电子装备机电耦合研究的现状与发展_段宝岩

评述中国科学:信息科学2015年第45卷第3期:299{312引用格式:段宝岩.电子装备机电耦合研究的现状与发展.中国科学:信息科学,2015,45:299{312,doi:10.1360/N112014-00307电子装备机电耦合研究的现状与发展段宝岩¬­¬电子装备结构设计教育部重点实验室,西安710071­西安电子科技大学机电科技研究所,西安710071E-mail:[e-mail]收稿日期:2014–10–16;接受日期:2014–11–20;网络出版日期:2015–02–06国家自然科学基金(批准号:51490661)资助项目摘要高精度电子装备被广泛应用于陆、海、空、天等各个领域.针对高性能、高精度电子装备中普遍存在的机电耦合问题,本文系统地介绍了国内外电子装备研制的机电分离、机电综合与机电耦合三个阶段的情况,重点讨论了机电耦合的概念、理论与方法,进而阐述了机电耦合研究的现状与内涵、主要进展、研究内容、研究热点及发展趋势.关键词电子装备机电分离机电综合机电耦合机电热场耦合影响机理1引言高性能复杂机电装备在我国国防建设、民用工业、高新技术等领域应用广泛,其技术水平是国家整体科技水平的重要体现.机电装备离不开机与电,按照两者之间的关系可分为两大类,一是以机械为主,电服务于机,如数控机床、汽轮机等,即应用电子信息技术来提升传统机械的性能,使机械执行系统更精密、更高效、更智能;二是以电性能为主,机服务于电,如微波天线(微波反射面天线、有源相控阵天线)、导弹天线罩、光学望远镜等(图1),其机械结构用于保障特定电磁性能的实现.电子装备是一个机电结合的系统,其特点是机电耦合,即机械结构(包括热)与电磁之间存在着相互影响、相互依存的关系[1].高精度电子装备电性能的成功实现不仅依赖于机械、电磁、传热等学科的设计与制造水平,更取决于不同学科之间的交叉与融合.遗憾的是,传统设计中,机械结构与电磁设计却是分离进行的,电磁设计人员依据工作频段与服役环境,提出对机械结构设计的要求,而机械工程师的任务就是千方百计地去满足这一要求,带有较大的盲目性.这就带来两个问题:一是电设计人员提出的设计与制造精度太高,往往超出机械结构设计与制造的能力;二是有时机械结构精度要求满足了,而电性能却不满足.致使电子装备研制周期长、成本高、结构笨重,严重制约了其整体性能的提高,并影响下一代装备的研制.可见,系统而深入地开展电子装备机电耦合问题的研究具有重要的理论意义和广阔的应用前景.高精度、高性能电子装备设计的发展,主要经历了机电分离、综合与耦合三个阶段.1980年以前,电子装备的工作频段较低,传统的分离设计可以满足要求,可称为昨天.第二阶段约为1980{2010年代,随着工作频段的提高,机电之间的相互影响明显了,机电分离设计遇到的问题越来越多,无法满足要求,于是,出现了机电综合设计.2010年以后,不仅工作频段进一步提高,带宽加大,而且组装密度越段宝岩:电子装备机电耦合研究的现状与发展图1四类典型复杂电子装备.(a)上海65m口径射电天文望远镜;(b)空空导弹及天线罩;(c)哈勃太空望远镜光学镜面;(d)远程反导预警雷达Figure1Severaltypicalcomplicatedelectronicequipments.(a)Shanghai65mdiameterradiotelescope;(b)air-to-airmissileandradome;(c)theHubblespacetelescopeopticallens;(d)remoteanti-missileearlywarningradar来越高、体积越来越小.这使得机电之间的联系和影响变得更为紧密,呈现出紧耦合的特征.于是,进入到机电耦合设计的新阶段.2高精度电子装备面临的挑战高精度电子装备在我国国防建设与社会经济发展中起着非常重要、不可替代的作用,但传统的机电分离设计导致了电子装备研制周期长、成本高、性能受限等严重问题.