一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方法，包括：1)確定微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性和電磁工作參數(shù)；2)確定螺栓在介質(zhì)基板上的安裝區(qū)域；3)確定螺栓的布局參數(shù)；4)確定螺栓排布的初始方案，得到初始螺栓排布稀疏矩陣；5)建立微波器件的結(jié)構(gòu)有限元模型，得到介質(zhì)基板表面采樣節(jié)點設(shè)計坐標；6)計算介質(zhì)基板表面采樣節(jié)點變形后的新坐標；7)得到變形介質(zhì)基板表面空間曲面方程；(8)建立微波器件的電磁分析模型；(9)計算微波器件的傳輸性能參數(shù)；(10)判斷當前螺栓稀疏排布形式下的微波器件傳輸性能是否滿足要求。該方法通過改變螺栓的排布形式，使傳輸性能達到工程設(shè)計要求，指導微波器件結(jié)構(gòu)設(shè)計。
【專利說明】一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波射頻電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安 裝位置的快速確定方法，可用于快速、有效地確定微波器件螺栓安裝位置，指導微波器件的 結(jié)構(gòu)工藝方案設(shè)計，保障微波器件電性能的實現(xiàn)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子技術(shù)的日益發(fā)展，毫米波、微米波等微波器件被廣泛應(yīng)用于通信、雷達、 監(jiān)測等眾多領(lǐng)域，電子設(shè)備的工作環(huán)境也日趨復雜，這對微波器件在復雜環(huán)境下的電性能 保障帶來了更大的考驗。工作環(huán)境載荷中，隨機振動引起的結(jié)構(gòu)變形問題最為典型，其直接 影響著微波射頻電路的接地特性，而微波射頻電路的接地特性恰恰影響著微波電路的傳輸 性能，制約著整個微波器件電性能的實現(xiàn)。
[0003] 在高頻微波系統(tǒng)中，螺栓連接是實現(xiàn)整個介質(zhì)基板與承載結(jié)構(gòu)框架連接的一種典 型工藝，其一方面起到固定介質(zhì)基板的作用，另一方面用來實現(xiàn)電路系統(tǒng)的地線與承載結(jié) 構(gòu)框架的電連接，即接地。然而，在實際生產(chǎn)裝配過程中，由于受到微波器件的結(jié)構(gòu)尺寸與 安裝位置的限制，螺栓安裝的排布形式更多的是靠技術(shù)人員的主觀經(jīng)驗，缺乏相應(yīng)的理論 指導與設(shè)計方案。在承載結(jié)構(gòu)受到隨機振動影響下，由于介質(zhì)基板和結(jié)構(gòu)框架的剛度不同， 介質(zhì)基板和結(jié)構(gòu)框架都會有不同程度的變形，從而產(chǎn)生分離并影響介質(zhì)基板的接地特性， 而接地特性的變化直接影響著微波器件的傳輸性能。可見，傳統(tǒng)意義上，利用經(jīng)驗方式確定 螺栓的排布形式往往會帶來較為嚴重的信號完整性問題。
[0004] 基于此，有必要提出一種方法，對螺栓的安裝位置進行快速、有效地確定，進而提 出合理的螺栓排布形式，指導微波器件的結(jié)構(gòu)工藝方案設(shè)計，以降低對微波電路傳輸性能 的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述微波器件結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于稀疏 排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方法，該方法通過改變螺栓的排布形式，可以對 螺栓的安裝位置進行快速、有效地確定，使微波器件的傳輸性能達到工程設(shè)計的指標要求， 同時指導微波器件的結(jié)構(gòu)工藝方案設(shè)計。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的 快速確定方法包括如下步驟：
[0007] (1)根據(jù)微波器件的各組成部分，確定包含微帶線、介質(zhì)基板及接地外殼的微波器 件的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料屬性，同時確定微波器件的電磁工作參數(shù)；
