劉勇

x摘? 要：在進(jìn)行微波部件和組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，利用有限元模態(tài)分析法進(jìn)行設(shè)計(jì)能夠提高相關(guān)結(jié)構(gòu)的可靠性和產(chǎn)品的性能。用模態(tài)分析對(duì)微波介質(zhì)振蕩器進(jìn)行分析，從而得到其相應(yīng)的固有頻率、振型以及其接受到壓力時(shí)的應(yīng)變分布情況，在產(chǎn)品抗振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，能夠提供更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在100～1kHz范圍、功率譜密度為0.08/Hz的強(qiáng)振動(dòng)條件下，Ku波段的微波介質(zhì)振蕩器的相噪惡化不會(huì)超過(guò)5dB，其輸出的信號(hào)頻譜不會(huì)出現(xiàn)扭曲、雜波，在實(shí)際工程中達(dá)到了一定的需求。

關(guān)鍵詞：微波介質(zhì)振蕩器? 模態(tài)分析? 抗振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN572 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（c）-0067-02

隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到人們的日常生活中。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，微波介質(zhì)振蕩器是其不可或缺的重要組成部分。在導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域，微波介質(zhì)振蕩器都得到了廣泛的使用。有限元分析法是通過(guò)模態(tài)分析來(lái)分析微波部件的結(jié)構(gòu)，通過(guò)改善振蕩器等微波部件的結(jié)構(gòu)，提高微波部件結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而在微波部件的使用過(guò)程中，避免其與安裝板發(fā)生共振的情況出現(xiàn)，增加振蕩器等微波部件的穩(wěn)定性。通過(guò)分析微波部件的固有振型，改進(jìn)相關(guān)的結(jié)構(gòu)，能夠得到最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1? 關(guān)于微波部件結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

微波介質(zhì)振蕩器作為微波部件的一種，首先我們可以談一談使用模態(tài)分析法對(duì)微波部件分析情況。在對(duì)微波部件結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型等振動(dòng)特性分析時(shí)，通常會(huì)使用模態(tài)分析法。在分析的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)部件結(jié)構(gòu)的固有頻率越高，那么結(jié)構(gòu)的剛度就越大，微波部件的可靠性就越高。安裝板有屬于自己的基頻，但其頻率不能夠高于微波部件的固有頻率，只有這樣，微波部件和安裝板之間產(chǎn)生共振的情況才會(huì)避免出現(xiàn)。通過(guò)使用有限元分析法對(duì)微波部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建立，再利用模態(tài)分析法來(lái)指導(dǎo)微波部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如果想要提高微波部件結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以通過(guò)選擇剛度高的材料以及改善部件結(jié)構(gòu)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）在用模態(tài)分析法對(duì)結(jié)構(gòu)分析時(shí)，利用相應(yīng)的計(jì)算方式來(lái)計(jì)算固有頻率和固有振型。其中用來(lái)描述振動(dòng)的基本運(yùn)動(dòng)方程如（1）式所示：

（2）在使用有限元分析軟件對(duì)微波部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，建立結(jié)構(gòu)模型、劃分網(wǎng)格以及根據(jù)相關(guān)條件進(jìn)行求解是其主要過(guò)程。在對(duì)微波部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，有限元模型的建立是最主要的，在微波部件中，4個(gè)相互獨(dú)立的盒體組成其整體的結(jié)構(gòu)，在螺釘?shù)淖饔孟?，盒體能夠疊放在一起，接觸安裝板的那個(gè)盒體會(huì)伸出4個(gè)安裝腳，以便能夠與安裝板固定在一起。對(duì)于微波部件結(jié)構(gòu)中的盒體，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，4個(gè)安裝腳的網(wǎng)格密度都比較大，計(jì)算起來(lái)花費(fèi)的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，所以盒體網(wǎng)格的密度要適中，這就需要進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。在對(duì)微波部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)求解時(shí)，通過(guò)螺釘?shù)淖饔茫?個(gè)安裝腳與安裝板相互固定，接著用一定的約束力操作接觸面上的4個(gè)固定點(diǎn)，得到前5階的情況并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。我們可以發(fā)現(xiàn)微波部件的固有頻率振型在不同的階段呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

2? 基于模態(tài)分析的微波介質(zhì)振蕩器抗振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

