鄧克強(qiáng) 吳傳富 趙青松

深圳市鴻南電子有限公司，中國·廣東 深圳 518000

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對電容器技術(shù)要求越來越高，所以在電源設(shè)計過程中要考慮到可靠性問題。駐極體源解決了電容器工作時產(chǎn)生噪聲、振動和功率損耗等難題。論文首先介紹了駐極體電容器的組成結(jié)構(gòu)及理論基礎(chǔ)；然后分析其質(zhì)量影響因素并進(jìn)行研究計算討論；最后提出保證其穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性同時提高效率的措施，以達(dá)到最佳性能目的為目的。對主要參數(shù)優(yōu)化方法做簡要探討并且給出論文結(jié)論。

2 駐極體電容器的可靠性理論

2.1 駐極體電容器的數(shù)學(xué)描述

駐極體電容器的工作頻率是指其功率為1～3 kA，能量轉(zhuǎn)化率則是指在一定時間內(nèi)，在腔體內(nèi)傳播到接收天線時發(fā)出信號強(qiáng)度。在理論上來說，它對所傳輸信息具有較強(qiáng)的吸收能力。當(dāng)我們使用電池作為電源來供電或負(fù)載用電設(shè)備進(jìn)行工作時會有大量電流通過，如果電池自身產(chǎn)生了故障或者損壞，會導(dǎo)致整個裝置發(fā)生失步現(xiàn)象，甚至燒毀電路，造成不可挽回的損失和人員傷亡等情況出現(xiàn)。駐極體電容器的工作頻率是指其功率與所接收到天線負(fù)載功率之比，若它較高會使得其在發(fā)射和接收信號方面的損耗增大，影響到器件性能。當(dāng)在麥克風(fēng)中傳播到障礙物和接收端時，會出現(xiàn)噪聲，這將導(dǎo)致整個天線陣元器件產(chǎn)生共振，甚至損壞。因此我們要根據(jù)實(shí)際情況來選擇諧振頻率和阻抗匹配。對于電容式駐極體并聯(lián)陣列的電路系統(tǒng)來說，串聯(lián)電阻的大小是一個非常重要的因素，相反而言耦合小也就意味著電容器本身對高頻信號有放大作用，但是不能完全消除其特性影響。所以在選擇諧振頻率時要根據(jù)實(shí)際情況選取，這樣才能保證電容陣列麥克風(fēng)的質(zhì)量[1]。

2.2 駐極體電容器的可靠性計算

駐極體電容器的工作原理是，在其基體內(nèi)部放置電極材料，并與金屬導(dǎo)體構(gòu)成一個整體。當(dāng)電源線和電池接通時便形成了電路，而接收端則為整個系統(tǒng)中傳輸能量所需電能的儲存裝置（包括電容）。由于駐極體電容器本身結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，其有體積較大及功率較小等特點(diǎn)，這使得其通常采用雙管電控元件來進(jìn)行供電。在實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中常常出現(xiàn)的問題是，如果使用的是三繞組變壓器形式的電源線和濾波回路構(gòu)成整體時，駐極體電容器陣列的整體性能就會受到影響，當(dāng)其工作在特定條件下時，它將無法保證穩(wěn)定性。

3 駐極體電容器麥克風(fēng)可靠性設(shè)計的研究

3.1 駐極體電容器麥克風(fēng)的設(shè)計原則

駐極體電容器的設(shè)計要考慮以下幾點(diǎn)原則：

①在保證其功率與輸出功率平衡分配時，應(yīng)該使所需電源和負(fù)載電流都接近最大，從而不會導(dǎo)致電源突然斷電，這樣就會大大提高了系統(tǒng)工作可靠性。

②當(dāng)需要使用駐極體電容麥克風(fēng)時，應(yīng)滿足駐極體電容器的設(shè)計合理性以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，駐極體電容麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)符合短接和穩(wěn)定輸出，在使用中要求其具有較高的可靠性。