[0008] (2)根據(jù)微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定螺栓的安裝區(qū)域；
[0009] (3)根據(jù)微波器件的實際安裝需求，確定螺栓的布局參數(shù)；
[0010] (4)根據(jù)確定的螺栓安裝區(qū)域與螺栓的布局參數(shù)，確定螺栓排布的初始方案，得到 初始的螺栓排布的稀疏矩陣；
[0011] (5)根據(jù)給定的微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性以及螺栓排布的初始方案在結(jié)構(gòu) 分析軟件中建立微波器件的結(jié)構(gòu)有限元模型，得到介質(zhì)基板表面采樣節(jié)點Q i的設(shè)計坐標 (xi； Yi, Zi);
[0012] (6)利用有限元軟件，對微波器件進行有限元分析，得到介質(zhì)基板表面采 樣節(jié)點Qi變形后的位移（A Xi，Ayi, Λ Zi),并計算采樣節(jié)點Qi變形后的新坐標為 (Xi+Axi, Yi+Ayi, Zi+Azi)；
[0013] (7)根據(jù)最小二乘法原理，利用數(shù)據(jù)分析軟件MTLAB對變形介質(zhì)基板表面進行擬 合，得到變形介質(zhì)基板表面的空間曲面方程；
[0014] (8)根據(jù)變形介質(zhì)基板表面的空間曲面方程、微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性及電 磁工作參數(shù)，在電磁分析軟件中建立微波器件的電磁分析模型；
[0015] (9)利用電磁分析軟件，計算微波器件的傳輸性能參數(shù)；
[0016] (10)根據(jù)微波器件的傳輸性能指標要求，判斷當前螺栓稀疏排布形式下計算出 的微波傳輸性能是否滿足要求，如果滿足要求，則當前螺栓排布的稀疏矩陣為最佳螺栓排 布形式；否則，根據(jù)上一次的螺栓排布的稀疏矩陣以及當前的微波器件的傳輸性能，通過選 擇、交叉、變異的方法更新螺栓排布的稀疏矩陣，并重復步驟（4)至步驟（10)，直至滿足要 求。
[0017] 進一步地，所述步驟（1)中確定微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括微帶傳輸線、介質(zhì)基板 以及接地外殼的長度、寬度及高度，安裝螺栓的公稱直徑；確定微波器件的材料屬性，包括 彈性模量、泊松比、相對介電常數(shù)及質(zhì)量密度；確定微波器件的電磁工作參數(shù)，包括微帶傳 輸線的電磁工作頻率f與工作波長λ。
[0018] 進一步地，所述步驟（2)中根據(jù)微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定螺栓的安裝區(qū)域，按照 下述方法進行：
[0019] (2a)設(shè)介質(zhì)基板的長度與寬度分別為a和b，安裝螺栓的公稱直徑為D，則將介質(zhì) 基板的長劃分為M個等間距線段，若M = a/D為整數(shù)，則取M = a/D ;否則，更新螺栓的公稱 直徑為Dk+1 = Dk+lmm，并重復計算，直至M滿足整數(shù)要求，且當k = 1時，D1 = D ;同理，將介 質(zhì)基板的寬劃分為N個等間距線段；
[0020] (2b)根據(jù)劃分后得到的等間距線段，將介質(zhì)基板的螺栓安裝表面劃分為MXN個 矩形柵格，其中矩形柵格有包含微帶線和不包含微帶線兩種類型，其中每個不包含微帶線 的矩形柵格中心即為螺栓的安裝區(qū)域。
[0021] 進一步地，所述步驟（3)根據(jù)微波器件的實際安裝需求，確定螺栓的布局參數(shù)，包 括螺栓安裝表面的稀疏率F。
[0022] 進一步地，所述步驟（4)根據(jù)確定的螺栓安裝區(qū)域與螺栓的布局參數(shù)，給出螺栓 排布的初始方案，得到初始的螺栓排布的稀疏矩陣通過下述方法進行：
[0023] (4a)設(shè)介質(zhì)基板的表面共有MXN個矩形柵格，其中橫向柵格數(shù)為M，縱向柵格數(shù) 為N ;若某一個矩形柵格內(nèi)安裝螺栓，則將該柵格值記為1，若不安裝螺栓，則將該柵格值記 為〇,依此，按照柵格編號的順序存儲每個柵格值，從而得到螺栓排布的稀疏矩陣；
