一種平面螺旋天線設(shè)計改進

官軍輝，鄭明聰

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

天線是無線電設(shè)備中用來發(fā)射或接收電磁波的器件，它把傳輸線上傳輸?shù)膶?dǎo)行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。在無線電通信、廣播、電視、雷達、導(dǎo)航、遙感等工程系統(tǒng)中，凡是利用電磁波來傳輸信息的，都依靠天線來進行工作。

隨著超寬帶系統(tǒng)在移動通信領(lǐng)域以及國防領(lǐng)域的應(yīng)用，天線發(fā)揮著越來越重要的作用。如今的電子設(shè)備擁有高度集成化、小型化等特點，其對天線的要求也朝著頻帶更寬、尺寸更小、性能更好的方向發(fā)展。其中平面螺旋天線是一種常見的超寬帶天線，具有寬頻帶、圓極化、低剖面、體積小等眾多顯著優(yōu)點，其在定向探測、衛(wèi)星通信和電子對抗等領(lǐng)域擁有很廣泛的應(yīng)用。

平面螺旋天線結(jié)構(gòu)緊湊，電氣性能指標要求多（駐波比、軸比、增益、波束寬度等），生產(chǎn)制造難度較大，批量生產(chǎn)時成品率較低，對材料、工藝、加工精度等要求較高。我所研制的一種超寬帶平面螺旋天線，生產(chǎn)量較大，但制造合格率一直都在90%左右，主要不合格原因為駐波比超差，達不到設(shè)計技術(shù)指標要求（指標要求在2 GHz ～18 GHz 頻率范圍內(nèi)，駐波比＜3）。該平面螺旋天線制造過程中采用膠粘工藝，一旦成品后返修極其困難，很容易造成報廢，引發(fā)生產(chǎn)成本加大、天線質(zhì)量降低、交付周期延長等各種不利影響，因此急需進行設(shè)計改進。

本文分析了該平面螺旋天線的故障原因，確定了設(shè)計改進措施，進行了實物驗證，使該天線的合格率從90%提升到99%以上，并對提升天線質(zhì)量提出了措施與建議。

1 故障分析

該平面螺旋天線主要由SMA 座、腔體、螺旋面、微帶線、介質(zhì)支撐、吸收材料幾大結(jié)構(gòu)件組成（如圖1所示）。其中螺旋面（如圖2所示）采用阿基米德螺旋線結(jié)構(gòu)，具有寬頻帶、非頻變特性。平衡器為指數(shù)漸變形式，完成饋電網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配和模式匹配，其通過頂端的導(dǎo)引線與螺旋面連接進行饋電，螺旋面通過專用膠粘接在介質(zhì)支撐上。由于螺旋面會產(chǎn)生一個雙向的寬波束，而在實際使用中僅需要單向波束，通過在腔體內(nèi)安裝吸收材料來吸收螺旋面后向輻射，從而使天線形成單向波束。在系統(tǒng)應(yīng)用中，天線通過SMA 座連接射頻電纜和接收設(shè)備，從而接收電磁波。

圖1 平面螺旋天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 螺旋面示意圖

該平面螺旋天線為無源器件，在設(shè)計已經(jīng)定型的情況下，其電性能主要靠結(jié)構(gòu)和尺寸保證，因此加工裝配的精度對保證天線的質(zhì)量至關(guān)重要，裝配中的每個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤或者不到位都有可能對天線電性能產(chǎn)生影響。通過對每一道裝配流程進行細致的跟蹤，對裝配過程中出現(xiàn)的問題進行統(tǒng)計，筆者發(fā)現(xiàn)以下導(dǎo)致天線駐波超差的現(xiàn)象：

平面螺旋天線的生產(chǎn)裝配工序一般如圖3所示。

圖3 平面螺旋天線制造工藝流程

（1）螺旋面焊盤脫落。在焊接螺旋面導(dǎo)引線的過程中，需將平衡器組件的導(dǎo)引線穿過螺旋面上的雙孔，然后再進行焊接（如圖4所示）。螺旋面雙孔邊為焊盤，其面積很小，如果稍有操作控制不當，導(dǎo)引線通過螺旋面雙孔時有可能將螺旋面雙孔邊的焊盤帶脫，導(dǎo)致接觸不良。因此在穿線時需要格外注意和小心。

圖4 導(dǎo)引線穿過螺旋面示意圖

（2）微帶線彎曲。導(dǎo)引線彎曲，焊接前沒有進行校直，導(dǎo)致連接的微帶線彎曲。

（3）焊點短路。螺旋面焊盤面積較小，僅有0.82 mm，焊接難度大、焊錫成型困難，焊錫稍有過多就容易造成兩焊點短路。

2 改進措施

經(jīng)過分析上述故障現(xiàn)象，這三項都跟導(dǎo)引線有著密不可分的關(guān)系。為此，對導(dǎo)引線進行了深入的研究。

該導(dǎo)引線所用材料為錫青銅線（QSn6.5 ～0.1，D.Ag3/Au3，Φ0.35），質(zhì)地硬，成型后很難再次改變形狀（類似于鋼絲）。導(dǎo)引線原料為標準件，以繞線形式存放，車間取料后的形狀彎曲（圖5右），后續(xù)裝配成平衡器組件（圖6右），在圖4的裝配過程中，需將平衡器組件的導(dǎo)引線穿過螺旋面并焊接，此過程存在問題：