据不完全统计,机电分离设计对天线及微波馈线系统、雷达天线伺服系统、通信系统等典型高精度电子装备性能的影响达到60%70%,对研制周期的影响达到30%50%,对研制成本的影响达到30%50%[2].以下从三个方面加以分析.2.1高精度电子装备设计存在的问题虽然关于电子装备存在的问题很早就已被认识到,且一直进行着研究,但始终未从根本上解决问题.关键之处在于尚未从根本上发现或找到机电之间的影响规律、耦合机理,当然也未曾建立机电之间的耦合模型并提出耦合设计的理论与方法.这就导致高性能电子装备的设计多处于分离、凭经验进行的层面.以某机载火控雷达平板裂缝天线为例,根据现有电磁理论分析,我国所要求的制造精度为:波导槽、缝槽及辐射缝偏心尺寸公差0.020.03mm,而俄罗斯的公差要求为0.05mm,但俄罗斯研制的天线电性能却与我国的相当.因我国平板裂缝天线制造过程复杂、工艺难度大,使得产品研制周期300中国科学:信息科学第45卷第3期长、合格率低且成本高昂.又如某散射通信系统的关键设备||电调双工滤波器,当传动、位置等误差引起的插入损耗每增大1dB时,通信作用距离将缩短10km,因其是通过机械传动来实现500个频率点的准确定位的,对其结构精度(如光洁度、不垂直度等)要求甚高.而仅凭经验调试机械传动误差代价很大,实际生产中的成品率仅为30%40%,每件产品的调试时间长达4天.2.2高精度电子装备发展需求随着国防、航天等领域的快速发展,高精度电子装备的发展趋势是:高频段、高增益,高密度、小型化、快响应、高指向精度.如为实施萤火计划研制的35m口径S/X/Ka三波段反射面天线的增益要求达到77dB,这就要求天线具有很高的反射面形面精度(r.m.s.0.3mm)和较高的发射功率.其设计存在两个难点:一是反射面保型,即如何在所有工作姿态下达到要求的形面精度;二是机电耦合,即如何设计结构来保证电性能.显然,解决上述难点的唯一途径就是进行机电耦合设计.同时,随着航空、航天等高技术发展,要求电子装备中元器件、子系统的密度越来越高,而体积却越来越小.如工作于S频段的预警机有源相控阵雷达,为实现同时对数百个目标的跟踪,需采用上千个T/R组件.虽然每个T/R组件的自重只有几百克,但附加冷却系统固定安装后却重达几十公斤,与馈电系统组装后整个子阵重量达数百公斤,机械结构部分占了整个系统重量的约70%.而工作于X频段的四代机有源相控阵雷达具有几千个T/R组件,每个组件封装在一元硬币大小的模块中,其热流密度很高.而对于大功率微波集成电路、高通量处理器等高密度组装设备来说,其热流密度甚高,已达101000W/cm2.对具有目标跟踪要求的电子装备,不仅要求指向精度高,而且要求具有很快的响应速度与加速度.如某舰载近程反导武器系统的火控雷达天线固连于火炮支架上,为有效地拦截来袭导弹,要求在每分钟发射数千发炮弹的剧烈冲击下,雷达天线具有极高的角速度、角加速度和指向精度要求.因此,研制中必须突破隔振、轻量化及快速跟踪等难点.可见,上述现代电子装备的三大发展趋势使得传统的机电分离设计问题日益突出.2.3高精度电子装备的研究意义高精度电子装备属国家重大需求,应用领域广泛,对陆、海、空、天等领域的电子信息综合平台的整体性能、安全性与可靠性意义重大.在下一代预警机、无人机、大飞机、深空探测、载人航天、深空探测器、航母、核潜艇、深海探测、微系统、新能源、太空发电站等国家重大专项和新型武器装备研制中,有诸多与电子装备机电耦合关系紧密的科学与技术问题亟待解决,迫切需要继续深入、系统地开展机电耦合方面的基础与应用基础研究.高精度电子装备机电耦合理论的突破,可望带来显著的社会效益与经济效益.以中国电子科技集团公司为例,每年承担约1000亿元人民币的电子装备研制任务,通过解决机电耦合领域的相关问题,将会降低研制成本约10%、缩短研制周期20%,同时装备的性能与可靠性都能得到相应提高,必将带来明显的社会与经济效益.