专利名称：射频微波器件粗糙表面射频有效电导率的计算方法
技术领域：
本发明涉及一种电磁场、微波工程应用研究领域粗糙表面射频有效电导率的 分析计算方法，适用于射频微波器件的理论设计、仿真分析及工程应用。
背景技术：
表面粗糙度是指零件表面的微观几何形状误差，是零件表面质量的重要技 术指标。在零件加工过程中，往往由于机床、刀具、夹具、工艺、润滑、冷却 及工件的结构、材料等因素，导致零件表面产生这样或那样的缺陷，其中常见
的有:刀痕粗糙、鳞刺现象、划伤拉毛、刀花不匀、高频振纹等。其中最主要的 粗糙度即为刀痕粗糙，其产生及形成原因可从图1中刀痕粗糙形成原理一目了 然地得到理解，刀具在走刀过程中，由于刀刃前端的过渡圆弧R会在工件表面 形成行进波浪粗糙刀痕。
传统表面粗糙度的表述方法通常如图2所示，主要表述方法有轮廓算术平 均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz、轮廓最大高度Rv、轮廓微观不平度的平均 间距Sm等。这些传统几何学基础上的粗糙表面评判体系只包含局部一维信息， 不能充分考虑被测要素的二维及三维整体形貌特征。表面粗糙度不仅在机械上 对零件接触面的摩擦、运动面的磨损、贴合面的密封、配合面的可靠、旋转件 的疲劳强度以及抗腐蚀性能等有影响，而且对射频微波器件的电性能也有明显 影响。因为射频电流存在明显的集肤效应，电流只在微波器件的表层(厚度约 l-3倍趋肤深度)流动，而表面粗糙度的存在将明显增大表面电流的路径，从而 增加电磁能量损耗。
在电磁场、微波工程电路设计中，将实际粗糙表面所表现出的电导特性称
为射频有效电导率。射频有效电导率不同于材料的直流电导率。射频有效电导 率是随着表面质量的粗糙度变化而变化的，并与频率密切相关。然而迄今为止， 传统的理论分析方法及仿真软件都未能对其影响关系进行准确的研究和分析计 算， 一般仅凭设计师的经验来判别表面粗糙度对实际电性能的影响。同时即使 根据一般经验建立起丫表面粗糙度与电性能间的初歩模型，但由于所采用的粗 糙度描述模型仍为机械行业通用的i佳轮廓算术平均偏差Ra，往往与粗糙度影 响电性能的根本原理不一致。因此，仅靠轮廓算术平均偏差Ra无法准确反映表 面电流路径的增大幅度，得到的结论也与大量工程经验和实测数据不相吻合， 从而存在极大的不确定性。因此，这些建立在传统几何学基础上的粗糙表面评 判体系在研究表面粗糙度对微波器件表面电导性能的影响已显示出了严重的不 足。
发明内容
本发明的目的是建立一种可操作性强，同时又不改变实际表面粗糙度对表 面射频有效电导率的影响关系，通过比较实际粗糙表面中心电流线与理想表面 中心电流线的长度来确定粗糙表面射频电导率有效系数，从而计算射频微波器 件射频有效电导率的计算方法，以解决现有技术传统机械行业表面粗糙度描述 模型与表面粗糙度影响电性能的根本原理不一致的问题，以及目前计算射频有 效电导率仅靠经验判断而无理论基础的问题。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供的一种射频微波器件粗糙表面射 频有效电导率的计算方法，包括下列步骤
一种射频微波器件粗糙表面射频有效电导率的计算方法，包括下列步骤
在传统表面粗糙度模型基本参数"轮廓算术平均偏差Ra"基础上增加辅助 参数"表面轮廓长度率R1"，建立二维的表面粗糙度描述模型；
在测得实际轮廓表面粗糙度轮廓算术平均偏差基本参数Ra和表面轮廓长度 率辅助参数R1基础上，建立具有上述相同二维表面粗糙度值的等效简化三角波 粗糙表面数学模型；
结合射频电流趋肤效应和电流线路径最短原则，分析表面电流在简化三角 波粗糙表面的分布规律，确定电流在简化三角波粗糙表面的分布区域，确定中 心电流线的位置和表达式；
