一种计算介质集成悬置线平均功率容量的方法技术

本发明专利技术公开一种计算介质集成悬置线平均功率容量的方法，通过热传递分析，实现SISL表面温度与输入功率之间对应关系的计算；通过将热流场类比与静电场，建立SISL的平行板热模型用于内部传热分析；通过数值建模和热传递分析，实现SISL在复合媒质传热情况下内部最高温度与输入功率之间对应关系的计算，从而实现SISL传输线的平均功率容量的快速计算。本发明专利技术提供了快速计算SISL传输线平均功率容量的方法，在采用SISL传输线进行电路设计的时候，可以快速估计出它所能承受的最大连续波功率，在利用SISL平台设计大功率电路时具有重要参考意义。意义。意义。

A method for calculating the average power capacity of dielectric integrated mounting line

【技术实现步骤摘要】
一种计算介质集成悬置线平均功率容量的方法


[0001]本专利技术涉及介质集成悬置线
，特别是涉及一种计算介质集成悬置线平均功率容量的方法。

技术介绍

[0002]传输线是微波和毫米波电路与系统最基本的组成部分。常用传输线分为平面结构和非平面结构。平面结构传输线主要有微带线、共面波导和槽线等，优点为容易实现电路、器件等的集成化，缺点为损耗大、平均功率容量低。非平面结构的传输线主要有金属波导和同轴线，优点为功率容量大、品质因数高，缺点为体积较大，难以与其他电路和器件集成。
[0003]基片集成波导(SIW)近年来受到广泛关注，其电场分布在电介质中所以损耗较大，严重影响平均功率容量，尽管充气SIW显著降低了介电损耗，但是其仍然存在无法与有源器件集成的缺点。
[0004]介质集成悬置线(SISL)因其低损耗、低成本、自封装、易于与其他传输线和器件集成的优势，已经在其上实现了很多高性能的射频微波电路。在大功率电路设计中，除了传输特性之外，温度特性也是应该重点考虑的一个因素。当电路传输连续波时，如果施加的连续波功率超出允许的极限，因为损耗导致的温度升高就会导致基板材料特性发生变化，影响电路性能，这个所允许的功率极限就是SISL的平均功率容量。
[0005]SISL在外表面的传热性能方面与SIW类似，在传输方向的横截面上外表面同样可以视为等温，但是SISL内部温度存在明显梯度，与SIW横截面上热均匀的热模型不相同。此外，对比同样是双导体传输线的微带线，因为SISL是由介质、金属和空腔构成的复合结构，微带线的热模型也同样不适用于SISL传输线。因为SISL具有良好的性能，其在大功率方面已经有了很多性能优异的应用，但是还没有关于SISL平均功率容量分析的方面的论述，为了保证SISL大功率电路稳定工作，急需一种能够分析计算SISL平均功率容量的方法，用于指导SISL传输线设计时在功率方面的考量。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种计算介质集成悬置线平均功率容量的方法，用于基于功率方面的考量指导SISL传输线设计。
[0007]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0008]一种计算介质集成悬置线平均功率容量的方法，包括：
[0009]S1.通过仿真获得SISL传输线的衰减常数，计算SISL传输线中产生的热流量Φ
gen
的第一表达式：Φ
gen
＝
‑
ΔP，ΔP表示SISL传输线上Δz长度上的功率变化量；其中，ΔP＝
‑
2αPΔz，P＝P0e
‑
2αz
，α为通过全波模拟器仿真获得均匀SISL传输线衰减常数，P为沿有耗传输线传输方向(z方向)上的功率流函数；P0表示输入功率，对应坐标z＝0；
[0010]S2.计算并SISL传输线外表面温度T
s
与热流量Φ
gen
之间关系，获得热流量Φ
gen
的第二表达式：
[0011][0012]其中，n和m分别为与对流和辐射边界相关的表面层数，h
c,i
为换热系数，A
i
为与对流相关的表面层面积，A
j
为与辐射相关的表面层面积，SISL传输线上Δz长度上的表面层面积A
i
和A
j
计算方法为SISL传输线的宽度或高度与Δz的乘积，其中上下水平表面的面积为宽度与Δz的乘积，左右垂直表面的面积为高度与Δz的乘积，σ为黑体辐射常数，ξ是与辐射相关的表面层的发射率，T
∞
为环境温度，式中和的上标为4次方；
[0013]S3.计算SISL传输线内部最高温度T
w
与热流量Φ
gen
之间关系，获得热流量Φ
gen
的第三表达式
[0014][0015][0016]其中，Φ
cond
表示，K
air
是空气的热导率，W
e
Δz是热传导的面积，W
e
表示将SISL传输线等效为平行板热模型受支撑信号线的基板影响被拓宽变宽后的宽度，h＝b/2，b为上下空腔总的高度，表示上下空腔内总的辐射换热量；ξ
