微波组件机电热耦合建模与影响机理分析

2018 年 7 月 11 日 科学出版社

微波组件是包括有源相控阵天线在内的电子信息系统关键部件之一，通过装在盒体内的微波器件来实现微波信号的功率放大、低噪声放大和变频等功能。微波组件结构与散热设计、制造工艺因素以及复杂工作环境是制约高频段电子信息系统性能和功能的主要因素，互联工艺形态参数的科学调控也是组件传输性能稳健可靠的重要保障。

目前由于微波组件制造互联工艺中各参数与传输性能的耦合理论不清、影响机理不明，组件制造过程中工艺对性能影响的关键点无法有效控制，导致产品调试难度大、周期长，并存在盲目性，从而增加了研制成本，甚至产品最终性能始终无法达标。随着组件集成化、轻量化、小型化的发展需求不断增大，微波组件机电热耦合理论与影响机理分析方法在高频段高性能电子信息系统的设计、制造与服役过程中将发挥愈加重要的作用。

影响机理

典型连接工艺对微波组件传输性能有怎样的影响机理？微波组件的发展日趋轻量化与小型化，电子元器件的排布更加密集，这就对微波组件在体积、电性能及可靠性方面提出了更为苛刻的要求，同时对微波射频电路的加工工艺也提出了更高的标准。为此，作者开展典型微波组件互联工艺（模块拼缝、金丝键合、平面钎焊、螺栓连接）对传输性能影响机理研究，通过结构特征提取、电磁建模、仿真分析、优化设计、数据挖掘等过程，定性、定量地确定典型连接工艺形态参数对微波组件传输性能的影响规律。这些可为微波组件设计制造提供理论方案和关键技术指导，具有重要工程应用价值。

模块拼缝工艺是一种实现微波组件电路基板间微波信号传输的典型连接方式，传统上利用经验方式确定连接往往会引起严重的信号完整性问题。基于此，文中开展模块拼缝对微波组件传输性能的影响机理研究，同时进行了样件测试与验证，研制了模块拼缝连接工艺影响机理分析软件，并给出了可供工程技术人员参考的拼缝互联工艺设计原则。

微波组件内的单片微波集成电路通常采用金丝键合实现微波信号的传输。其工艺参数的微小改变就有可能引起金丝键合器件传输性能的显著扰动，进而造成组件电性能的恶化，因此有必要研究金丝键合互联工艺参数对组件传输性能的影响。

接地技术是有源微波组件互联工艺中的一项核心技术，微带基板和壳体间的接地连接存在钎焊空洞。钎焊空洞不仅会引起器件接地的可靠性变差，同时也会恶化器件的导热、导电特能，为此，文中研究钎焊空洞特性对微波组件传输性能的影响，通过理论分析、仿真数据和实测数据，对钎焊工艺提出工程指导性意见，降低传输性能对焊接空洞的敏感度。

在高频微波组件中，螺栓连接是实现整个介质基板与承载结构框架连接的一种典型互联工艺。传统意义上，利用经验方式确定螺栓连接的位置与数目，往往在组件系统服役期间会产生难以预测的信号完整性问题。为此，开展螺栓连接对微波组件传输性能的影响机理研究，提出更优的螺栓排布形式，可为微波组件的结构设计和互联工艺方案提供工程指导。

微波组件多通道腔体耦合效应分析

数字微波组件作为电子信息系统的重要组成部分，其电磁特性直接决定着它的工作性能和功能，因而保证数字微波组件电性能的稳定性和高品质具有重要意义。数字微波组件内部有很多的微波器件，存在着大量多通道腔体结构，其具有复杂的电磁环境。完整无孔缝的金属箱体屏蔽可有效实现电磁脉冲防护，但在实际使用中，为了连接信号线、馈电线以及用于窗口观测和散热等，常需要在完整无孔缝的金属屏蔽腔体上开一些孔缝，而这些孔缝成了外部电磁脉冲进入屏蔽结构的通道，外部电磁脉冲进入屏蔽腔体后会在其内部产生谐振，从而对内部电子信息系统的正常工作造成较大影响。多通道数字微波组件由于结构的不连续性，一般都存在不同程度的电磁耦合，从而影响腔体内电子器件/组件的正常工作。

随着电子设备工作频率的不断提高，器件密度不断增大，微波组件腔体的电磁耦合效应逐渐变得严重起来。腔体结构上微小改变就有可能引起腔体电磁分布的显著变化，影响微波器件的正常工作，因此有必要研究腔体结构对其电性能的影响。同时，在仿真分析的过程中，涉及多种参数和结构形式对电性能的影响问题，故需要进行大量电磁仿真分析，为提高分析效率，节约分析成本，设计开发了微波组件腔体耦合效应分析软件，工程人员只需输入少量参数，就可完成腔体耦合效应分析全过程，从而明显提高工作效率，具有显著的工程实用价值。

微波组件散热冷板集成优化设计

当前微波组件热源具有高达1000W/cm²以上的热流密度。微波组件正常工作时，会产生大量的热量，若不能及时散出热量，对温度敏感的电子器件性能就会迅速恶化，这将严重影响微波组件及电子装备的功能、工作可靠性，严重时甚至会引起设备的失效。据统计，由于温度超过允许值而造成组件失效的比率高达55%。因此，为确保微波组件正常可靠地工作，需对其进行合理的热设计。

为达到减轻微波组件系统质量的目的，应设计合理的散热冷板出发。单纯的追求散热冷板的轻质量，会带来一系列问题，如质量太轻，冷板结构的刚强度不满足要求，在极端恶劣的使用环境下会发生破坏，从而影响微波组件的正常使用。与此同时，散热冷板流道过细，也会影响其散热效果，最后导致微波组件的电性能达不到要求，甚至不能正常发挥作用。因此，有必要从机电热耦合的角度出发，综合考虑微波组件散热冷板的结构强度、散热性能与质量要求之间的矛盾关系，对冷板进行结构和热综合设计，使其既能满足组件的结构强度及质量要求，又能满足电子器件的温度要求，从而确保微波组件能高效且可靠地工作。

本文摘编自王从思、王璐、王志海编著《微波组件机电热耦合建模与影响机理分析》一书，内容有删减。

《微波组件机电热耦合建模与影响机理分析》

王从思，王璐，王志海编著

北京: 科学出版社, 2018. 6

ISBN 978-7-03-057320-9

责任编辑: 李萍

《微波组件机电热耦合建模与影响机理分析》是从场路耦合的角度来讲述耦合传输模型构建和工艺影响机理揭示等方面涉及的仿真、实验、测试理论与关键技术，希望成为一本集先进性和实用性为一体的微波组件结构设计工具书。书中定性、定量地给出了制造互联工艺参数对电路传输性能的影响规律，并开展了相关实例验证，为实际工程中互联工艺手段改善与结构布局方案提供了理论基础与数据支持，同时依据组件性能指标准确给出了互连工艺参数的定量精度，以实现微波射频组件设计理念与制造手段的重大创新，从而使得微波组件的制造方法与工艺流程更高效、产品质量更优良。

本书可作为微波组件设计和制造工程人员的参考书，也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的参考书，同时对从事相关科技研究的工作人员也有一定的参考价值。

（本期编辑：王芳）