圖5 導(dǎo)引線示意圖

圖6 平衡器組件示意圖

（1）導(dǎo)引線質(zhì)硬且彎曲，造成穿孔操作困難；

（2）導(dǎo)引線彎曲，通過螺旋面雙孔時可能會將螺旋面雙孔邊的焊盤帶脫；

（3）導(dǎo)引線彎曲，造成螺旋面焊接導(dǎo)引線時兩焊點短路（圖7右）。

圖7 導(dǎo)引線與螺旋面焊接示意圖

因此基本可以推斷，錫青銅線材質(zhì)較硬，難以校直是造成一系列問題的癥結(jié)。如果將導(dǎo)引線更換為質(zhì)地較軟的材質(zhì)，上述諸多問題有望解決。經(jīng)過多次調(diào)研，銅線（T2y6-0.3，D.Ag7，Φ0.3）進入選擇范圍，該材料質(zhì)地柔軟，通過簡單的操作即可校直。該導(dǎo)引線直徑為Φ0.3，較之前的Φ0.35 相比直徑變小，因此可能將螺旋面雙孔（如圖8所示）縮小，由2-Φ0.4 更改為2-Φ0.3，在確保導(dǎo)引線能順利穿過螺旋面雙孔的情況下，也使焊盤面積增大（由0.82 mm增大至1.04 mm），焊盤焊接后強度增強并且降低焊點短路的風險。

圖8 螺旋面焊盤及雙孔示意圖

3 實物驗證

確定設(shè)計改進措施后，按照改進方案裝配了第一批10件試驗件天線進行驗證。通過跟蹤裝配過程，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)引線穿過螺旋面時操作方便，零部件裝配結(jié)果都能夠達圖5、圖6、圖7左圖的狀態(tài)，焊接螺旋面時焊錫易成型，焊點短路現(xiàn)象基本消失。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進行駐波比測試，10件天線全部達到指標要求，且有較大的余量（合格指標為駐波比＜3），相比之前改善明顯（如圖9、圖10 所示）。

圖9 改進前天線駐波比典型圖（駐波比為3.22）

圖10 改進后天線駐波比典型圖（駐波比為2.52）

隨后對這10 件天線的其余特征參數(shù)（方向圖、波束寬度、軸比、增益等）進行了測試，也均達到了設(shè)計指標要求。

為了排除上述更改可能導(dǎo)致的天線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題，安排對這批10 件天線進行相關(guān)環(huán)境試驗驗證，包括溫度試驗和振動試驗。試驗后，天線結(jié)構(gòu)完整，電氣性能沒有明顯變化，證明更改措施不對天線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。隨后啟動了設(shè)計文件更改流程，完成了相關(guān)圖紙的更改工作，對技術(shù)狀態(tài)和工藝流程進行固化。

對后續(xù)生產(chǎn)批上百件天線進行跟蹤，發(fā)現(xiàn)改進后，裝配效率得到很大提高，基本不會出現(xiàn)返工返修現(xiàn)象，天線電性能得到明顯改善，駐波比指標超差現(xiàn)象得到解決，成品率能夠達到99%以上，天線質(zhì)量提升明顯，生產(chǎn)周期大幅縮短，設(shè)計改進有效。

4 提升天線質(zhì)量措施與建議

通過這次平面螺旋天線改進工作，結(jié)合以往天線項目管理經(jīng)驗，提升天線質(zhì)量，需要重點關(guān)注以下五方面。

4.1 提高天線裝配精度

天線裝配精度直接影響著天線的質(zhì)量。天線在生產(chǎn)過程中，裝配人員要嚴格按照圖紙和工藝要求，小到一個焊點，大到一個零件的裝配，每道工序都要做到精準無誤，如果每道工序都有一些輕微的偏差和瑕疵，可能影響較小，但所有誤差累積起來就會產(chǎn)生較大影響，使得最終完工的天線偏離設(shè)計指標要求，導(dǎo)致返工或者報廢。

4.2 全過程進行檢驗

天線電性能主要靠結(jié)構(gòu)和尺寸保證，因此對裝配人員的專業(yè)技能要求很高。一方面天線裝配人員不但要熟練掌握自己這道工序（鉗裝、電裝、粘接）的工藝裝配流程，也要了解其他工序的裝配流程，對天線整個生產(chǎn)過程有個清晰地認識，對自己這道工序在整個生產(chǎn)中的作用和影響也要有系統(tǒng)的了解。另一方面，操作人員不但要肩負裝配人員的責任，也要兼起檢驗員的義務(wù)，對零件和上道裝配工序進行復(fù)檢，對不符合規(guī)格的零件進行篩選，對上道工序出現(xiàn)的缺陷或者失誤及時發(fā)現(xiàn)進行返修返工，避免一錯再錯。