[0024] (4b)設(shè)螺栓排布的稀疏矩陣為P，取初始的螺栓排布的稀疏矩陣P (0)為隨機生成 的M行N列的[0, 1]矩陣，若隨機生成的稀疏矩陣中有1元素落在了包含微帶線的矩形柵 格中，則重新隨機生成一組稀疏矩陣，直至生成的稀疏矩陣中所有1元素都在不包含微帶 線的矩形柵格中，從而得到初始的螺栓排布的稀疏矩陣；
[0025] (4c)設(shè)矩形柵格中不安裝螺栓的柵格數(shù)為Ktl，安裝螺栓的柵格數(shù)為K 1，則螺栓安 裝表面的稀疏率F可表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方法，其特征在于，該方法 包括如下過程： (1) 根據(jù)微波器件的各組成部分，確定包含微帶線、介質(zhì)基板及接地外殼的微波器件的 結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料屬性，同時確定微波器件的電磁工作參數(shù)； (2) 根據(jù)微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定螺栓的安裝區(qū)域； (3) 根據(jù)微波器件的實際安裝需求，確定螺栓的布局參數(shù)； (4) 根據(jù)確定的螺栓安裝區(qū)域與螺栓的布局參數(shù)，確定螺栓排布的初始方案，得到初始 的螺栓排布的稀疏矩陣； (5) 根據(jù)給定的微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性以及螺栓排布的初始方案在結(jié)構(gòu)分 析軟件中建立微波器件的結(jié)構(gòu)有限元模型，得到介質(zhì)基板表面采樣節(jié)點Qi的設(shè)計坐標 (xi；Yi,Zi); (6) 利用有限元軟件，對微波器件進行工作環(huán)境載荷分析，得到介質(zhì)基板表面 采樣節(jié)點Qi變形后的位移（AXi，Ayi,ΛZi)，并計算采樣節(jié)點Qi變形后的新坐標為 (Xi+Axi,Yi+Ayi,Zi+Azi)； (7) 根據(jù)最小二乘法原理，利用數(shù)據(jù)分析軟件MATLAB對變形介質(zhì)基板表面進行擬合， 得到變形介質(zhì)基板表面的空間曲面方程； (8) 根據(jù)變形介質(zhì)基板表面的空間曲面方程、微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性及電磁工 作參數(shù)，在電磁分析軟件中建立微波器件的電磁分析模型； (9) 利用電磁分析軟件，計算微波器件的傳輸性能參數(shù)； (10) 根據(jù)微波器件的傳輸性能指標要求，判斷當前螺栓稀疏排布形式下計算出的微 波器件傳輸性能是否滿足要求，如果滿足要求，則當前螺栓排布的稀疏矩陣為最佳螺栓排 布形式；否則，根據(jù)上一次的螺栓排布的稀疏矩陣以及當前的微波器件的傳輸性能，通過選 擇、交叉、變異的方法更新螺栓排布的稀疏矩陣，并重復步驟（4)至步驟（10)，直至滿足要 求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方 法，其特征在于，所述步驟（1)中確定微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括微帶傳輸線、介質(zhì)基板以 及接地外殼的長度、寬度及高度，安裝螺栓的公稱直徑；確定微波器件的材料屬性，包括彈 性模量、泊松比、相對介電常數(shù)及質(zhì)量密度；確定微波器件的電磁工作參數(shù)，包括微帶傳輸 線的電磁工作頻率f與工作波長λ。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方 法，其特征在于，所述步驟（2)中根據(jù)微波器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定螺栓的安裝區(qū)域，按照下 述方法進行： (2a)設(shè)介質(zhì)基板的長度與寬度分別為a和b，安裝螺栓的公稱直徑為D，則將介質(zhì)基板 的長劃分為M個等間距線段，若M=a/D為整數(shù)，則取M=a/D;否則，更新螺栓的公稱直徑 為Dk+1 =Dk+lmm，并重復計算，直至M滿足整數(shù)要求，且當k= 1時，D1 =D;同理，將介質(zhì)基 板的寬劃分為N個等間距線段； (2b)根據(jù)劃分后得到的等間距線段，將介質(zhì)基板的螺栓安裝表面劃分為MXN個矩形 柵格，其中矩形柵格有包含微帶線和不包含微帶線兩種類型，其中每個不包含微帶線的矩 形柵格中心即為螺栓的安裝區(qū)域。