微帶天線產(chǎn)品質(zhì)量管控的方法研究與實(shí)踐

肖繼紅、孟菁、王曉飛 /北京航天長征飛行器研究所

佟鐵峰 /北京臨近空間飛行器系統(tǒng)工程研究所

在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，需要一種將射頻能量從發(fā)射端發(fā)射出去或者將射頻能量從接收端接收進(jìn)來的專用設(shè)備，這種設(shè)備被稱為天線，其主要功能是發(fā)射或接收電磁波。在發(fā)射系統(tǒng)中，它將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為自由空間中的電磁波；在接收系統(tǒng)中，它將自由空間的電磁波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收系統(tǒng)間電磁能量的傳遞。

微帶天線誕生于1953 年，主要由天線基板、天線底座、高頻電連接器組成，見圖1。微帶天線貼片的形狀可以是圓形、矩形或三角形等多種形狀，其中矩形貼片微帶天線是最常用的天線形式。與傳統(tǒng)的振子、拋物面天線相比，微帶天線具有體積小、剖 面低、重量輕、能與載體（飛行器、衛(wèi)星等）共形、多頻段、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星導(dǎo)航、射頻識(shí)別與合成孔徑雷達(dá)等無線通信系統(tǒng)。近年來，微帶天線逐步在眾多天線種類中脫穎而出，成為具有遠(yuǎn)大應(yīng)用前景的一類天線，在航天領(lǐng)域成為天線家族中至關(guān)重要的一員。

圖1 微帶天線組成示意圖

表1 質(zhì)量問題統(tǒng)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，無線通信系統(tǒng)迫切需要高精度、多功能的天線系統(tǒng)，眾多科研工作者基于微帶天線技術(shù)開展研究，很快涌現(xiàn)出形式多樣且功能各異的微帶天線，如圓極化微帶天線、小型化微帶天線、寬頻帶微帶天線等。北京航天長征飛行器研究所承擔(dān)著飛行器天線的研制、生產(chǎn)調(diào)試及交付任務(wù)，由于天線性能的好壞直接影響著飛行器系統(tǒng)的整體性能，所以全面提升微帶天線產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要意義。對(duì)研究所2013－2017 年天線產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)的質(zhì)量情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出產(chǎn)品每個(gè)階段的平均返修率，見表1。

從表1 可以看出，驗(yàn)收試驗(yàn)階段的返修率最高，而在鑒定試驗(yàn)階段的返修率最低。多年來，研究所在飛行器天線產(chǎn)品的質(zhì)量管控方面形成一套管理辦法，在實(shí)際工作中取得了一定的成效，但從航天產(chǎn)品100%可靠的高要求角度考慮，產(chǎn)品質(zhì)量依然存在一定差距。因此，如何全面提升微帶天線產(chǎn)品質(zhì)量成為研究所亟待解決的問題。

一、微帶天線產(chǎn)品質(zhì)量管控工作策劃

1.微帶天線的特性分析

一是微帶天線與邊界環(huán)境一體化。

由于飛行器的特殊使用要求，除了天線自身的電氣性能外，還要充分考慮天線安裝環(huán)境及天線所處力熱環(huán)境的影響。因此，微帶天線在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮邊界環(huán)境條件并進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，而微帶天線的電性能調(diào)試、測試要求必須在真實(shí)艙體下進(jìn)行，或在天線窗調(diào)試工裝下進(jìn)行。在實(shí)際工作中，通常會(huì)在保留天線窗口周邊3～5 倍波長范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)和大面積防熱材料，并使用真實(shí)狀態(tài)的天線保護(hù)蓋板情況下進(jìn)行微帶天線的調(diào)試、測試。

二是微帶天線具有可調(diào)性。

微帶天線的天線基板是一塊介質(zhì)基板，下表面上附有導(dǎo)電層作為接地面使用，上表面上附有一定形狀的導(dǎo)電層（天線貼片）。天線貼片和導(dǎo)電層相互作用產(chǎn)生電磁場，通過天線貼片向外輻射能量。因此，通過調(diào)整金屬薄片的尺寸大小可實(shí)現(xiàn)微帶天線的性能調(diào)整。

