電子校準(zhǔn)微波模塊結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

摘 要：文章首先對(duì)電子校準(zhǔn)微波模塊的失效原因進(jìn)行分析，在解決故障問(wèn)題基礎(chǔ)上并考慮產(chǎn)品的系列化及通用化設(shè)計(jì)，提出電子校準(zhǔn)微波模塊結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案并驗(yàn)證了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：電子校準(zhǔn)微波模塊；結(jié)構(gòu)；改進(jìn)設(shè)計(jì)

引言

網(wǎng)絡(luò)分析儀是常用的電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器之一，其中校準(zhǔn)件是網(wǎng)絡(luò)分析儀的重要選件。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀不同的校準(zhǔn)方式，校準(zhǔn)件可分為電子校準(zhǔn)件和機(jī)械校準(zhǔn)件兩種。與傳統(tǒng)的機(jī)械校準(zhǔn)件相比，電子校準(zhǔn)件可自動(dòng)切換校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)化操作人員更換校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的操作步驟，從而大大節(jié)省校準(zhǔn)時(shí)間，同時(shí)也避免了因人為操作帶來(lái)的不確定因素[1]。目前，電子校準(zhǔn)件與網(wǎng)絡(luò)分析儀主機(jī)配套同步發(fā)展，形成了網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)與測(cè)試的完整解決方案。

電子校準(zhǔn)件主要由機(jī)殼、控制板和電子校準(zhǔn)微波模塊三部分構(gòu)成，如圖1所示。文章通過(guò)解決部分電子校準(zhǔn)微波模塊出現(xiàn)的故障問(wèn)題并考慮產(chǎn)品的系列化及通用化設(shè)計(jì)，對(duì)電子校準(zhǔn)微波模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)設(shè)計(jì)方案采用全新設(shè)計(jì)的微波模塊結(jié)構(gòu)，大大提高了電子校準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)連接可靠性，為電氣指標(biāo)的可靠性提供必要保障，同時(shí)改進(jìn)后的零部件便于生產(chǎn)加工與裝配，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品系列化及通用化設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)具有十分重要的指導(dǎo)意義。

圖1 電子校準(zhǔn)件（10MHz-26.5GHz）結(jié)構(gòu)示意圖

1 電子校準(zhǔn)微波模塊失效原因分析

電子校準(zhǔn)件為精密手持式儀器，在運(yùn)輸、移動(dòng)過(guò)程中雖然要求采取必要的保護(hù)措施，但為進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性，產(chǎn)品需進(jìn)行整機(jī)振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)。在某批次試驗(yàn)中，部分電子校準(zhǔn)微波模塊出現(xiàn)故障，影響正常使用，通過(guò)進(jìn)一步的裝配調(diào)試與測(cè)試，并結(jié)合前期的設(shè)計(jì)分析，初步確定故障原因?yàn)榘惭b螺釘松動(dòng)而非零件自身變形。文章在解決該故障問(wèn)題的基礎(chǔ)上并考慮產(chǎn)品系列化及通用化對(duì)電子校準(zhǔn)微波模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，文中以使用頻率范圍為（10MHz-26.5GHz）的電子校準(zhǔn)微波模塊為例，因微波模塊自身結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，文章取微波模塊的1/2作為研究對(duì)象，圖2為改進(jìn)設(shè)計(jì)前電子校準(zhǔn)微波模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2 改進(jìn)設(shè)計(jì)前電子校準(zhǔn)微波模塊結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，改進(jìn)設(shè)計(jì)前電子校準(zhǔn)微波模塊為一體式結(jié)構(gòu)，主要由腔體、轉(zhuǎn)接器、墊片和安裝螺釘組成。具備對(duì)外連接功能的轉(zhuǎn)接器與腔體之間通過(guò)安裝螺釘固定，圖2中所示基準(zhǔn)面不僅為轉(zhuǎn)接器與腔體的裝配基準(zhǔn)面，也是電氣連接基準(zhǔn)面，因此轉(zhuǎn)接器與腔體間連接的可靠性對(duì)整個(gè)微波模塊的電氣性能具有非常重要的影響。圖中所示基準(zhǔn)面處外導(dǎo)體與腔體開(kāi)孔徑向?yàn)殚g隙配合連接，當(dāng)安裝螺釘出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，該處轉(zhuǎn)接器外導(dǎo)體軸向與腔體不能緊密結(jié)合，從而會(huì)引起電氣性能失效。

電子校準(zhǔn)微波模塊在運(yùn)輸移動(dòng)、過(guò)程中若發(fā)生意外，則主要受翻轉(zhuǎn)力矩作用，圖3為電子校準(zhǔn)模塊受力示意圖，引起安裝螺釘松動(dòng)的原因可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

（1）與轉(zhuǎn)接器各外導(dǎo)體之間的螺紋連接結(jié)構(gòu)相比，安裝螺釘?shù)穆菁y尺寸較小，緊固性能較差，因此安裝螺釘與腔體連接處屬于電子校準(zhǔn)模塊的結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域，當(dāng)受外部翻轉(zhuǎn)力矩作用時(shí)，易先出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。

（2）如圖3所示，沿x軸方向，安裝螺釘關(guān)于y軸對(duì)稱分布，在翻轉(zhuǎn)力矩My作用下，受力較均勻；沿y軸方向，安裝螺釘僅單排分布，在翻轉(zhuǎn)力矩Mx作用下，受力不均勻，當(dāng)外界力矩較大時(shí)，會(huì)漸漸克服安裝螺釘與腔體螺紋之間的摩擦力，較易產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象。