4.3 識別關(guān)鍵裝配過程

由于現(xiàn)場裝配人員天線理論知識欠缺，按照工藝文件及圖紙裝配能夠保證天線物理形態(tài)的實現(xiàn)，但無法完全保證電氣性能滿足要求。因此，調(diào)試人員通過對天線工作機理的深入了解，識別出影響天線電性能的關(guān)鍵裝配點及關(guān)鍵尺寸。對關(guān)鍵裝配點提出裝配配合要求，如關(guān)鍵尺寸的對齊要求，修配范圍及方向等，最終形成裝配指導(dǎo)作業(yè)書并對裝配者進行培訓(xùn)指導(dǎo)，達到在目前制造水平下提高成品率的效果。

4.4 加強天線中試工作

新天線投產(chǎn)后往往存在各種問題，包括設(shè)計、原材料質(zhì)量、生產(chǎn)工藝等方面。這些問題往往與天線技術(shù)和工藝有關(guān)，建立天線中試體系能夠全面系統(tǒng)地解決相關(guān)技術(shù)及工藝問題，提升天線可制造性。中試不是一個階段，而是貫穿整個研發(fā)和制造流程的一系列工作活動，天線研發(fā)是從零到一的突破，而中試是一到一百的過程。在天線研制階段，中試工程師需要加入天線的研發(fā)團隊，提供天線可制造性的設(shè)計需求，對元器件和零件材料選擇要認真考究，并提前規(guī)劃新天線制造工藝要求，控制難點、要點；在中試試制階段，中試工程師要聚焦于暴露天線技術(shù)狀態(tài)問題，對制造中遇到的天線缺陷問題進行故障定位和機理分析，及時反饋設(shè)計問題給設(shè)計師，早發(fā)現(xiàn)早解決，促進天線可制造性提升，推動天線技術(shù)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。由中試工程師參與研發(fā)全程落地，通過與設(shè)計師、質(zhì)量師等的通力合作，為天線質(zhì)量提供強力保障。

4.5 提升天線設(shè)計質(zhì)量

好的天線質(zhì)量一開始就是設(shè)計出來的，設(shè)計基因一旦被“注入”，直接決定了天線的各種功能特性（如性能指標）和非功能特性（如可靠性、維修性、可制造性等）。質(zhì)量管理專家朱蘭博士 提出的質(zhì)量二八法則認為80%的產(chǎn)品質(zhì)量問題都可以在設(shè)計階段進行預(yù)防和消除。因此要通過多種手段來提升天線設(shè)計質(zhì)量，減少設(shè)計缺陷。一要加強設(shè)計師能力培養(yǎng)，特別是年輕設(shè)計師，要發(fā)揮有經(jīng)驗設(shè)計師的“傳、幫、帶”作用，讓年輕設(shè)計師盡快形成成熟設(shè)計能力；二要結(jié)合相關(guān)法律法規(guī)、標準要求及長期積累的設(shè)計經(jīng)驗，形成設(shè)計規(guī)范與準則，避免設(shè)計過程存在低級錯誤頻繁犯、同類錯誤重復(fù)犯的現(xiàn)象。設(shè)計規(guī)范是組織設(shè)計工作和有效控制天線質(zhì)量的重要依據(jù)，是將經(jīng)驗設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)范化設(shè)計的重要保證措施，也是提高設(shè)計質(zhì)量的重要保障。通過設(shè)計規(guī)范制約，使得設(shè)計工作逐步向規(guī)范化、標準化、科學(xué)化邁進。設(shè)計文件的輸入、輸出及設(shè)計行為都需要嚴格遵循程序、標準和規(guī)范等法規(guī)文件。三要加強設(shè)計監(jiān)督及審核制約，從管理角度來監(jiān)督、檢查設(shè)計過程中的文件、活動和效果等事項是否達到設(shè)計規(guī)定要求，并對效果進行反饋，有助于天線質(zhì)量管理?？梢酝ㄟ^建立評審專家?guī)?、明確評審組長及專家團隊責任、梳理天線評審checklist 等措施，從而切實提高天線設(shè)計質(zhì)量。

5 結(jié) 論

本文分析了某型號平面螺旋天線故障原因，對天線設(shè)計進行了改進，驗證結(jié)果顯示天線駐波比得到優(yōu)化，制造合格率顯著提升。從整個改進過程來看，導(dǎo)引線的材質(zhì)對天線駐波性能起著關(guān)鍵作用，相對柔軟的材料易于校直，便于操作。同時在保證天線結(jié)構(gòu)強度的前提下，盡可能選擇直徑較細的導(dǎo)引線，這樣可以縮小螺旋面雙孔、增大焊盤面積，降低焊點短路風險，從而進一步改善天線駐波。本文還對天線質(zhì)量工作提出了5 點建議，對其他類型的電子裝備生產(chǎn)制造和質(zhì)量提升也有一定參考價值。