一種腔體濾波器懸臂螺旋振子的抗沖振優(yōu)化設計?

胡國高

（中國西南電子技術(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)化設計?

胡國高

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

針對大功率腔體濾波器螺旋振子剛度小，在載機環(huán)境條件下特性響應曲線不穩(wěn)定的問題，提出了一種螺旋振子的抗沖振創(chuàng)新設計思路與方法。通過鋁材銑制成梯形截面螺旋振子增加其剛度，采用對稱局部環(huán)抱的異形結(jié)構(gòu)件對懸臂螺旋振子進行加固以提高抗沖振能力。優(yōu)化設計后的振子順利通過載機環(huán)境試驗考核和電性能指標測試。該設計方案已成功應用于大功率跳頻濾波器設備中，效果良好。

腔體濾波器；跳頻濾波器；懸臂；螺旋振子；抗沖振設計

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、較高的可靠性、優(yōu)越的綜合性能而被廣泛應用。腔體濾波器主要指標是插入損耗和駐波，根據(jù)文獻［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，同時諧振振子在諧振腔內(nèi)合理布局，使諧振腔內(nèi)部電場和磁場分布科學合理且相對穩(wěn)定。通過查閱相關(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，加工工藝過程復雜，加工裝配公差很難控制，難于采取有效措施控制其振動響應量，其固有頻率相對較低，容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，諧振振子擺動而改變腔體濾波器的內(nèi)部電磁場分布，影響其組成器件的電性能。

隨著電子產(chǎn)品的載機環(huán)境適應性要求的不斷提高，腔體濾波器的振動環(huán)境適應性越來越受到人們的關(guān)注，要降低腔體濾波器的插入損耗，減小體積和重量，需對腔體濾波器諧振振子的結(jié)構(gòu)形式和加固方法進行優(yōu)化設計，振子加固介質(zhì)材料進行應用研究，因此諧振振子的抗沖振優(yōu)化設計與加固材料應用研究在腔體腔濾波器結(jié)構(gòu)設計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多自由度懸臂梁振動系統(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，其動力學方程如式（1）所示：

式中，｛f｝為N維激振力向量；｛x｝、｛x·｝、｛x·｝分別為N維位移、速度和加速度響應向量；［M］、［C］、［K］分別為振動系統(tǒng)的質(zhì)量與剛度矩陣。對式（1）作攝動變形，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］與外部激勵力向量｛f｝的攝動量。

由式（2）可知，降低外部環(huán)境機械振動對腔體濾波器的影響的基本途徑有兩個：其一，減小外部環(huán)境對振動系統(tǒng)的激勵力，即實現(xiàn)上式中的｛f+Δf｝；其二，改變振動系統(tǒng)本身的動力學特性，提高抗振動影響的能力，即實現(xiàn)上式中的［M+ΔM］、［C+ΔC］與［K+ΔK］。

在實際工程應用中，改變腔體濾波器的外環(huán)境振動力一般不易實現(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系統(tǒng)的［M］、［C］、［K］。就具體實現(xiàn)方法而言，則有結(jié)構(gòu)動力學修改提高螺旋振子的動剛度，即改變［M］和［K］；附加振動控制結(jié)構(gòu)，即改變［C］。

而結(jié)構(gòu)動力學修改方法是通過修改系統(tǒng)動力學特性使振動系統(tǒng)具有良好的動力學特性以達到抗沖振目的，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)動力學特性有限，需要在改善系統(tǒng)本身動力學特性的同時增加加固結(jié)構(gòu)件。本文將以改變螺旋振子剛度和增加結(jié)構(gòu)加固件進行結(jié)構(gòu)動力學修改振動分析與抗沖振控制設計，找到一種腔體濾波器抗沖振創(chuàng)新設計與優(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)材料對電性能指標影響最小。螺旋振子對稱放置在微波腔中，接地端設計在腔體側(cè)壁，使其表面電流相對穩(wěn)定，電場分布相對均勻，磁場變化相對較小。螺旋振子通過接地端與腔體連接，形成懸臂簡支梁結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)動力學分析，對螺旋振子增加加固介質(zhì)以改變［C］，提高抗沖振性能。通過查閱工程材料手冊［4］及對比試驗測試，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)，滿足電子設備的工作溫度范圍（-55℃～+70℃）的要求，且對腔體濾波器的插入損耗等電性能指標影響最小。

4 抗沖振設計

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，諧振腔可以認為是一個強度足夠的剛體，其抗沖振設計簡單易實現(xiàn)，因而抑制諧振振子的振動響應量或降低共振放大率便成為該類濾波器抗沖振設計的主要目標。由于螺旋式諧振振子是一種懸臂梁結(jié)構(gòu)形式，在車載、機載等嚴酷環(huán)境條件下，諧振振子會在腔內(nèi)往復擺動，同時可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象，使其振動響應量變大，需約束該螺旋式諧振振子的自由度，對其進行抗沖振優(yōu)化設計，抑制振動響應量和降低共振放大率，防止振動環(huán)境下改變腔體濾波器內(nèi)部的電磁場分布，以解決腔體濾波器性能穩(wěn)定性和可靠性問題。

