某X頻段魔T結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

程有偉 羅蓉 王欣

摘 要：結(jié)合工程測(cè)試中遇到問(wèn)題，對(duì)某X頻段微波關(guān)鍵件魔T進(jìn)行分型設(shè)計(jì)，給出了兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)匹配體位置偏差進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并結(jié)合HFSS仿真軟件對(duì)該偏差值進(jìn)行仿真驗(yàn)證計(jì)算。對(duì)于X頻段以上的魔T結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要采用匹配體與腔體一體化設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)焊接工藝孔。在保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和成品率上有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：分型設(shè)計(jì) 數(shù)值計(jì)算 一體化設(shè)計(jì) 焊接工藝孔

引言

某項(xiàng)目測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)饋源網(wǎng)絡(luò)某頻段兩個(gè)輸出口軸比指標(biāo)較差，只有0.8dB，而系統(tǒng)驗(yàn)收指標(biāo)是0.5dB。經(jīng)過(guò)逐級(jí)器件測(cè)試和排查，最后定位到網(wǎng)絡(luò)中魔T性能很差，魔T和差端口隔離只有26dB，與仿真計(jì)算值偏差較大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的電性能。最終問(wèn)題定位到魔T腔體中的匹配錐位置與理論位置存在偏差，且存在焊縫。魔T具有優(yōu)良的功率分配特性、和差特性及端口匹配特性。但是隨著帶寬的擴(kuò)大和頻率的提高，對(duì)魔T腔體中的匹配體尺寸公差、位置公差、裝配公差及焊接工藝由很高的要求。為解決因匹配體位置偏差和存在焊縫的問(wèn)題，對(duì)魔T進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，增添焊接工藝槽和工藝孔，在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行把控，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。

1魔T設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

1 魔T介紹

魔T是一個(gè)4端口器微波器件，主要由主腔體和匹配體組成，如圖1所示。魔T有如下重要特性[1]：

1）四端口完全匹配;

2）不僅E臂和H臂互相隔離，而且兩側(cè)壁（即1、2臂）也互相隔離;

3）進(jìn)入一側(cè)臂的信號(hào)，將由E臂H臂等分輸出，而不進(jìn)入另一側(cè)臂;

4）進(jìn)入H臂的信號(hào)，將由兩側(cè)臂等幅同相輸出，而不進(jìn)入E臂;

5）進(jìn)入E臂的信號(hào)，將由兩側(cè)臂等幅反相輸出，而不進(jìn)入H臂;

6）若兩側(cè)臂同時(shí)加入信號(hào)，E臂輸出信號(hào)等于兩輸入信號(hào)相量差的倍，

H臂輸出信號(hào)等于兩輸入信號(hào)相量和的倍。所以E臂稱為差臂，H臂稱為和臂。

匹配體的作用是消除各路信號(hào)的反射，實(shí)現(xiàn)四個(gè)端口的匹配。

2 魔T的類型

依據(jù)帶寬及性能指標(biāo)參數(shù)，魔T的主要區(qū)別在于頻段口徑、匹配體的尺寸、位置及形狀的不同。常見(jiàn)魔T的匹配體形狀及離壁位置如圖2所示，其中匹配錐緊貼側(cè)壁類型的魔T在工程中應(yīng)用較廣。魔T常用的材料是鋁材或銅材。

3.魔T結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

魔T常用實(shí)現(xiàn)形式是將匹配體與主體分離，與主腔體采用拼焊的方法實(shí)現(xiàn)。該方法的缺點(diǎn)如下：

1）由于匹配體下端面與主體下壁接觸面積較大，采用銀釬焊或鋁釬焊時(shí)在接觸面位置存在縫隙、虛焊、局部的翹曲變形。

2）匹配體定位措施不合理和軸孔尺寸配合較大，匹配體在主腔體內(nèi)定位精度較差，易發(fā)生偏移或傾斜。

上述缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響魔T的功率分配、駐波、端口隔離、幅度相位等性能，使得器件無(wú)法使用。

3 魔T的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

魔T是微波傳輸線的一種。傳輸線的物理長(zhǎng)度與傳輸波長(zhǎng)（在傳輸線中）的比值為電長(zhǎng)度。隨著頻率的提高，器件的電長(zhǎng)度數(shù)值就越小，對(duì)尺寸精度和位置精度要求就越高。以某X頻段魔T為設(shè)計(jì)案例，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。魔T結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1）匹配體的和主腔體的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

2）匹配體相對(duì)于和端口和差端口位置進(jìn)度設(shè)計(jì)

3）匹配體與主腔體的焊接工藝及焊接方式

3.1魔T的分型設(shè)計(jì)

1）匹配體與腔體底板分離設(shè)計(jì)