综上所述,传统的机电分离设计严重影响了我国航天和国防重大装备与工程的发展,已成为一个长期制约电子装备性能提高并影响下一代装备研制的瓶颈问题.因此,迫切需要深入开展电子装备机电耦合的基础研究和关键技术攻关.301段宝岩:电子装备机电耦合研究的现状与发展3电子装备机电耦合研究的现状与内涵如上所述,电子装备是以电磁信号的发射、接收、传输、处理及显示等为目标,以机械结构为载体的特殊机电装备.其机电耦合的内涵包括两方面,一是对于具有高分辨率、高灵敏度等电性能要求的装备,其电性能对机械结构精度非常敏感;二是对于机械结构部分而言,要求其具有满足电性能指标的极高的机械结构精度,而不是一般意义上的机械加工与装配精度.近年来许多国内外学者从不同角度对电子装备机电耦合问题展开了研究.3.1部件级国外对部件级电子装备的机电耦合问题已进行了较为系统的研究,并取得了一定的成果,主要表现为以下4点.(1)超声换能器:换能器带宽,即传输机械能对存贮总能量的比值,取决于机电耦合系数.实验结果表明,换能器中的串联电容对机电耦合系数无影响,而并联电容会降低机电耦合系数,即机械能的传输效率会影响换能器的带宽[3].(2)磁通感应加热设备:主要是如何对感应器进行优化设计.首先,通过求解稳态电流(电磁)与热的耦合问题,得到感应能量分布,并作为后续热计算的输入,进而得到温度分布,然后基于温度场进行感应器的优化设计[4].(3)感应电机:转子与能量供应之间存在着机电耦合问题.由于感应电机开始工作时的能量供应不是正弦规律,对于这种机电耦合问题,一般是基于有限元矩量方程,对电路方程和机电方程同时求解来保证电机的工作[5].(4)波纹喇叭波导:因波导的波纹形状对高功率微波传输的损耗与衰减有明显影响,即波导结构因素(如尺寸、精度)对其电性能有着制约作用,解决此类机电耦合问题时,可采用一个确定数学函数给出连续波纹形状,进而代入波导传输损耗公式进行分析[6].3.2系统级系统级电子装备机电耦合方面的研究较少,且不系统.如对通信卫星天线而言,移动通信卫星系统常应用轻质的多波束反射面天线,但在轨天线反射面的热变形对天线增益影响很大,故多采用波束阵列馈源来进行补偿[7].对柔性卫星天线而言,热作为外载荷,应用机电热综合优化方法,以电性能指标为约束,通过优化结构布局来提高天线的电与结构性能[8].对设备的热场分布而言,一般是结合工作环境与指标要求,进行各种电子设备的散热方式选择和散热系统设计,并通过实验测试给出相应问题的解决策略[9].3.3国内基础理论和工程实践情况我国自20世纪80年代以来陆续开展了微波电子装备的机电耦合问题研究,有代表性的包括:(1)双反射面天线副面撑腿:根据不同载荷对天线结构变形的影响,为减小遮挡,以天线效率为目标,优化副面撑腿结构尺寸[10].(2)馈源相位中心:基于反射面天线馈源相位中心的概念,通过优选结构尺寸来达到提高变形反射面天线电性能的目的[11].(3)波导缝隙天线:分析阵面平面度组成因素与评定方法,来指导结构设计和公差分配[12].302中国科学:信息科学第45卷第3期(4)相控阵天线:基于相控阵天线阵面随机误差均值与副瓣电平抬高的近似公式,进行以结构重量和副瓣电平为目标的机电综合优化设计[13].自20世纪60年代,我国工程技术人员在实践中发现,电子装备电磁性能与机械结构存在着某种联系,但始终未在理论层面上得到系统解决.比如,中国电子科技集团公司所属研究所的工程技术人员,尤其是机械结构设计与工艺人员,在工程实践中发现了许多问题与矛盾,虽然用尽各种方法(加工设备与手段),但往往仍难以满足电讯设计人员对加工制造精度提出的要求.同时,在电子设备的最终调试中又时常会发现,付出高昂代价而达到精度要求的产品并不一定能保证满足电性能指标.尽管机械结构设计与工艺人员开始思考这一问题,并从实践中总结归纳出一些经验,但范围、层次有限,缺乏一般指导意义.另外,随着技术人员的流