比较等效简化粗糙表面中心电流线的长度与理想表面中心电流线的长度， 得到实际粗糙表面的射频电导率有效系数，计算出射频有效电导率。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
首先本发明所建立的二维粗糙度描述模型弥补了传统几何学基础上的粗糙 表面评判体系只包含局部一维信息，未能充分考虑被测要素的二维、三维整体 形貌特征的缺陷。其次所建立的二维等效简化三角波粗糙表面数学模型简单，
可操作性强，同时不改变实际表面粗糙度对表面射频有效电导率的影响关系；
再其次是通过比较实际粗糙表面中心电流线与理想表面中心电流线的长度来确 定射频有效电导率的方法，避免了复杂的电磁场理论分析及数学运算过程，得 到的结论与大量工程经验和实测数据相吻合，可以圆满解决工程应用领域射频 有效电导率无法准确分析计算的问题。
下面结合附图和实施进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述 的实例范围之中。
图1显示的是工件在加工过程中刀痕粗糙形成的原理图。
图2显示的是实际表面轮廓曲线和表面粗糙度表征参数的传统表述示意图。 图3显示的是工件实际粗糙表面轮廓的示意图。
图4显示的是用于本发明实施的等效简化三角波粗糙表面轮廓示意图。
图5显示的是本发明确定的表面电流分布区域及中心电流线位置示意图。 图6显示的是本发明实施案例中的实测轮廓曲线图。
图7显示的是本发明实施案例中的经滤波处理的表面轮廓曲线图。
图8显示的是本发明实施案例中表面电流分布区域及中心电流线位置图。
具体实施例方式
根据本发明，依据图1、图2，在传统表面粗糙度模型基本参数"轮廓算术 平均偏差"Ra"基础上增加辅助参数"表面轮廓长度率"R1"，建立二维的表面 粗糙度描述模型，在此基础上进行射频有效电导率的分析计算。分四个步骤
首先用具有数据处理功能的接触式或非接触式粗糙度测量仪准确测量实际
轮廓表面粗糙度基本参数---轮廓算术平均偏差Ra和辅助参数——表面轮廓
长度率Rl，确保取样长度及评价长度方向与表面电流线的方向一致。
其次在已测得实际粗糙表面轮廓算术平均偏差Ra和轮廓长度率Rl的基础上 利用图3、图4所示实际粗糙表面轮廓与等效简化三角波粗糙表面轮廓的转换关
系，建立二维等效简化三角波粗糙表面数学模型。图中 等效简化三角波的高度// = 4/ fl ; 等效简化三角波的宽度W = 8—，2-1); 上两式中Ra是工件粗糙度轮廓算术平均偏差基本参数 Rl是表面轮廓长度率辅助参数
然后按如图5所示，结合射频电流趋肤效应和电流线路径最短原则，确定 电流在简化三角波粗糙表面的分布区域及中心电流线的位置。图中填充部分为 电流在简化三角波粗糙表面的分布区域，是将半径为3 S的圆的圆心在轮廓曲线 上移动所形成的包络区域，双点划线为中心电流线的位置，是相对轮廓曲线偏 移S，并以S为半径进行圆滑过渡处理的曲线。
图中S为射频电流趋肤深度，其值为^-Vl/(^vr)，式中f是射频电流
的频率，//。是材料磁导率，a是材料电导率；
R为中心电流线过渡圆弧半径，其值为S;
H是等效简化三角波的高度
W是等效简化三角波的宽度
最后比较等效简化三角波粗糙表面中心电流线的长度与理想表面中心电流
线的长度，得到实际粗糙表面射频电导率有效系数，从而计算射频有效电导率:
式中fc为射频电导率有效系数，其值为理想表面中心电流线与等效简化三 角波粗糙表面中心电流线的长度比，"为材料理想表面射频电导率，L为一个等 效简化三角波单元内中心电流线的长度，W为相对应的理想表面中心电流线的长 度，即一个等效简化三角波单元的宽度。
上述四个步骤可用以下实例来进行进一步的说明
设一射频微波器件如同轴波导谐振腔，其材料为纯铜，采用精铣加工工艺，
其理想表面射频电导率为5.88e7 (S/m)。工程设计时需要分析计算实际加工表 面质量条件下谐振腔壁的射频有效电导率。运用本发明方法计算过程如下