3.2 駐極體電容器麥克風(fēng)的可靠性研究過程

在對電容器進(jìn)行研究時，需要考慮到如下幾個因素：首先，駐極體電容麥克風(fēng)的工作環(huán)境和條件都非常復(fù)雜。因?yàn)樗且环N非線性介質(zhì)，而且它還具有很多不確定性。所以要用什么樣的方式來提高其可靠性成了一個需要思考的重要問題。其次就是對于駐極體電容傳感器來說，材料本身存在一些不可避免地影響特性而導(dǎo)致性能下降、壽命縮短等一系列現(xiàn)象發(fā)生，所以需要在使用材料的時候盡量避免這些不利因素[2]。駐極體電容麥克風(fēng)是一種很好的傳感器，對提高其可靠性的研究具有重要的意義。

深圳市鴻南電子有限公司的工作人員操作自動測試環(huán)節(jié)見圖1。

3.3 可靠性設(shè)計的研究程序

在對駐極體麥克風(fēng)的可靠性進(jìn)行設(shè)計之前，首先要研究一下什么是可靠性，它指的是能夠達(dá)到我們所要求的質(zhì)量、性能和壽命，而這幾個方面又分別作用于各個元件。所以對于駐極體電容器陣列麥克風(fēng)來說，就需要先確定好每個元器件所處位置以及它們所在環(huán)境，從而來完成整個系統(tǒng)中各參數(shù)之間相互配合。我們要對駐極體電容器麥克風(fēng)進(jìn)行可靠性研究，首先就要分析駐極體電容傳感器和天線等效元件，以及了解其失效概率。其次就是對每一個組件都應(yīng)該有一定的處理能力，以保證其在工作過程能正常穩(wěn)定地進(jìn)行。

在設(shè)計的過程當(dāng)中，首先要對電源結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，并且確定其使用壽命。其次是根據(jù)駐極體電容器麥克風(fēng)中元器件工作環(huán)境和參數(shù)特性以及它們可能出現(xiàn)的故障來選取合適材料。最后就是確定開關(guān)頻率與響應(yīng)值，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后再制作相關(guān)附件，確定是否能正常運(yùn)行完成相關(guān)任務(wù)。然后便是對于所需要設(shè)計元件的選擇，它不僅要滿足我們對性能高穩(wěn)健性的要求，而且還必須保證其可靠性及穩(wěn)定性。圖2為深圳市鴻南電子有限公司的SMT 車間，其具有可靠性高、抗震能力強(qiáng)、焊點(diǎn)缺陷率低等特點(diǎn)。

4 駐極體電容器麥克風(fēng)的噪聲實(shí)驗(yàn)研究

4.1 駐極體電容器麥克風(fēng)噪聲源

在駐極體電容器麥克風(fēng)中，噪聲主要來自聲源，其中包含了電容和電子管等器件本身產(chǎn)生的噪聲。在駐極體電容器基站的運(yùn)行中，噪聲是影響麥克風(fēng)壽命和使用性能最重要的因素之一。為了保證其工作可靠性并延長電池充電時間，降低設(shè)備投資成本，必須對天線輻射場進(jìn)行嚴(yán)格分析研究。振腔諧波頻率是指由共振器所提供的激勵下，移頻信號隨時間變化而提高到接收機(jī)額定值時相應(yīng)幅度減小這一反相關(guān)系數(shù)，也可以說當(dāng)振動幅度增大時就會降低輸出功率因數(shù)，并且使得各正反饋?zhàn)杩共痪鶆?，從而?dǎo)致噪聲污染加劇，這就是我們所說到駐極體電容器麥克風(fēng)中存在的聲源問題。

深圳市鴻南電子有限公司的可靠性實(shí)驗(yàn)室見圖3。

4.2 駐極體電容器聲場分布

聲場分布是指傳感器陣列接收到的駐極體天線后，會在其內(nèi)部產(chǎn)生一個特定方向感向不同位置出現(xiàn)時相應(yīng)變化。聲源與駐極體電容器麥克風(fēng)之間存在一種耦合關(guān)系，當(dāng)接收端和發(fā)射機(jī)輸出為電壓值相同且相距較遠(yuǎn)時則有可能形成較大差異，這就是所謂的輻射干擾效應(yīng)。而聲波到達(dá)接收器之后則具有一定距離并且此時還帶有一定頻率下所需要的能量，此時接收端和發(fā)射機(jī)輸出之間存在一個輻射干擾，這便是所謂的聲場分布效應(yīng)。在駐極體電容器陣列麥克風(fēng)中，由于其工作頻率較低，因此對信號進(jìn)行處理時必須考慮到聲波到達(dá)接收器之后所造成的影響[3]。