微波介質(zhì)振蕩器是一種微波部件，它能夠?qū)⒕哂懈咂焚|(zhì)因數(shù)的介質(zhì)諧振器當(dāng)作一種反饋穩(wěn)頻元件，集成到微波振蕩器電路中，對(duì)于輸出穩(wěn)定的特定頻率起到了作用。微波介質(zhì)振蕩器具有很多的優(yōu)點(diǎn)，它的相位噪聲低，體積小不占用空間，成本低并且工作效率高，在電路中具有較高的溫度穩(wěn)定性和可靠性。其被廣泛的應(yīng)用在雷達(dá)、電子對(duì)抗、精確制導(dǎo)等各種微波系統(tǒng)中，對(duì)于微波介質(zhì)振蕩器的抗振性能進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠保證相關(guān)設(shè)備的抗振動(dòng)能力、保障產(chǎn)品的性能和可靠性。

（1）在振動(dòng)條件下微博介質(zhì)振蕩器失效模式和原因分析。

在電子設(shè)備中，電性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到振動(dòng)的影響，如果振動(dòng)出現(xiàn)異常就會(huì)對(duì)設(shè)備造成破壞作用。這種現(xiàn)象可以分為兩類，一類是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝性遭到破壞，電子設(shè)備中微波部件的疲勞，出現(xiàn)磨損、連接件松動(dòng)和分離的情況等;一類是電子設(shè)備功能和性能的破壞，主要表現(xiàn)為工作失靈和性能降低等。微博介質(zhì)振蕩器屬于微波組件，一般會(huì)出現(xiàn)后者的故障情況，其表現(xiàn)為相位噪聲惡化，出現(xiàn)跳頻、雜波等。通過(guò)相關(guān)研究分析，造成這類問(wèn)題出現(xiàn)的原因是振動(dòng)機(jī)械波使諧振腔體發(fā)生了形變，導(dǎo)致諧振腔內(nèi)場(chǎng)分布發(fā)生連續(xù)的隨機(jī)變化。

為了提高相關(guān)組件的可靠性，可以利用有限元分析法，對(duì)相應(yīng)的部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)固有振型和共振頻率的分析，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改善來(lái)提高固有頻率，避免微博介質(zhì)振蕩器與安裝載體發(fā)生共振，從而提高其抗振特性。

（2）對(duì)于微波介質(zhì)振蕩器（DRO）組件結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。

在進(jìn)行微波介質(zhì)振蕩器（DRO）組件結(jié)構(gòu)分析時(shí)，要根據(jù)相應(yīng)的理論基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論，物體振動(dòng)的方程為：

（3）微波介質(zhì)振蕩器（DRO）組件結(jié)構(gòu)材料的選擇。

在處于靜態(tài)的時(shí)候，組件具有抵抗變形的能力，在動(dòng)態(tài)情況下，結(jié)構(gòu)具有一定的固有頻率，這兩者是微波介質(zhì)振蕩器（DRO）組件結(jié)構(gòu)的剛度。組件結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力和固有頻率隨著組件結(jié)構(gòu)剛度的變化而變化。在計(jì)算部件固有頻率時(shí)，通用的公式如下所示。

其中材料的彈性模量為E;材料的壁厚為t;材料的泊松比為γ。通過(guò)（6）式和（7）式的計(jì)算可以知道，剛度與盒體的壁厚成正比，合體越厚，剛度就越大，對(duì)材料質(zhì)量就會(huì)有越嚴(yán)格的要求。如果想要盒體的質(zhì)量盡可能小，那么就要在部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，綜合考慮材料質(zhì)量和剛度的問(wèn)題，如果要進(jìn)行相應(yīng)的改善，在確保結(jié)構(gòu)重量的前提下，加大剛度的強(qiáng)度。

3? 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)微波介質(zhì)振蕩器（DRO）組件結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，接著計(jì)算出組件結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，從而進(jìn)一步改進(jìn)部件的結(jié)構(gòu)，保證產(chǎn)品的功能性和可靠性。利用有限元模態(tài)分析方法對(duì)微波介質(zhì)振蕩器（DRO）組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的分析，提高組件的固有頻率可以通過(guò)改善組件相應(yīng)的諧振腔結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而避免微波介質(zhì)振蕩器（DRO）與安裝板之間產(chǎn)生共振。通過(guò)相應(yīng)的方法來(lái)分析組件結(jié)構(gòu)的固有振型，能夠進(jìn)一步改進(jìn)相關(guān)的結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此來(lái)解決微波介質(zhì)振蕩器在強(qiáng)振動(dòng)條件下性能下降的問(wèn)題，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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