魔T由側(cè)口波導(dǎo)、匹配體、主腔體、底板組成，如圖3所示。各零件由精密加工設(shè)備完成加工，尺寸精度取決于設(shè)備的加工精度和。并將各零件進(jìn)行精密裝配和銀釬焊焊接。匹配體下端圓止口直徑為Φ9mm，尺寸上偏差為-0.02mm，尺寸下偏差為-0.05mm。底板定位孔直徑為Φ9mm，尺寸上偏差為+0.03mm，尺寸下偏差為0mm。裝配尺寸偏差最大值為0.08mm，位置偏差為0.04mm。側(cè)口波導(dǎo)的位置偏差為0.04mm。主體與底板的位置偏差為0.075mm。

匹配體位置相對(duì)與中體面偏差為：

2）匹配體與腔體底板一體化設(shè)計(jì)

魔T由主腔體、匹配體組成，如圖4所示。匹配體與底板及設(shè)計(jì)成一體，附帶法蘭的小部分，一體化設(shè)計(jì)和加工。主腔體和大部分法蘭一體設(shè)計(jì)，一體化設(shè)計(jì)和加工。

主腔體和匹配體采用銷釘定位，兩部分位置尺寸偏差為0.015mm，尺寸位置進(jìn)度為0.015mm。

3.2焊接工藝槽及工藝孔設(shè)計(jì)

微波元器件根據(jù)主體材料的不同，焊接工藝及焊接裝配的縫隙也是不同的。鋁材元器件采用鋁釬焊，通常用爐焊釬焊法。銅材元器件采用銀釬焊，通常采用火焰釬焊法。釬焊時(shí)，焊件是依靠熔化的釬料凝固后連接起來(lái)而使兩被焊件連接?；鹧驸F焊時(shí)，將釬劑預(yù)先涂覆在接口表面或者先將釬料棒加熱，沾以釬劑，然后帶到經(jīng)均勻加熱達(dá)到釬焊溫度的待焊表面。為確保釬料均勻地流布填充間隙，就必須在適當(dāng)位置設(shè)計(jì)焊接工藝槽或工藝孔，以達(dá)到理想的焊接要求，

在匹配體與主腔體分離方案中，匹配體下端面和主腔體側(cè)面接觸面積較大。為解決熔化的焊料毛細(xì)作用范圍有限的問(wèn)題，在匹配體下端面和主腔體側(cè)面設(shè)置焊接工藝孔，用于預(yù)埋焊料和助焊劑，如圖3所示。確保決焊接處不存在焊縫和虛焊問(wèn)題，提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

在匹配體與腔體底板一體化設(shè)計(jì)方案中，焊縫主要位于匹配體的側(cè)面和主腔體接觸面的位置，焊縫較少，如圖4所示。主腔體側(cè)壁設(shè)計(jì)焊接工藝孔，避免焊接缺陷的存在。

4 HFSS中尺寸偏差值仿真驗(yàn)證

在HFSS仿真軟件中，將匹配體位置調(diào)整量設(shè)置為核算后的尺寸偏差值，并進(jìn)行仿真計(jì)算。

經(jīng)仿真驗(yàn)證，在匹配體與主腔體分離方案中，匹配錐的加工誤差對(duì)端口駐波和EH臂的端口隔離都有巨大的影響，偏離0.047mm后，一方面駐波由-28dB變?yōu)?18dB，急劇降低系統(tǒng)的駐波性能，另一方面EH臂的隔離由-54dB變?yōu)?22dB，對(duì)系統(tǒng)軸比有很大影響，如圖5和圖6所示。該位移偏差值到了Ku頻段、Ka頻段或更高的頻段的元器件時(shí)，會(huì)造成更大的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某X頻段魔T設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)匹配體的位移偏差進(jìn)行了計(jì)算和分析，將核算的數(shù)值帶入HFSS仿真軟件，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。對(duì)與X以上的頻段，魔T器件性能指標(biāo)要求高的項(xiàng)目中，須采用匹配體與腔體底板一體化設(shè)計(jì)方案，器件裝配精度可以得到保證，同時(shí)也減少了焊接缺陷的存在，大大提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和成品率。為類似微波關(guān)鍵器件的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路和參考。具有較大的工程價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]張潤(rùn)逵.雷達(dá)結(jié)構(gòu)于工藝.上冊(cè).電子工業(yè)出版社，2007.4.

作者簡(jiǎn)介：

程有偉 男，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 39 研究所衛(wèi)星應(yīng)用事業(yè)部工程師，主要從事微波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

羅蓉 女，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 39 研究所衛(wèi)星應(yīng)用事業(yè)部工程師，主要從事微波天線方面的研究工作。

王欣 女，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 39 研究所衛(wèi)星應(yīng)用事業(yè)部工程師，主要從事微波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。