諧振振子的抗沖振優(yōu)化設計主要對振子本身剛度優(yōu)化設計和采用非金屬加固結(jié)構(gòu)件對其自由度進行限制。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，其體積和重量無法減小。同時對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，灌封對諧振腔內(nèi)部電磁場有一定影響，會增大插入損耗，降低電性能指標。對諧振振子結(jié)構(gòu)形式進行創(chuàng)新優(yōu)化設計，并對新結(jié)構(gòu)的螺旋振子進行動力學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，對比螺旋振子剛度和電性能指標，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，可以減小其振動響應量和降低其共振放大率。同時對其進行抗沖振控制設計，創(chuàng)新優(yōu)化設計加固件的結(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)部電磁場分布［5-6］，通過計算機對加固介質(zhì)的結(jié)構(gòu)形式進行多次仿真及優(yōu)化迭代設計，制作了灌封、全部嵌套、局部內(nèi)嵌和局部環(huán)抱結(jié)構(gòu)樣件，結(jié)合試驗件實物測試，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)方式對其性能影響最小。螺旋振子環(huán)抱加固結(jié)構(gòu)形式見圖2。通過測試儀器對腔體濾波器的插入損耗進行測試，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的降低0.002 dB，對性能幾乎沒有影響。該加固技術(shù)對懸臂螺旋振子進行有效加固，保證了性能指標的穩(wěn)定，滿足較為嚴酷的機載、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際工作條件下，常因?qū)拵щS機振動使其自由端產(chǎn)生相對較大位移而改變諧振腔內(nèi)部電磁場分布，導致器件性能下降，在濾波器高可靠性、高集成化的趨勢下，對螺旋式諧振振子的結(jié)構(gòu)形式和抗沖振設計進行優(yōu)化設計勢在必行。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體模型，然后導入ANSYS中對其進行有限元分析。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，此設計中采用HEX單元來模擬螺旋振子實體。在螺旋振子沒有進行加固設計的情況下進行模態(tài)分析及隨機振動分析，將接地端與腔體壁簡化為剛性連接，其螺旋振子的一階振型見圖3。將螺旋振子的6個自由度進行約束，選擇block-lanczos模態(tài)擴展方法進行模態(tài)分析［7］，螺旋振子加固后的一階振型見圖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)部的電磁場分布，對該類濾波器的電性能影響較大，不能在車載、機載環(huán)境下正常工作，必須對螺旋振子進行加固設計。從圖4可看出，加固后的螺旋振子位移變化明顯變小，對腔體內(nèi)部的電磁場改變相對較小，能夠在車載、機載環(huán)境下正常工作。

用矢量網(wǎng)絡分析儀對螺旋振子進行電性能測試，從圖5的測試曲線可看出，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，特性響應極差，曲線抖動較厲害，電性能指標不穩(wěn)定，不能滿足車載、機載環(huán)境下的正常工作。從圖6的測試曲線可看出，加固后的螺旋振子位移變化較小，駐波較小，特性響應較好，曲線平穩(wěn)，能夠滿足車載、機載工作環(huán)境的要求。通過HFSS軟件對加固介質(zhì)進行建模仿真和試驗件的調(diào)試測試，載機振動條件下的仿真與測試結(jié)果見表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 振子振動測試曲線Fig.5 The vibration test curve of resonator

圖6 加固振子振動測試曲線Fig.6 The vibration test curve of strengthened resonator

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

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

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，需要對其進行加固，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)化設計方法，同時應用三維建模軟件建立螺旋振子有限元模型，通過模態(tài)仿真分析與試驗測試相結(jié)合，驗證了模型的準確性，在進行的隨機振動分析中明確了初始設計螺旋振子的動態(tài)特性。通過對模態(tài)和隨機振動有限元計算結(jié)果的分析確定了模型的振幅較大位置，通過鋁材銑制成梯形截面螺旋振子增加自身剛度，采用對稱局部環(huán)抱的異形加固件對懸臂螺旋振子進行加固來提高腔體濾波器抗沖振能力，試制的加固結(jié)構(gòu)通過了環(huán)境試驗，驗證了有限元模型分析的可靠性和抗沖振設計方案的可行性。同時，通過HFSS軟件對腔體濾波器進行內(nèi)部電磁場分析仿真，在腔體濾波器工作時，其螺旋振子作為一個梯形截面的電感線圈，根據(jù)電磁場理論［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)，實測證明與分析一致，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。通過螺旋振子自身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加固件優(yōu)化設計迭代，找到了抗沖振創(chuàng)新優(yōu)化設計思路和方法，解決了大功率跳頻濾波器在車載和機載環(huán)境條件下特性響應曲線不穩(wěn)定、駐波變化大、插入損耗較大的技術(shù)難點。

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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

胡國高（1977—），男，四川德陽人，工程師，主要從事航空電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工藝設計方面的工作。

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