胡國(guó)高

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

一種腔體濾波器懸臂螺旋振子的抗沖振優(yōu)化設(shè)計(jì)?

胡國(guó)高

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

針對(duì)大功率腔體濾波器螺旋振子剛度小，在載機(jī)環(huán)境條件下特性響應(yīng)曲線不穩(wěn)定的問(wèn)題，提出了一種螺旋振子的抗沖振創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路與方法。通過(guò)鋁材銑制成梯形截面螺旋振子增加其剛度，采用對(duì)稱局部環(huán)抱的異形結(jié)構(gòu)件對(duì)懸臂螺旋振子進(jìn)行加固以提高抗沖振能力。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的振子順利通過(guò)載機(jī)環(huán)境試驗(yàn)考核和電性能指標(biāo)測(cè)試。該設(shè)計(jì)方案已成功應(yīng)用于大功率跳頻濾波器設(shè)備中，效果良好。

腔體濾波器；跳頻濾波器；懸臂；螺旋振子；抗沖振設(shè)計(jì)

1 引言

在現(xiàn)代軍事電子通信系統(tǒng)中，濾波器是其中的重要部件之一，其各項(xiàng)性能的好壞直接影響通信系統(tǒng)的接收靈敏度和發(fā)射功率［1］，而腔體濾波器因具有穩(wěn)定的電性能指標(biāo)、較高的可靠性、優(yōu)越的綜合性能而被廣泛應(yīng)用。腔體濾波器主要指標(biāo)是插入損耗和駐波，根據(jù)文獻(xiàn)［2］的研究結(jié)論，諧振腔尺寸匹配性與諧振振子的穩(wěn)定性分別是插入損耗和駐波的主要影響因素。腔體濾波器在其諧振腔尺寸一定的情況下，要降低其插入損耗，內(nèi)部諧振振子尺寸和諧振腔需要匹配，同時(shí)諧振振子在諧振腔內(nèi)合理布局，使諧振腔內(nèi)部電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布科學(xué)合理且相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)查閱相關(guān)資料，以往典型濾波器的螺旋式諧振振子大多數(shù)是用銅絲繞制而成，銅絲繞制的螺旋振子自身剛度差，加工工藝過(guò)程復(fù)雜，加工裝配公差很難控制，難于采取有效措施控制其振動(dòng)響應(yīng)量，其固有頻率相對(duì)較低，容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，諧振振子擺動(dòng)而改變腔體濾波器的內(nèi)部電磁場(chǎng)分布，影響其組成器件的電性能。

隨著電子產(chǎn)品的載機(jī)環(huán)境適應(yīng)性要求的不斷提高，腔體濾波器的振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性越來(lái)越受到人們的關(guān)注，要降低腔體濾波器的插入損耗，減小體積和重量，需對(duì)腔體濾波器諧振振子的結(jié)構(gòu)形式和加固方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，振子加固介質(zhì)材料進(jìn)行應(yīng)用研究，因此諧振振子的抗沖振優(yōu)化設(shè)計(jì)與加固材料應(yīng)用研究在腔體腔濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有尤為重要的地位。

2 諧振腔濾波器理論模型

腔體濾波器的諧振振子采用鋁材銑制成的梯形截面螺旋振子，據(jù)模態(tài)分析理論［3］，腔體濾波器諧振振子可視作一個(gè)多自由度懸臂梁振動(dòng)系統(tǒng)，其理論模型如圖1所示。

圖1 腔體濾波器理論模型Fig.1 The theoreticalmodel of cavity filter

據(jù)模態(tài)分析理論，其動(dòng)力學(xué)方程如式（1）所示：

式中，｛f｝為N維激振力向量；｛x｝、｛x·｝、｛x·｝分別為N維位移、速度和加速度響應(yīng)向量；［M］、［C］、［K］分別為振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量與剛度矩陣。對(duì)式（1）作攝動(dòng)變形，可得式（2）：

式中，ΔM、ΔC、ΔK與Δf分別是質(zhì)量矩陣［M］、阻尼矩陣［C］、剛度矩陣［K］與外部激勵(lì)力向量｛f｝的攝動(dòng)量。

由式（2）可知，降低外部環(huán)境機(jī)械振動(dòng)對(duì)腔體濾波器的影響的基本途徑有兩個(gè)：其一，減小外部環(huán)境對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的激勵(lì)力，即實(shí)現(xiàn)上式中的｛f+Δf｝；其二，改變振動(dòng)系統(tǒng)本身的動(dòng)力學(xué)特性，提高抗振動(dòng)影響的能力，即實(shí)現(xiàn)上式中的［M+ΔM］、［C+ΔC］與［K+ΔK］。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，改變腔體濾波器的外環(huán)境振動(dòng)力一般不易實(shí)現(xiàn)，提高腔體濾波器的懸臂螺旋振子抗振性的主要途徑是改變振動(dòng)系統(tǒng)的［M］、［C］、［K］。就具體實(shí)現(xiàn)方法而言，則有結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改提高螺旋振子的動(dòng)剛度，即改變［M］和［K］；附加振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，即改變［C］。