首先用表面轮廓测量仪得到如图6所示的实际表面轮廓曲线和经过如图7 所示的滤波处理的有效表面轮廓曲线，经过数据处理，表面粗糙度Ra二0.8um， 轮廓长度率Rl = 1.53;
其次根据实测Ra， Rl建立二维等效简化三角波粗糙表面数学模型，并同时 确定电流在等效简化三角波粗糙表面的分布区域及中心电流线的位置(如图8)。 其中等效简化三角波的高度为3.2 um，宽度为5.527 um，表面电流分布区域为 距轮廓表面2. 1 um的波浪形带状区域，中心电流线为距轮廓表面0. 7 um并以 0.7 um为半径进行圆滑过渡处理的曲线。
最后比较等效简化三角波粗糙表面中心电流线的长度与理想表面中心电流 线的长度，得到实际粗糙表面的射频有效电导率。通过计算，本例中一个等效 简化三角波粗糙表面中心电流线单元的长度为7. 62 um， 一个理想表面中心电流 线单元的长度为5. 53um，贝U:射频有效电导率
<formula>formula see original document page 7</formula>
权利要求
1. 一种射频微波器件粗糙表面射频有效电导率的计算方法，包括下列步骤在传统表面粗糙度模型基本参数“轮廓算术平均偏差(Ra)”基础上增加辅助参数“表面轮廓长度率(R1)”，建立二维的表面粗糙度描述模型；在测得实际轮廓表面粗糙度轮廓算术平均偏差基本参数(Ra)和表面轮廓长度率辅助参数(R1)基础上，建立具有上述相同二维表面粗糙度值的等效简化三角波粗糙表面数学模型；结合射频电流趋肤效应和电流线路径最短原则，分析表面电流在简化三角波粗糙表面的分布规律，确定电流在简化三角波粗糙表面的分布区域，确定中心电流线的位置和表达式；比较等效简化粗糙表面中心电流线的长度与理想表面中心电流线的长度，得到实际粗糙表面的射频电导率有效系数，计算出射频有效电导率。
2. 按权利要求1所述的射频微波器件粗糙表面射频有效电导率的计算方法，其特征在于，二维表面粗糙度描述模型和等效简化三角波粗糙表面数学模型间的关系由下列公式计算给出<formula>formula see original document page 2</formula>
3. 按权利要求1所述的射频微波器件粗糙表面射频有效电导率的计算方法， 其特征在于，电流在简化三角波粗糙表面的分布区域是半径为3 S的圆的圆心在 轮廓曲线上移动所形成的包络区域；中心电流线的位置是以5为半径进行圆滑 过渡处理的相对轮廓曲线偏移曲线，其中，射频电流趋肤深度"V1《^^)，式中f是射频电流的频率，//。是材料磁导率，C7是材料电导率。
4. 按权利要求1所述的射频微波器件粗糙表面射频有效电导率的计算方法， 其特征在于，射频有效电导率由公式^="^确定，式中^为射频有效电导率， ^为粗糙表面射频电导率有效系数，tr为材料理想表面射频电导率。
全文摘要
本发明提供一种射频微波器件粗糙表面射频有效电导率的计算方法，包括在传统表面粗糙度基本参数Ra基础上增加辅助参数Rl，建立二维表面粗糙度描述模型；在测得实际轮廓表面粗糙度基本参数Ra和辅助参数Rl基础上，建立等效简化三角波粗糙表面数学模型；确定电流在简化三角波粗糙表面的分布规律；比较粗糙表面中心电流线长度与理想表面中心电流线长度，计算得到实际粗糙表面的射频有效电导率。本发明弥补了传统几何学粗糙表面评判体系只包含局部一维信息，与粗糙度影响射频有效电导率的基本原理不符的缺陷，避免了复杂电磁场理论分析和数学运算过程，解决了工程应用领域粗糙表面射频有效电导率无法准确分析估算的问题。
文档编号G01R27/02GK101387665SQ20081004435
公开日2009年3月18日 申请日期2008年5月7日 优先权日2008年5月7日
发明者熊长武, 勇 王 申请人:中国电子科技集团公司第十研究所