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方 法，其特征在于，所述步驟（3)根據(jù)微波器件的實際安裝需求，確定螺栓的布局參數(shù)，包括 螺栓安裝表面的稀疏率F。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方 法，其特征在于，所述步驟（4)根據(jù)確定的螺栓安裝區(qū)域與螺栓的布局參數(shù)，給出螺栓排布 的初始方案，得到初始的螺栓排布的稀疏矩陣通過下述方法進行： (4a)設(shè)介質(zhì)基板的表面共有MXN個矩形柵格，其中橫向柵格數(shù)為M，縱向柵格數(shù)為N; 若某一個矩形柵格內(nèi)安裝螺栓，則將該柵格值記為1，若不安裝螺栓，則 將該柵格值記為〇,依此，按照柵格編號的順序存儲每個柵格值，從而得到螺栓排布的 稀疏矩陣； (4b)設(shè)螺栓排布的稀疏矩陣為P，取初始的螺栓排布的稀疏矩陣P(O)為隨機生成的M行N列的[0, 1]矩陣，若隨機生成的稀疏矩陣中有1元素落在了包含微帶線的矩形柵格中， 則重新隨機生成一組稀疏矩陣，直至生成的稀疏矩陣中所有1元素都在不包含微帶線的矩 形柵格中，從而得到初始的螺栓排布的稀疏矩陣； (4c)設(shè)矩形柵格中不安裝螺栓的柵格數(shù)為Ktl，安裝螺栓的柵格數(shù)為K1，則螺栓安裝表 面的稀疏率F可表示為：
其中，不安裝螺栓的柵格數(shù)Ktl在矩陣中為0元素的個數(shù)，安裝螺栓的柵格數(shù)K1在矩陣 中為1元素的個數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方 法，其特征在于，所述步驟（7)中根據(jù)最小二乘法原理，利用數(shù)據(jù)分析軟件MTLAB對變形介 質(zhì)基板表面進行擬合，其中選用的擬合方程為多項式擬合方程。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方 法，其特征在于，所述步驟（9)利用電磁分析軟件計算微波器件的傳輸性能參數(shù)，包括電壓 駐波比與插入損耗。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于稀疏排列的微波器件螺栓安裝位置的快速確定方 法，其特征在于，所述步驟（10)按照下述步驟進行： 根據(jù)步驟（9)計算的當前螺栓的稀疏排布形式下微波器件的傳輸性能，判斷當前螺栓 的稀疏排布形式下的微波器件傳輸性能是否滿足指標要求； (IOa)若同時滿足要求，即： V(k) ^Vfflax S(k)彡Smax 則當前的螺栓排布的稀疏矩陣為最佳螺栓排布形式，其中，V(k)和S(k)為第k次更新 的螺栓排布稀疏矩陣下，微波傳輸?shù)碾妷厚v波比和插入損耗，Vmax和Smax為工程中電壓駐波 比的最大上限值和插入損耗的最大上限值； (IOb)若不滿足要求，則通過選擇、交叉和變異的方法更新螺栓排布的稀疏矩陣； 設(shè)定第k次螺栓排布方案的稀疏矩陣P(k)的行列選擇數(shù)R和突變率C分別為：
其中，ωρω2、ω3為權(quán)值系數(shù)； (IOc)按照行列選擇數(shù)R將稀疏排布矩陣P(k)IΜΧΝ中的前R行、前R列矩陣元素和后R行、后R列矩陣元素交換位置，若前R個矩陣元素和后R個矩陣元素有重疊，則重疊元素保 持不變，只交換未重疊的矩陣元素；若位置交換后，有1元素被交換到了包含微帶線的矩形 柵格內(nèi)，則將該元素沿水平向右方向移動，直至將移出微帶線，并將原柵格值記〇 ; (IOd)將矩陣中第C、20"nC行的1元素按照其在該行的適應(yīng)度Ζ，重新進行隨機生成， 并確保隨機生成的1元素不落在包含微帶線的矩形柵格內(nèi)；其中，nC<M;適應(yīng)度Z為該行 1元素的個數(shù)在該行柵格總數(shù)中所占的比重； (IOe)根據(jù)步驟（IOc)和（IOd)得到第k+Ι次螺栓的稀疏排布方案的稀疏矩陣為P(k+1)IMXN。
【文檔編號】G06F17/50GK104462651SQ201410625303
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】王從思, 彭雪林, 王艷, 王偉, 李申, 周金柱, 陳光達, 米建偉, 黃進, 楊崇金, 程景勝 申請人:西安電子科技大學