转移矩阵[A]_cd计算公式如下：

6.根据权利要求1所述的基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，其特征在于，步骤(6)根据建立的金带键合互联分段等效电路与微波网络分析理论，利用微波网络转移矩阵级联，计算金带键合互联构形整体转移矩阵表示如下：

[A]_total＝[A]_ab[A]_bc[A]_cd[A]_de[A]_ef[A]_fg

式中，[A]_de为DE段转移矩阵；[A]_ef为EF段转移矩阵；[A]_fg为FG段转移矩阵；

由于金带键合互联结构两边对称，因此有：

[A]_ab＝[A]_fg、[A]_cd＝[A]_de、[A]_bc＝[A]_ef。

7.根据权利要求1所述的基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，其特征在于，步骤(7)根据求解的金带键合互联整体转移矩阵与微波网络分析理论，求解金带键合互联整体散射参量如下所示：

式中，

分别为无吸收损耗的端口1电压反射系数和端口1到端口2的电压传输系数；Z₀为微带线特性阻抗，

分别为金带键合互联整体转移参量；由于金带键合互联为完全对称结构，则有

其中，

分别为无吸收损耗的端口2电压反射系数和端口2到端口1的电压传输系数。

8.根据权利要求2所述的基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，其特征在于，步骤(8)按如下过程进行：

(8a)根据建立的金带键合互联构形参数化表征模型、传输线损耗理论与微波网络分析理论，导体损耗α_cn计算如下式：

上式中，W_en为考虑导带厚度时的等效带宽，R_sn为导体表面趋肤电阻率，Z_cn为第n段传输线特征阻抗，W_n为第n段传输线宽度，h_tn为第n段传输线厚度，h_dn为第n段介质厚度，e为奈培基数；

(8b)介质损耗α_d计算如下式：

(8c)计算金带键合互联构形整体吸收损耗Q_z为：

Q_z＝2|Q_c1|+2|Q_c2|+2|Q_c3|+|Q_c4|+2|Q_d1|

式中，Q_c1为均匀微带传输线的导体损耗；Q_c2为AB段金带导体损耗；Q_c3为BC段金带导体损耗；Q_c4为CD段金带导体损耗；Q_d1为传输线介质损耗。

9.根据权利要求2所述的基于金带键合构形的微波组件路耦合传输性能预测方法，其特征在于，步骤(9)按如下过程进行：

(9a)求解金带键合互联整体含吸收损耗的回波损耗与插入损耗计算如下式所示：

(9b)建立金带键合互联构形参数与信号传输性能路耦合模型，用函数F_i表示，i＝1,2，简记为：

式中，R表示除上式中外金带键合互联其余几何参数。

Images