基于力學(xué)仿真的無源互調(diào)優(yōu)化設(shè)計

賀 斌 馬浩軍 熊國際

（京信射頻技術(shù)（廣州）有限公司， 廣東 廣州 510663）

0 引言

無源互調(diào)（PassiveIntermodulation， PIM）是指當(dāng)兩個或多個射頻信號同時通過無源器件時產(chǎn)生的新的頻率，當(dāng)這些新頻率落入接收通道時，就會成為接收系統(tǒng)的干擾之一。從產(chǎn)生機(jī)理上來說，PIM 是由于無源器件的材料非線性和接觸非線性導(dǎo)致的[1]。其中接觸非線性中很大一部分是由于腔體與蓋板之間接觸不良導(dǎo)致的，因此，筆者試圖通過力學(xué)仿真的手段，研究如何優(yōu)化腔體結(jié)構(gòu)，使腔體與蓋板之間的接觸更加線性，從而提升器件的互調(diào)水平。

1 局部受力分析

1.1 單個螺釘處受力分析

以合路器為例，其主要的部件為腔體、蓋板、諧振柱、接頭、螺釘及調(diào)諧螺桿?？紤]到諧振柱在很多情況下都與腔體進(jìn)行一體化設(shè)計，在電磁波的傳播路徑上，潛在的接觸非線性的風(fēng)險點最大處依次為：腔體與蓋板的接觸、接頭與腔體的接觸、調(diào)諧螺桿與蓋板的接觸。筆者著重在改善腔體與蓋板的非線性接觸。腔體與蓋板通常是采用M3 的螺釘連接，螺釘頭是圓柱體，作用在蓋板上后，蓋板的變形就以螺釘為圓心往四周擴(kuò)散，蓋板在螺釘?shù)闹行奈恢猛伦冃?，蓋板在遠(yuǎn)離螺釘?shù)倪吘壩恢猛献冃巍Ｍㄟ^分析單個螺釘處蓋板受力情況，來了解蓋板的變形及應(yīng)力規(guī)律。

腔體的支撐面足夠大，不同螺釘頭直徑下的蓋板變形及受力情況如下。建立模型：蓋板及腔體的支撐面均設(shè)置為直徑20 mm，螺釘頭的直徑分別5.4 mm 及5.7 mm，根據(jù)仿真結(jié)果：兩者的蓋板的變形有微小不同，蓋板與腔體之間的接觸應(yīng)力基本一致。相同螺釘頭直徑，腔體支撐面不同的蓋板受力情況如下。建立模型：螺釘頭直徑是5.5mm，腔體的支撐面是一個凸緣，從左到右的直徑分別是5.2mm、5.5mm、5.8mm，蓋板直徑均為20 mm。通過圖1 形變圖可看出：腔體的支撐面越小，蓋板的形變量越大。圖2 應(yīng)力圖所示蓋板與腔體之間的接觸應(yīng)力基本一致。通過以上分析得到以下結(jié)論：在預(yù)緊力不變，腔體的支撐面足夠大的情況下，螺釘頭的大小對蓋板變形及應(yīng)力的影響不大。蓋板的變形量與腔體支撐面的大小有直接關(guān)系，要減少蓋板的變形，就要增加腔體的支撐面，應(yīng)不小于螺釘頭的直徑；腔體支撐面的大小對蓋板的應(yīng)力影響不大。

圖1 形變圖

圖2 應(yīng)力圖

1.2 腔體不同壁厚、結(jié)構(gòu)形式的受力分析

如圖3 所示，腔體壁厚有3 種常規(guī)結(jié)構(gòu)形式，從左至右，分別為①均勻壁厚5.0 mm；②中間壁厚3.0 mm，螺釘位置鼓包5.5 mm；③均勻壁厚5.5 mm，中間銑槽寬3 mm，深0.4 mm。針對以上3 種情況分別建立模型，分析蓋板的變形以及應(yīng)力情況。

圖3 腔體的3 種常用壁厚形式

圖4 是結(jié)構(gòu)形式①的蓋板形變及應(yīng)力圖，從形變圖可看出，蓋板基本上是整體向下變形，中間螺釘孔位置變形幅度更大。在應(yīng)力圖中，由于腔體壁比較厚，蓋板與腔體的接觸面積較大，導(dǎo)致螺釘與螺釘之間，蓋板與腔體的接觸面的應(yīng)力是不連續(xù)的。