在實(shí)際應(yīng)用中，微帶天線必須進(jìn)行調(diào)試的原因主要有2 個(gè)方面：一是微帶天線在設(shè)計(jì)階段要充分考慮邊界環(huán)境條件并進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，由于微帶天線的實(shí)際周邊安裝環(huán)境與理想的仿真模型環(huán)境之間存在一定的誤差，因此微帶天線產(chǎn)品的實(shí)測性能相比仿真結(jié)果會(huì)有所變化，為了使天線的性能達(dá)到最佳，必須在實(shí)際安裝狀態(tài)下進(jìn)行配調(diào)；二是受防護(hù)蓋板、微帶印制板等非金屬材料的影響，一方面防護(hù)蓋板、微帶印制板相對(duì)介電常數(shù)與理想的仿真模型之間存在一定的偏差，另一方面受加工工藝所限，防護(hù)蓋板、微帶印制板存在批次性的差異，為了使天線的性能達(dá)到最佳，必須對(duì)微帶天線進(jìn)行配調(diào)。

三是微帶天線實(shí)現(xiàn)形式多種多樣。

微帶天線的實(shí)現(xiàn)形式是多種多樣的，以多頻帶微帶天線為例，其實(shí)現(xiàn)形式主要包括：單一貼片結(jié)構(gòu)的微帶天線、單層基片和多個(gè)貼片結(jié)構(gòu)的微帶天線、多層重疊貼片結(jié)構(gòu)微帶天線。

2.質(zhì)量管控方法的研究思路

由于飛行器的特殊使用環(huán)境，使得航天產(chǎn)品對(duì)質(zhì)量、可靠性和安全性提出了更高的要求。結(jié)合微帶天線這一類產(chǎn)品，從任務(wù)需求開始到最終產(chǎn)品交付要經(jīng)歷多個(gè)過程，具體如圖2 所示。

天線產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)要經(jīng)歷多個(gè)過程，每個(gè)過程都要嚴(yán)控質(zhì)量。產(chǎn)品的質(zhì)量不僅僅指產(chǎn)品的性能指標(biāo)，還特指產(chǎn)品所具備的一組固有特性滿足要求的程度，是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中獲取。這也就意味著，要想獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，必須對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)全過程實(shí)施質(zhì)量管控，而過程控制最有效的方法是PDCA 循環(huán)法。

3.產(chǎn)品質(zhì)量管控規(guī)劃

目前，研究所承擔(dān)的微帶天線任務(wù)分別處于多個(gè)階段，天線產(chǎn)品一直采用事中控制和事后檢測的方式，即在產(chǎn)品交付前的整個(gè)流程中對(duì)產(chǎn)品100%進(jìn)行測試，以便控制交付產(chǎn)品的合格率；通過對(duì)產(chǎn)品5%～20%抽樣進(jìn)行可靠性鑒定試驗(yàn)，確定產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性是否達(dá)到客戶要求。一旦發(fā)現(xiàn)問題，通過一次PDCA 循環(huán)進(jìn)行解決，新的問題出現(xiàn)后再實(shí)施一次PDCA 循環(huán)，這種靜態(tài)的質(zhì)量控制方式僅考慮到產(chǎn)品在出廠前的某個(gè)靜態(tài)時(shí)點(diǎn)的質(zhì)量狀態(tài)，但沒有動(dòng)態(tài)地考慮產(chǎn)品在全生命周期的質(zhì)量水平。客戶給出的質(zhì)量目標(biāo)是所有產(chǎn)品在整個(gè)使用周期內(nèi)綜合性、動(dòng)態(tài)的質(zhì)量要求。通過借鑒質(zhì)量管理中的 PDCA 循環(huán)模式，建立一個(gè)適用于動(dòng)態(tài)PDCA 循環(huán)管理的模型，如圖3 所示。

在動(dòng)態(tài)PDCA 循環(huán)管理模型中，“過程質(zhì)量評(píng)價(jià)”是一個(gè)獨(dú)立環(huán)節(jié)，是有效質(zhì)量管理的開端，并貫穿于質(zhì)量管理過程的始終，為組織實(shí)施質(zhì)量管理的過程提供反饋，最終形成一個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)的過程。

二、實(shí)施內(nèi)容

1.有效分解過程，實(shí)現(xiàn)嵌套循環(huán)管控

在對(duì)2013－2018 年天線產(chǎn)品問題統(tǒng)計(jì)、分析的基礎(chǔ)上，從工程技術(shù)角度查找出各階段影響天線產(chǎn)品質(zhì)量的五大類原因，分別為：材料特性和工藝參數(shù)波動(dòng)、參數(shù)內(nèi)控方式、測試環(huán)境、調(diào)試方法及測試邊界條件的差異，如圖4 所示。