而結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改方法是通過(guò)修改系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性使振動(dòng)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)力學(xué)特性以達(dá)到抗沖振目的，它不需要增加任何附加部件，一般是優(yōu)先選擇的振動(dòng)控制方法，但是腔體濾波器的螺旋振子是懸臂梁結(jié)構(gòu)形式，修改系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性有限，需要在改善系統(tǒng)本身動(dòng)力學(xué)特性的同時(shí)增加加固結(jié)構(gòu)件。本文將以改變螺旋振子剛度和增加結(jié)構(gòu)加固件進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改振動(dòng)分析與抗沖振控制設(shè)計(jì)，找到一種腔體濾波器抗沖振創(chuàng)新設(shè)計(jì)與優(yōu)化的思路和方法。

3 加固介質(zhì)材料選擇

腔體濾波器要滿足低插損、大功率要求，在確定螺旋振子結(jié)構(gòu)剛度情況下，使加固介質(zhì)材料對(duì)電性能指標(biāo)影響最小。螺旋振子對(duì)稱放置在微波腔中，接地端設(shè)計(jì)在腔體側(cè)壁，使其表面電流相對(duì)穩(wěn)定，電場(chǎng)分布相對(duì)均勻，磁場(chǎng)變化相對(duì)較小。螺旋振子通過(guò)接地端與腔體連接，形成懸臂簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)螺旋振子增加加固介質(zhì)以改變［C］，提高抗沖振性能。通過(guò)查閱工程材料手冊(cè)［4］及對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試，采用使用溫度廣泛、介電常數(shù)與介電損耗較好且加工性能良好的聚四氟乙烯作為加固介質(zhì)材料最優(yōu)，滿足電子設(shè)備的工作溫度范圍（-55℃～+70℃）的要求，且對(duì)腔體濾波器的插入損耗等電性能指標(biāo)影響最小。

4 抗沖振設(shè)計(jì)

腔體濾波器主要由諧振腔和分布在諧振腔內(nèi)的一系列諧振振子組成，諧振腔可以認(rèn)為是一個(gè)強(qiáng)度足夠的剛體，其抗沖振設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，因而抑制諧振振子的振動(dòng)響應(yīng)量或降低共振放大率便成為該類濾波器抗沖振設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。由于螺旋式諧振振子是一種懸臂梁結(jié)構(gòu)形式，在車載、機(jī)載等嚴(yán)酷環(huán)境條件下，諧振振子會(huì)在腔內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)，同時(shí)可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使其振動(dòng)響應(yīng)量變大，需約束該螺旋式諧振振子的自由度，對(duì)其進(jìn)行抗沖振優(yōu)化設(shè)計(jì)，抑制振動(dòng)響應(yīng)量和降低共振放大率，防止振動(dòng)環(huán)境下改變腔體濾波器內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布，以解決腔體濾波器性能穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題。