圖4 結(jié)構(gòu)①的蓋板形變及應(yīng)力圖

圖5 是結(jié)構(gòu)形式②的蓋板形變及應(yīng)力圖，從形變圖來看，蓋板同樣是整體向下變形且變形幅度比形式①更大。從應(yīng)力圖來看，由于腔體與蓋板之間的接觸面積較少，蓋板與腔體的接觸面的應(yīng)力較為連續(xù)，比形式①要優(yōu)。

圖5 結(jié)構(gòu)②的蓋板形變及應(yīng)力圖

圖6 是結(jié)構(gòu)形式③的蓋板形變及應(yīng)力圖，從形變圖來看，蓋板的變形集中在螺釘兩側(cè)區(qū)域，最外圍變形較小，變形面積比形式①、②都要小。從應(yīng)力圖來看，由于腔體壁開槽，減少了腔體與蓋板之間的接觸面積，接觸面的應(yīng)力都是連續(xù)的。

圖6 結(jié)構(gòu)③的蓋板形變及應(yīng)力圖

在穩(wěn)定性方面的分析，螺釘在緊固后會產(chǎn)生應(yīng)力松弛和蠕變，螺釘?shù)念A(yù)緊力就會減弱。根據(jù)以往的實驗結(jié)果，公司所采用的M3*8 螺釘在85 ℃老化8 h 后預(yù)緊力下降約18%。針對這三種結(jié)構(gòu)形式，在其他條件不變的情況下，將預(yù)緊力調(diào)低18%后重新進(jìn)行仿真，分別對比蓋板的變形和應(yīng)力情況。從仿真結(jié)果看：當(dāng)預(yù)緊力下降后，結(jié)構(gòu)形式①與結(jié)構(gòu)形式③的蓋板中間的變形量減少，但周邊的變形基本保持一致，結(jié)構(gòu)形式②的蓋板的變形量變化很大。3 種結(jié)構(gòu)形式的蓋板應(yīng)力變化都基本一致。

通過以上分析得到以下結(jié)論：腔體與蓋板接觸的壁越厚，蓋板就越不容易變形，穩(wěn)定性也越好；減少了腔體與蓋板之間的接觸面積，可以增加接觸應(yīng)力。上面描述的3 種結(jié)構(gòu)形式，從仿真結(jié)果來看，第三種形式表現(xiàn)最優(yōu)，蓋板的變形小，應(yīng)力大且穩(wěn)定性佳，其缺點是質(zhì)量最大。

2 優(yōu)化設(shè)計及驗證

選取一款4 頻合路器，互調(diào)指標(biāo)要求如下：三階反射互調(diào)：≤-155dBc@2×43dBm，目前批量生產(chǎn)的互調(diào)一次通過率見表1。其腔體設(shè)計如圖7 所示，基本采用的是上述第2 種結(jié)構(gòu)形式。

圖7 合路器腔體平面圖

表1 互調(diào)一次通過率

對合路器蓋板的變形及應(yīng)力分析可知，其變形量較大，變形大于0.01 mm 的區(qū)域占約60%以上，主要分布在調(diào)諧螺桿的位置（圖8 所示）。蓋板的應(yīng)力在-10 MPa～-30 MPa 不連續(xù)，在蓋板的四周有局部斷開。

圖8 合路器蓋板變形及應(yīng)力圖（單位：mm）

根據(jù)以上問題，針對性地進(jìn)行以下幾個方面的優(yōu)化，主要目標(biāo)是防止蓋板的變形，蓋板與腔體之間的應(yīng)力盡可能連續(xù)。

將整體結(jié)構(gòu)形式分析更改為第3 種，即將合路器四周及每個通路的中間壁厚更改為均勻壁厚5.5 mm，中間銑槽寬3 mm，深0.4 mm 的形式。

兩個螺釘相連的腔壁設(shè)計為直壁，如果腔壁有弧度，則保證兩個螺釘?shù)闹行木€落在腔壁內(nèi)，中心線與腔壁的距離不小于1 mm。

螺釘頭是圓柱體，作用在蓋板上面的應(yīng)力與變形都是以螺釘?shù)妮S心為中心向外發(fā)散的，要使蓋板的受力與變形均勻，腔體支撐的地方就要以螺釘為中心盡量設(shè)計成對稱結(jié)構(gòu)。

優(yōu)化腔壁布局，調(diào)整螺釘間距，避免出現(xiàn)螺釘布局間距不均的情況。如果螺釘之間的間距差異太大，根據(jù)仿真結(jié)果，會使蓋板的變形有突變，可適當(dāng)調(diào)整腔壁，使螺釘?shù)拈g距為12mm～15mm。