應(yīng)用動(dòng)態(tài)PDCA 循環(huán)管理模型時(shí)，通過對(duì)復(fù)雜管理問題進(jìn)行分解細(xì)化，將PDCA 循環(huán)設(shè)計(jì)成嵌套循環(huán)，分別針對(duì)分解出的多個(gè)獨(dú)立過程設(shè)計(jì)PDCA 循環(huán)。通過對(duì)圖5 進(jìn)一步分析，得出天線產(chǎn)品從調(diào)試→測試→驗(yàn)收→鑒定→總裝是一個(gè)動(dòng)態(tài)的循環(huán)過程，彼此之間環(huán)環(huán)相扣、互相關(guān)聯(lián)，而這其中最為關(guān)鍵的是調(diào)試階段。首先，對(duì)調(diào)試階段進(jìn)行詳細(xì)分解，如圖5 所示；然后，按照此方法分別對(duì)測試階段、驗(yàn)收階段、鑒定階段和總裝階段進(jìn)行分解。

在圖5 中對(duì)過程的分解可以看出，從客戶需求開始，到設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試、試驗(yàn)再到交付是一個(gè)復(fù)雜的過程。在應(yīng)用中，根據(jù)管理層次和工作內(nèi)容，通過將管理過程分解為多個(gè)獨(dú)立過程來設(shè)計(jì)PDCA 循環(huán)過程，并將復(fù)雜的管理問題分解細(xì)化，以便劃分給不同的專業(yè)和人員。每個(gè)過程都需要結(jié)合本階段的任務(wù)、目的進(jìn)行深入分析，對(duì)本階段產(chǎn)品的質(zhì)量結(jié)果進(jìn)行認(rèn)真檢查，用數(shù)據(jù)表征每個(gè)階段的運(yùn)行成果，并及時(shí)對(duì)運(yùn)行成果進(jìn)行總結(jié)。

一是分析現(xiàn)狀、查找問題。對(duì)2013－2017 年 不 同 型 號(hào)、不同批次的微帶天線調(diào)試合格率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：微帶天線調(diào)試的平均返修率為4.55%。為此，要針對(duì)微帶天線調(diào)試的問題研究微帶天線調(diào)試的方法。

二是確定處置的目標(biāo)。經(jīng)過認(rèn)真分析，在以往成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出微帶天線調(diào)試返修率降低到2%。

三是剖析原因、查找關(guān)鍵。由于微帶天線調(diào)試返修率涉及的質(zhì)量因素很多，需要利用因果圖分別對(duì)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測5 個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，在現(xiàn)場調(diào)查、收集數(shù)據(jù)、開展分析并驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，找到造成微帶天線調(diào)試返修率高的主客觀原因。

圖3 動(dòng)態(tài)PDCA循環(huán)管理模型

四是制定措施、處置計(jì)劃。針對(duì)微帶天線調(diào)試返修率高的問題，在“5W”（ Why、What、Where、Who、When）原則的基礎(chǔ)上，制定出切實(shí)可行的工作計(jì)劃。為提高微帶天線產(chǎn)品質(zhì)量，把微帶天線調(diào)試返修率降低到2% 以下，在試驗(yàn)現(xiàn)場由有經(jīng)驗(yàn)的調(diào)試人員負(fù)責(zé)在10個(gè)工作日內(nèi)完成 “微帶天線調(diào)試規(guī)范”編寫，并在編寫完成后的5 個(gè)工作日內(nèi)完成對(duì)相關(guān)人員的培訓(xùn)。

五是實(shí)施計(jì)劃、優(yōu)化過程。在計(jì)劃的實(shí)施過程中，組織調(diào)試人員與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行溝通，了解產(chǎn)品的特性及調(diào)試規(guī)律，并與設(shè)計(jì)人員一起討論產(chǎn)品調(diào)試的細(xì)則和重點(diǎn)。組織全組人員學(xué)習(xí)、討論，以進(jìn)一步明確產(chǎn)品調(diào)試的條件、項(xiàng)目、指標(biāo)要求、步驟及方法，對(duì)調(diào)試過程進(jìn)行更詳細(xì)的規(guī)定，以使微帶天線由原來的無章可循變?yōu)檎{(diào)試人員有章可依，解決了由于調(diào)試方法、調(diào)試人員差異造成的天線返修率高的問題。

六是嚴(yán)格要求、檢查執(zhí)行。對(duì)微帶天線調(diào)試進(jìn)行跟蹤和監(jiān)督。通過現(xiàn)場檢查，對(duì)嚴(yán)格執(zhí)行的給與鼓勵(lì)及獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)沒有嚴(yán)格執(zhí)行的則要分析原因，有難點(diǎn)的幫助解決，沒有難點(diǎn)的則督促其嚴(yán)格執(zhí)行。

七是完善規(guī)范、提煉成果。在計(jì)劃完成的基礎(chǔ)上對(duì)成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，通過論證和分析將這些經(jīng)驗(yàn)形成詳盡的微帶天線調(diào)試細(xì)則，以使微帶天線調(diào)試返修平均率從4.55% 降低到0.4%。