駐極體電容器麥克風(fēng)的聲場分布是指聲源與接收器之間所存在的距離，一般情況下，兩者間越接近30 m 時對天線輻射功率就越大。為了提高傳感器和接收機(jī)系統(tǒng)中發(fā)射裝置對噪聲信號產(chǎn)生的有效抑制作用，通常采用不同方法減小材料厚度，利用制作電極板以及使用雙頭聚氨酯密封墊等方式來增加駐極體電容麥克風(fēng)自身隔聲降噪能力，還可以通過改變駐極體源與接收器之間的距離或者在收攏過程中將兩者間隔絕，從而達(dá)到提高聲場的駐極體電容麥克風(fēng)自身隔音能力和穩(wěn)定性。

4.3 駐極體電容器的振動特性

在駐極體電容器的工作過程中，振動會影響到電容桿與基液之間產(chǎn)生的摩擦，同時還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。所以說要想獲得較高的聲功率值就必須要求其內(nèi)部存在較大且相對穩(wěn)定、均勻分布和良好的機(jī)械特性，而為了達(dá)到這一效果就需要將諧振頻率降低。但實(shí)際情況下由于能量消耗和質(zhì)量損失等因素使得駐極體電容器工作時噪聲比其他類型電容桿低得多，因此在這種理想條件下應(yīng)盡可能減小共振現(xiàn)象產(chǎn)生。另外，為了獲得較高的聲功率值，應(yīng)盡量避免共振現(xiàn)象帶來的影響。在實(shí)際的應(yīng)用中，由于電容器工作環(huán)境復(fù)雜，所以對電池進(jìn)行振動頻率計算，從而得到共振狀態(tài)下振動機(jī)體的固有頻率。根據(jù)聲學(xué)方法和理論分析可以得出駐極體天線陣電容式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確響應(yīng)。但是這種方式需要很高精度設(shè)備來支持運(yùn)行維護(hù)，這導(dǎo)致它無法應(yīng)用于駐極體內(nèi)部工作，這樣就會導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中也沒有辦法精確計算共振位置，對其工作造成一定程度上的影響甚至是損壞，所以目前還只是停留在試驗(yàn)階段，還需要進(jìn)一步的研究和開發(fā)。

4.4 駐極體電容器的噪聲干擾

在駐極體電容器麥克風(fēng)中，通常有一些噪聲源，如電容諧振產(chǎn)生的噪聲，電子傳輸對電源干擾和電磁兼容引起的噪聲，放大器本身產(chǎn)生的高頻振動，帶通濾波電路也可能使得電容器工作頻段內(nèi)所存在著大量噪聲污染。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，通常會有噪聲源，主要是由機(jī)械振動產(chǎn)生。因此為了降低噪聲對駐極體電容器麥克風(fēng)質(zhì)量影響，提高其可靠性水平，就必須研究并分析減小聲阻差問題的方法。在聲源的作用下，如果噪聲大于駐極體功率，則聲音就會被衰減到周圍空氣中。因此對聲學(xué)來說，要降低它和振型之間的距離是非常困難的，而且也沒有辦法做到降噪。而對于電聲傳感器而言又必須要求其低阻抗（db/e）才能滿足快速響應(yīng)特性。為了提高麥克風(fēng)自身工作時發(fā)出聲波能量的利用率，必須研究如何提高其可靠性。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在很多領(lǐng)域上都用到了振動式麥克風(fēng)，這種方式具有成本低、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。它可以滿足人們對其穩(wěn)定性和可靠性要求。駐極體天線是一種新型結(jié)構(gòu)器件，與傳統(tǒng)振子相比擁有體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)以及能耗較低等特點(diǎn)。但是缺點(diǎn)就是需要大量制作電容陣列來減小振動頻率范圍，同時在應(yīng)用過程中也容易產(chǎn)生諧波污染，使其可靠性降低。論文主要研究的是駐極體電容器麥克風(fēng)的可靠性，并根據(jù)其工作特性，來對它進(jìn)行改進(jìn)，使它更加可靠地在實(shí)際中應(yīng)用。