腔體外圈靠近四個邊角的位置，通常需要減重處理。當(dāng)減重部分大時，其優(yōu)點是能減輕質(zhì)量，但是蓋板的支撐距離拉遠(yuǎn)了，蓋板的變形會加大，所以減重部分并不是越大越好，而必須根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，在蓋板變形量太大時，須增加腔壁來對蓋板進(jìn)行支撐。

局部腔體窗口下沉設(shè)計，兩個諧振柱之間的窗口大小要根據(jù)耦合量來設(shè)計，有時候窗口的位置多布一個螺釘又太密，但沒有螺釘又壓不緊（在應(yīng)力分析圖上顯示應(yīng)力不連續(xù)），將窗口位置下沉1 mm，避免腔體與蓋板接觸。

優(yōu)化腔壁末端設(shè)計，以往在腔壁末端通常設(shè)計成直徑5.5 mm 的圓柱，經(jīng)過仿真分析發(fā)現(xiàn)此處對應(yīng)蓋板的變形會大于0.015 mm 且應(yīng)力也非常集中，經(jīng)過多次調(diào)整后改為在腔壁末端留出一段距離，距離螺釘中心4.5 mm 以內(nèi)，增加了局部支撐，減少了蓋板的變形。

腔內(nèi)孤島設(shè)計，如果腔內(nèi)有一個圓柱沒有和其他腔壁相連，形成孤島。孤島自身強度很低，加工容易出問題，而且孤島的支撐力不夠，蓋板在該位置的變形很大。如果腔體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致孤島，筆者須保證蓋板腔體之間的應(yīng)力足夠的同時，變形盡量小。通過不斷對比不同直徑的孤島對蓋板變形及應(yīng)力的影響，推薦采用直徑8 mm 的圓柱體。

避免圓弧之間的連線過短， 當(dāng)兩個圓弧之間連線過短時，可能會導(dǎo)致仿真軟件網(wǎng)格劃分出錯，給仿真帶來了阻礙。盡量調(diào)整兩端圓弧的直徑大小，保證中間連線大于0.5 mm。

根據(jù)以上幾點優(yōu)化思路，不斷根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整腔體內(nèi)部設(shè)計，多次迭代后，最終得到優(yōu)化設(shè)計，如圖9 所示。

圖9 合路器腔體平面圖

采用優(yōu)化后的設(shè)計，對腔體蓋板重新進(jìn)行力學(xué)仿真，仿真結(jié)果如圖10 所示。優(yōu)化設(shè)計后的蓋板的變形大于0.01 mm 的區(qū)域占比很小，占比<10%。且蓋板的應(yīng)力在-10 MPa～-30 MPa基本連續(xù)，沒有斷開。

圖10 合路器蓋板形變圖（單位：mm）

為了對該設(shè)計方法進(jìn)行實際驗證，批量生產(chǎn)優(yōu)化后的合路器，除腔體蓋板外，其他物料及生產(chǎn)工藝保持與優(yōu)化前的產(chǎn)品一致，其批量生產(chǎn)的互調(diào)一次達(dá)成率見表2。

表2 互調(diào)一次達(dá)成率

對比優(yōu)化前的數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的合路器互調(diào)一次達(dá)成率在≤-155 dBc 這個范圍（該款產(chǎn)品的指標(biāo)要求）提升了40 個百分點，效果非常明顯；在≤-160 dBc 只提升了9 個百分點，其潛在原因是互調(diào)≤-160 dBc，該要求非常高，有可能還存在其他影響互調(diào)的因素。

3 總結(jié)

通過以上分析可以看到，通過力學(xué)仿真的手段，不斷優(yōu)化腔體結(jié)構(gòu)，使蓋板的變形小，同時保證蓋板與腔體接觸面的應(yīng)力連續(xù)，能夠提高腔體與蓋板之間的接觸連續(xù)性，從而提升無源器件的互調(diào)水平。且該方法通過產(chǎn)品的批量生產(chǎn)進(jìn)行對比驗證，得出在互調(diào)≤ -155dBc 時，改善明顯。目前該設(shè)計方法已在公司內(nèi)部推廣應(yīng)用，在設(shè)計階段可避免不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升產(chǎn)品性能的同時，可減少研發(fā)材料費用，提升研發(fā)效率。