（3）改進(jìn)設(shè)計(jì)前的結(jié)構(gòu)方案，要求墊片應(yīng)具有良好的彈性，一旦彈性失效，外導(dǎo)體（安裝螺釘處）與腔體之間就會(huì)產(chǎn)生間隙；若墊片采用剛性材料，因設(shè)計(jì)方案及加工工藝限制，外導(dǎo)體（安裝螺釘處）與腔體之間始終存在間隙，此情況下對(duì)裝配工藝要求較高，轉(zhuǎn)接器初始緊固時(shí)易出現(xiàn)受力不均，在翻轉(zhuǎn)力矩My作用下，安裝螺釘也較易產(chǎn)生松動(dòng)現(xiàn)象。

2 電子校準(zhǔn)微波模塊改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)電子校準(zhǔn)微波模塊失效原因的分析研究，在解決上述故障問(wèn)題的基礎(chǔ)上綜合考慮產(chǎn)品系列化、通用化設(shè)計(jì)要求，文章提出一種全新的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，提高了微波模塊結(jié)構(gòu)連接的可靠性，從而為電氣指標(biāo)的可靠性提供必要保障，同時(shí)該方案對(duì)產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)具有十分重要的指導(dǎo)意義，圖4為改進(jìn)設(shè)計(jì)后電子校準(zhǔn)微波模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖4 改進(jìn)設(shè)計(jì)后電子校準(zhǔn)微波模塊結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，改進(jìn)設(shè)計(jì)后電子校準(zhǔn)微波模塊為分體式結(jié)構(gòu)，主要包括腔體、轉(zhuǎn)接器、轉(zhuǎn)接組件、墊片、法蘭和安裝螺釘。從功能角度來(lái)講，原轉(zhuǎn)接器等效于轉(zhuǎn)接組件與現(xiàn)轉(zhuǎn)接器組合；法蘭起固定和導(dǎo)向作用，其與轉(zhuǎn)接組件、轉(zhuǎn)接器之間均為螺紋連接，徑向可調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)接組件和轉(zhuǎn)接器之間配合連接的同心度由其本身配合零件決定；轉(zhuǎn)接組件和轉(zhuǎn)接器在軸向的裝配緊固則由法蘭實(shí)現(xiàn)，因法蘭與外導(dǎo)體的螺紋尺寸較大，連接可靠性較高。

通過(guò)上節(jié)對(duì)安裝螺釘松動(dòng)原因的分析，文章主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)：

（1）轉(zhuǎn)接組件與腔體之間為螺紋連接，螺紋尺寸較大，同時(shí)涂螺紋鎖固劑，提高了圖中所示基準(zhǔn)面處微帶轉(zhuǎn)接部分的可靠性，相比前設(shè)計(jì)方案具有很大優(yōu)勢(shì)。

（2）因模塊整體體積要求限制，暫無(wú)法更改安裝螺釘?shù)某叽缫?guī)格。結(jié)合前設(shè)計(jì)方案模塊的受力分析研究，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案中增加安裝螺釘?shù)臄?shù)量，安裝螺釘雙排分布且分別關(guān)于x、y軸對(duì)稱分布，減小了每個(gè)螺釘所受的載荷，提高了法蘭與腔體連接的可靠性。

（3）法蘭與腔體之間的墊片主要起隔熱作用，結(jié)構(gòu)改為一體式，材料選用聚酰亞胺，硬度較高，法蘭整體與腔體之間可緊密貼合，大大提高連接可靠性。

（4）電子校準(zhǔn)件屬于精密儀器，模塊采用分體式結(jié)構(gòu)降低了部分零件的加工難度，提高了零部件（如墊片、法蘭、轉(zhuǎn)接組件等）的通用性及整體可拆裝性，便于維修，利于模塊化生產(chǎn)，降低設(shè)計(jì)及生產(chǎn)成本。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

與原方案相比，改進(jìn)設(shè)計(jì)后的電子校準(zhǔn)微波模塊結(jié)構(gòu)變化較大，整體結(jié)構(gòu)由一體式更改為分體式，提高了零部件的通用性，在此基礎(chǔ)上再通過(guò)增加安裝螺釘數(shù)量及改變螺釘?shù)姆植嘉恢脕?lái)提高模塊結(jié)構(gòu)連接的可靠性。通過(guò)對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后電子校準(zhǔn)模塊樣機(jī)進(jìn)行裝配、調(diào)試測(cè)試以及必要的環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證得知該電子校準(zhǔn)模塊結(jié)構(gòu)連接的可靠性得到明顯改善，充分驗(yàn)證了此改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的可行性。改進(jìn)設(shè)計(jì)后的電子校準(zhǔn)微波模塊兩側(cè)轉(zhuǎn)接器安裝尺寸均相同，僅需要自主選擇不同接口形式的轉(zhuǎn)接器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外不同的連接方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

電子校準(zhǔn)微波模塊結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，既提高了自身結(jié)構(gòu)連接的可靠性，為電氣指標(biāo)的穩(wěn)定提供保障，同時(shí)又簡(jiǎn)化了各零部件的生產(chǎn)、加工與裝配工藝流程，提高了各零部件的通用性，一定程度上實(shí)現(xiàn)了電子校準(zhǔn)件產(chǎn)品的系列化及通用化設(shè)計(jì)，有利于降低生產(chǎn)成本，便于批量生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王進(jìn)軍（1987-），男，工程師，主要從事微波模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。