微波部件多物理场耦合实验与分析研究

为了提高微波部件多物理场分析的精度，还需要根据部件上校准点的温度和应力实验实测值来对多物理场耦合分析进行修正，流程如图3－11 所示。首先对微波部件几何结构进行数值建模，并赋予材料参数，建立边界条件，开展多物理场耦合分析，获得微波部件上温度和应力的分布。在微波部件上选取恰当的点来作为校准点，通过多物理场参量测量来实验测量该校准点的温度和应力分布，构建误差校准函数，修正分析算法，再次进行多物理场分析，得到精度更高的多物理场分析结果。

图3-11　多物理场实验校准分析流程

基于PIM 测试系统，引入多物理参量测量模块，开展微波部件的多物理参量检测。本实验所采用的温箱温度循环范围为－40 ～80 ℃，最快升温速度为每分钟1.5 ℃左右，最快降温速度为每分钟2 ℃左右，稳定温度精度为0.1 ℃。温度传感器采用热电偶，应力传感器采用应力应变片，通过数据采集设备进行数据采集和处理。

由于多物理场耦合效应作用区域不同，因此微波部件表面大部分区域的物理响应很小。而传感器的精度和线性范围是固定的，如果传感器（特别是应变片）工作在形变比较小的位置，那么将直接导致测量结果的精度变差。因此，各部件表面标定点的选择需参考电－热－应力约束条件下PIM 分析评价平台的仿真结果，并考虑以下因素：标定点位于部件表面，便于固定传感器，且不会影响部件的PIM 特性；标定点所处区域具有明显的形变，能够使传感器工作在最佳动态范围之内；通过仿真分析得出标定点的应变趋势，确定应变片的传感方向。

针对特定的微波部件，通过拟合该部件在各个温度采样点的多物理场响应误差，实现电－热－应力约束条件下PIM 和多物理场响应的可靠仿真分析。针对波导法兰连接结的实验验证，利用以上的校准流程，本实验得出了在多物理场耦合约束下的物理响应和PIM 情况，并拟合出了部件温度和应力的误差校准曲线，如图3－12 所示。图3－12（a）所示的曲线为波导法兰连接结在230 ～353 K 之间通过实验测量标定点获取的仿真误差校准拟合曲线。在得到误差校准曲线之后，便可对仿真结果进行误差校准，得到经过实验验证校准的分析结果。经过这样的校准后，便可实现部件表面任意点、任意环境温度下的多物理场响应分析。

图3-12　波导法兰连接结温度和应力的误差校准函数

（a）温度误差校准函数；（b）应力误差校准函数(www.xing528.com)

这里以波导法兰连接结为例，端口输入功率为25 W，频率为2.4 GHz，传播模式为TE10模，时间为0 ～5 ×105 s，时间步长为1 000 s，仿真得到的法兰盘交界接触面上波导壁内侧温度最高点的温度变化情况如图3－13 所示。可以看到，在前1.5 ×105 s 波导法兰连接结的温升速率最快，其后速率逐渐减小。由于热传导缓慢，因此需要一定时间才能达到温度平衡。

图3-13　波导法兰连接结法兰盘交界接触面上波导壁内侧温度最高点的温度变化

法兰盘交界接触面上波导壁内侧应力最大处的应力随时间的变化情况如图3－14 所示。

图3-14　法兰盘交界接触面上波导壁内侧应力最大点的应力变化

仿真结果表明，温度场和应力场都在一定时间后均呈现稳态平衡。