八是總結(jié)教訓(xùn)、持續(xù)處置。在任務(wù)完成后及時(shí)總結(jié)教訓(xùn)和不足，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段存在有源天線總裝交付后指標(biāo)超差的質(zhì)量問題，需將本次PDCA 循環(huán)中沒有解決的問題轉(zhuǎn)入下一輪PDCA 循環(huán)，以使質(zhì)量管理逐步達(dá)到最優(yōu)化。

圖4 各階段影響天線產(chǎn)品質(zhì)量的過程原因

2.數(shù)據(jù)有效關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管控

天線產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵依據(jù)是產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)，由于飛行器天線的電性能及環(huán)境適應(yīng)性要求越來越高，天線產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)變得越來越復(fù)雜。目前，研究所承擔(dān)的天線任務(wù)分別處于多個(gè)階段，每個(gè)階段的天線包含有源及無源兩大類，每類天線包含線極化和圓極化2 種，每種天線又包含單頻天線和多頻天線。雖然不同的天線具有不同的特質(zhì)，但表征天線的基本性能是一致的。面對(duì)如此多樣化、多狀態(tài)的天線，為了清晰地描述產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)，需在天線產(chǎn)品的生命周期中按產(chǎn)品類別對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，如圖6 所示。

圖5 微帶天線產(chǎn)品測試流程分解

圖6 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)管理

質(zhì)量管理策劃階段。通過建立的數(shù)據(jù)分類，對(duì)多項(xiàng)目有源天線出現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行聚類分析，再經(jīng)過相關(guān)的試驗(yàn)得到測試數(shù)據(jù)，找到影響質(zhì)量的主要原因，并對(duì)各個(gè)原因逐一進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過對(duì)得到的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做到盡快制定出切實(shí)可行的措施進(jìn)行處置。

質(zhì)量管理實(shí)施階段。針對(duì)有源天線出現(xiàn)的質(zhì)量問題，在計(jì)劃的實(shí)施過程中分別從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)測試環(huán)節(jié)進(jìn)行整改。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通過電器設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員相互配合，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從技術(shù)上提升產(chǎn)品的抗靜電能力；在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過工藝、工人相互配合，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中杜絕靜電對(duì)產(chǎn)品的損害；在試驗(yàn)測試環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)室防靜電的整體改造、有源天線防靜電設(shè)計(jì)改進(jìn)以及測試人員嚴(yán)格按防靜電對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行操作，以使有源天線產(chǎn)品質(zhì)量得到提升。

質(zhì)量管理處置階段。以質(zhì)量管理檢查階段的結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)整個(gè)過程的成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提煉及總結(jié)，將成功經(jīng)驗(yàn)形成后續(xù)可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，且在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行培訓(xùn)，以便于在后續(xù)工作中嚴(yán)格執(zhí)行。對(duì)于整個(gè)過程中的不足之處進(jìn)行歸納，以防止后續(xù)工作中問題再現(xiàn)；對(duì)于尚未解決的問題要制定處置方案，并對(duì)處置效果進(jìn)行檢查，對(duì)于尚未解決的問題，提交給下一個(gè) PDCA 循環(huán)解決，以持續(xù)處置。

表2 質(zhì)量問題統(tǒng)計(jì)

三、實(shí)踐效果及后續(xù)思路

通過將動(dòng)態(tài)PDCA 循環(huán)法引入微帶天線產(chǎn)品質(zhì)量管控中，從2018 年7 月至今，微帶天線產(chǎn)品質(zhì)量情況統(tǒng)計(jì)見表2。

經(jīng)過對(duì)整個(gè)產(chǎn)品周期的有效分解，分層實(shí)施動(dòng)態(tài)PDCA循環(huán)過程，使得微帶天線產(chǎn)品質(zhì)量有了大幅度的提高，類似質(zhì)量問題沒有再次發(fā)生，技術(shù)人員水平得到提高，實(shí)施效果非常顯著。

從天線產(chǎn)品的整個(gè)生命周期可以看出，這是一個(gè)復(fù)雜多變的過程，質(zhì)量問題無時(shí)不在、無處不在，任一過程的質(zhì)量隱患都會(huì)是質(zhì)量問題產(chǎn)生的要因。因此，必須要掌握一種有效的產(chǎn)品質(zhì)量管理方法。提升產(chǎn)品質(zhì)量是永無止境的，在今后的工作中依然會(huì)面對(duì)各種各樣的質(zhì)量問題，該研究成果具備普遍的適用性和實(shí)際操作性，通過該方法的有效嘗試，可以在相關(guān)領(lǐng)域起到借鑒作用。