諧振振子的抗沖振優(yōu)化設(shè)計(jì)主要對(duì)振子本身剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)和采用非金屬加固結(jié)構(gòu)件對(duì)其自由度進(jìn)行限制。為了提高諧振振子自身剛度和固有頻率，典型銅絲繞制的諧振振子常采用增加振子線圈直徑和與之匹配的諧振腔尺寸，其體積和重量無(wú)法減小。同時(shí)對(duì)銅絲繞制的懸臂諧振振子灌封加固，增加約束，提高其抗沖振性，其維修工藝性差，灌封對(duì)諧振腔內(nèi)部電磁場(chǎng)有一定影響，會(huì)增大插入損耗，降低電性能指標(biāo)。對(duì)諧振振子結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)新結(jié)構(gòu)的螺旋振子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析和電性能仿真，在腔體尺寸已定條件下，制作多種銅絲繞制線圈和截面尺寸不同的梯形螺旋振子，對(duì)比螺旋振子剛度和電性能指標(biāo)，得出采用鋁材銑制而成的梯形螺旋式諧振振子自身剛度較好，可以減小其振動(dòng)響應(yīng)量和降低其共振放大率。同時(shí)對(duì)其進(jìn)行抗沖振控制設(shè)計(jì)，創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)加固件的結(jié)構(gòu)形式，提高系統(tǒng)的一階固有頻率，避免在車載、機(jī)載環(huán)境條件下產(chǎn)生共振現(xiàn)象。但是任何加固介質(zhì)的加入都會(huì)改變腔體濾波器內(nèi)部的介電常數(shù)，增加內(nèi)部介電損耗，影響諧振腔內(nèi)部電磁場(chǎng)分布［5-6］，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)加固介質(zhì)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行多次仿真及優(yōu)化迭代設(shè)計(jì)，制作了灌封、全部嵌套、局部?jī)?nèi)嵌和局部環(huán)抱結(jié)構(gòu)樣件，結(jié)合試驗(yàn)件實(shí)物測(cè)試，確定螺旋式諧振振子的加固介質(zhì)結(jié)構(gòu)形式采用異形局部環(huán)抱結(jié)構(gòu)方式對(duì)其性能影響最小。螺旋振子環(huán)抱加固結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。通過(guò)測(cè)試儀器對(duì)腔體濾波器的插入損耗進(jìn)行測(cè)試，在腔體濾波器加入異形局部環(huán)抱加固件后的插入損耗只比原來(lái)的降低0.002 dB，對(duì)性能幾乎沒(méi)有影響。該加固技術(shù)對(duì)懸臂螺旋振子進(jìn)行有效加固，保證了性能指標(biāo)的穩(wěn)定，滿足較為嚴(yán)酷的機(jī)載、車載環(huán)境條件要求。

圖2 螺旋振子環(huán)抱加固結(jié)構(gòu)形式Fig.2 The strengthening structure of helix resonator

5 仿真分析

腔體濾波器中的螺旋式諧振振子在實(shí)際工作條件下，常因?qū)拵щS機(jī)振動(dòng)使其自由端產(chǎn)生相對(duì)較大位移而改變諧振腔內(nèi)部電磁場(chǎng)分布，導(dǎo)致器件性能下降，在濾波器高可靠性、高集成化的趨勢(shì)下，對(duì)螺旋式諧振振子的結(jié)構(gòu)形式和抗沖振設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)勢(shì)在必行。由于主要分析螺旋振子的固有頻率，將腔體作為理想剛體，因此在本文分析中，主要建立螺旋振子的有限元模型。在UG中建立螺旋振子的實(shí)體模型，然后導(dǎo)入ANSYS中對(duì)其進(jìn)行有限元分析。諧振振子是螺旋式銑制微彈性結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)形式微螺旋狀，此設(shè)計(jì)中采用HEX單元來(lái)模擬螺旋振子實(shí)體。在螺旋振子沒(méi)有進(jìn)行加固設(shè)計(jì)的情況下進(jìn)行模態(tài)分析及隨機(jī)振動(dòng)分析，將接地端與腔體壁簡(jiǎn)化為剛性連接，其螺旋振子的一階振型見(jiàn)圖3。將螺旋振子的6個(gè)自由度進(jìn)行約束，選擇block-lanczos模態(tài)擴(kuò)展方法進(jìn)行模態(tài)分析［7］，螺旋振子加固后的一階振型見(jiàn)圖4。

圖3 振子的一階陣型Fig.3 The firstorder system of resonator

圖4 振子加固后的一階陣型Fig.4 The firstorder system of strengthened resonator

從圖3可看出，不加固的螺旋振子位移變化較大，明顯改變了腔體內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布，對(duì)該類濾波器的電性能影響較大，不能在車載、機(jī)載環(huán)境下正常工作，必須對(duì)螺旋振子進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。從圖4可看出，加固后的螺旋振子位移變化明顯變小，對(duì)腔體內(nèi)部的電磁場(chǎng)改變相對(duì)較小，能夠在車載、機(jī)載環(huán)境下正常工作。

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)螺旋振子進(jìn)行電性能測(cè)試，從圖5的測(cè)試曲線可看出，在螺旋振子工作情況下，不加固的螺旋振子位移變化較大，駐波較大，特性響應(yīng)極差，曲線抖動(dòng)較厲害，電性能指標(biāo)不穩(wěn)定，不能滿足車載、機(jī)載環(huán)境下的正常工作。從圖6的測(cè)試曲線可看出，加固后的螺旋振子位移變化較小，駐波較小，特性響應(yīng)較好，曲線平穩(wěn)，能夠滿足車載、機(jī)載工作環(huán)境的要求。通過(guò)HFSS軟件對(duì)加固介質(zhì)進(jìn)行建模仿真和試驗(yàn)件的調(diào)試測(cè)試，載機(jī)振動(dòng)條件下的仿真與測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，最終確定采用異形局部環(huán)抱結(jié)構(gòu)方式其性能影響最小。