c
是信号线的发射率，ξ
d
是介质的发射率，ξ
in
是底层PCB上表面和顶层PCB下表面材料的发射率，F
12
是从电路层到对应盖板的视角因子，w
air
表示传输线中的空腔宽度，w为信号线线宽，式中和的上标为4次方；
[0017]S4.计算SISL传输线的平均功率容量
[0018]通过热流量Φ
gen
的第一表达式、第二表达式以及第三表达式联立方程，得到两个关于输入功率P0和SISL传输线外表面温度T
s
的方程，将得到的两个方程组成方程组，通过解该方程组得到SISL内部最高温度达到介质的玻璃态软化温度T
g
时对应的输入功率P0，该输入功率P0为SISL传输线的平均功率容量。
[0019]本专利技术的方法通过热传递分析，实现SISL表面温度与输入功率之间对应关系的计算；通过将热流场类比与静电场，建立SISL的平行板热模型用于内部传热分析；通过数值建模和热传递分析，实现SISL在复合媒质传热情况下内部最高温度与输入功率之间对应关系的计算，可以实现SISL传输线的平均功率容量的快速计算。
[0020]本专利技术提供了快速计算SISL传输线平均功率容量的方法，在采用SISL传输线进行电路设计的时候，可以快速估计出它所能承受的最大连续波功率，在利用SISL平台设计大功率电路时具有重要参考意义。
附图说明
[0021]图1是SISL的三维示意图；
[0022]图2是SISL横截面示意图；
[0023]图3是空气填充的SISL横截面及其静电场、热流场示意图；
[0024]图4是空气填充SISL的等效平行板热模型示意图；
[0025]图5是SISL传输线的S参数曲线图；
[0026]图6是SISL传输线的衰减常数曲线图；
[0027]图7是SISL的温度云图。
具体实施方式
[0028]以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0029]如图1所示，本专利技术实施例的一种计算SISL传输线平均功率容量的方法，可以快速计算出SISL传输线的平均功率容量。其具体步骤为：
[0030]步骤一：通过仿真获得SISL传输线的衰减常数，计算SISL传输线中产生的热流量。
[0031]通过全波模拟器仿真获得均匀SISL传输线的衰减常数α，输入功率为P0时,SISL传输线上长度为z处的功率降为:
[0032]P＝P0e
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.计算介质集成悬置线平均功率容量的方法，其特征在于，包括步骤：S1.通过仿真获得SISL传输线的衰减常数，计算SISL传输线中产生的热流量Φ
gen
的第一表达式：Φ
gen
＝
‑
ΔP，ΔP表示SISL传输线上Δz长度上的功率变化量；其中，ΔP＝
‑
2αPΔz，P＝P0e
‑
2αz
，α为通过全波模拟器仿真获得均匀SISL传输线衰减常数；P为沿有耗传输线传输方向上的功率流函数；P0表示输入功率，对应坐标z＝0；S2.计算SISL传输线外表面温度T
s
与热流量Φ
gen
之间关系，获得热流量Φ
gen
的第二表达式：其中，n和m分别为与对流和辐射边界相关的表面层数，h
c,i
为换热系数，A
i
为与对流相关的表面层面积，A
j
为与辐射相关的表面层面积，SISL传输线上Δz长度上的表面层面积A
i
和A
j
的计算方法为SISL传输线的宽度或高度与Δz的乘积，其中，上下水平表面的面积为宽度与Δz的乘积，左右垂直表面的面积为高度与Δz的乘积，σ为黑体辐射常数，ξ是与辐射相关的表面层的发射率，T
∞
为环境温度，和的上标为4次方；S3.计算SISL传输线内部最高温度T
w
与热流量Φ
gen
之间关系，获得热流量Φ
gen
的第三表达式达式达式其中，Φ
cond
表示，K
air
是空气的热导率，W
e
Δz是热传导的面积，W
e
表示受支撑信号线的基板影响的平行板热模型的宽度，h＝b/2，b为上下空腔总的高度，表示上下空腔内总的辐射换热量；ξ
c
是信号线的发射率，ξ
d
是介质的发射率，ξ
in
是底层PCB上表面和顶层PCB下表面材料的发射率，F
12
是从电路层到对应盖板的视角因子，w
air
表示传输线中的空腔宽度，w为信号线线宽；S4.计算SISL传输线的平均功率容量通过热流量Φ
gen
的第一表达式、第二表达式以及第三表达式联立方程，得到两个关于输入功率P0和SISL传输线外表面温度T
s
的方程，将得到的两个方程组成方程组，通过解该方程组得到SISL内部最高温度达到介质的玻璃态软化温度T
g
时对应的输入功率P0，该输入功率P0为SISL传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：马凯学，孟世强，王勇强，闫宁宁，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：