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致的，因此，筆者試圖通過力學仿真的手段，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。考慮到諧振柱在很多情況下都與腔體進行一體化設(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散，蓋板在螺釘?shù)闹行奈恢猛伦冃?，蓋板在遠離螺釘?shù)倪吘壩恢猛献冃?。通過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，針對性地進行以下幾個方面的優(yōu)化，主要目標是防止蓋板的變形，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)果進行調(diào)整，在蓋板變形量太大時，須增加腔壁來對蓋板進行支撐。

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。如果腔體的拓撲結(jié)構(gòu)導致孤島，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， 當兩個圓弧之間連線過短時，可能會導致仿真軟件網(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，對腔體蓋板重新進行力學仿真，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)一次達成率見表2。

表2 互調(diào)一次達成率

對比優(yōu)化前的數(shù)據(jù)，優(yōu)化后的合路器互調(diào)一次達成率在≤-155 dBc 這個范圍（該款產(chǎn)品的指標要求）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。