圖5 振子振動(dòng)測(cè)試曲線Fig.5 The vibration test curve of resonator

圖6 加固振子振動(dòng)測(cè)試曲線Fig.6 The vibration test curve of strengthened resonator

表1 腔體濾波器振動(dòng)條件下插入損耗、駐波仿真與測(cè)試結(jié)果Table 1 The insertion loss，standing wave simulation and test results of cavity filter in the condition of vibration

由于在設(shè)備工作環(huán)境下，螺旋振子出現(xiàn)隨機(jī)振動(dòng)，自由端產(chǎn)生位移，從而導(dǎo)致電性能失效。從圖中可以看出，螺旋振子位移變化較大的部分主要是沒(méi)有固定的自由端，與簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)模型一致，故可得出結(jié)論：有限元模型準(zhǔn)確可信，基本反應(yīng)了螺旋振子實(shí)際模型。

不加固的螺旋振子第一階頻率約為153 Hz，由倍頻法可知容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，需要對(duì)其進(jìn)行加固，以提高第一階頻率，使之符合頻率要求。加固的螺旋振子第一階頻率約為433 Hz，提高了螺旋振子的固有頻率，螺旋振子第一階和第二階固有頻率均為彎曲振型，振子自由端頂部振幅最大，第二階固有頻率為二階彎曲，振子自由端頂部振幅最大。

6 結(jié)論

本文主要介紹了一種腔體濾波器懸臂螺旋振子的抗沖振優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，同時(shí)應(yīng)用三維建模軟件建立螺旋振子有限元模型，通過(guò)模態(tài)仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行的隨機(jī)振動(dòng)分析中明確了初始設(shè)計(jì)螺旋振子的動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)對(duì)模態(tài)和隨機(jī)振動(dòng)有限元計(jì)算結(jié)果的分析確定了模型的振幅較大位置，通過(guò)鋁材銑制成梯形截面螺旋振子增加自身剛度，采用對(duì)稱局部環(huán)抱的異形加固件對(duì)懸臂螺旋振子進(jìn)行加固來(lái)提高腔體濾波器抗沖振能力，試制的加固結(jié)構(gòu)通過(guò)了環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元模型分析的可靠性和抗沖振設(shè)計(jì)方案的可行性。同時(shí)，通過(guò)HFSS軟件對(duì)腔體濾波器進(jìn)行內(nèi)部電磁場(chǎng)分析仿真，在腔體濾波器工作時(shí)，其螺旋振子作為一個(gè)梯形截面的電感線圈，根據(jù)電磁場(chǎng)理論［8］，線圈內(nèi)部其磁力線較密，利用螺旋振子周圍空間電磁密度分布規(guī)律，諧振振子采用外部環(huán)抱比內(nèi)部嵌套性能較優(yōu)，實(shí)測(cè)證明與分析一致，效果良好。隨著新型材料的不斷發(fā)展，需要進(jìn)一步研究加固材料特性，選擇加工性、介電損耗比聚四氟乙烯更好的加固件材料。通過(guò)螺旋振子自身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加固件優(yōu)化設(shè)計(jì)迭代，找到了抗沖振創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和方法，解決了大功率跳頻濾波器在車載和機(jī)載環(huán)境條件下特性響應(yīng)曲線不穩(wěn)定、駐波變化大、插入損耗較大的技術(shù)難點(diǎn)。

［1］甘體國(guó).現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，1981. GANTi-guo.The Structure and Design of Modern Microwave Filter［M］.Beijing：Science Press，1981.（in Chinese）

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Optim ization Design of Helix Resonator of Cavity Filter for Im proving the Impact and Vibration Resistance Capability

HU Guo-gao
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

The rigidity of helix resonator of high-power cavity filter is low and the characteristic response curve is unstable in the environmental condition of carrier aircraft.To solve the problems，this paper introduces a novel measure to improve the impact and vibration resistance capability.Aluminum milling trapezoidal section and special-shaped symmetrical structure is used to reinforce the cantilevered helix resonator in order to enhance the resistance of impact and vibration.The helix resonator optimized has passed the check of environmental test in the carrier aircraftand electrical properties.The design has been successfully applied in high-power frequency hopping filter and a good effect is obtained.

cavity filter；FH filter；cantilever；helix resonator；anti-vibration design

TN703

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.04.033

胡國(guó)高（1977—），男，四川德陽(yáng)人，工程師，主要從事航空電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)方面的工作。

1001-893X（2012）04-0586-05

2011-11-11；

2012-03-27

HU Guo-gaowasborn in Deyang，Sichuan Province，in 1977. He is now an engineer.His research concerns the structure and design technology of aviation electronic equipment.

Email：hugg-gczx＠163.com