微带天线产品质量管控的方法研究与实践

肖继红、孟菁、王晓飞 /北京航天长征飞行器研究所

佟铁峰 /北京临近空间飞行器系统工程研究所

在现代无线通信系统中，需要一种将射频能量从发射端发射出去或者将射频能量从接收端接收进来的专用设备，这种设备被称为天线，其主要功能是发射或接收电磁波。在发射系统中，它将电信号转化为自由空间中的电磁波；在接收系统中，它将自由空间的电磁波转化为电信号，从而实现发射与接收系统间电磁能量的传递。

微带天线诞生于1953 年，主要由天线基板、天线底座、高频电连接器组成，见图1。微带天线贴片的形状可以是圆形、矩形或三角形等多种形状，其中矩形贴片微带天线是最常用的天线形式。与传统的振子、抛物面天线相比，微带天线具有体积小、剖 面低、重量轻、能与载体（飞行器、卫星等）共形、多频段、易于集成等优点，被广泛应用于移动通信、卫星导航、射频识别与合成孔径雷达等无线通信系统。近年来，微带天线逐步在众多天线种类中脱颖而出，成为具有远大应用前景的一类天线，在航天领域成为天线家族中至关重要的一员。

图1 微带天线组成示意图

表1 质量问题统计

随着科学技术的发展与进步，无线通信系统迫切需要高精度、多功能的天线系统，众多科研工作者基于微带天线技术开展研究，很快涌现出形式多样且功能各异的微带天线，如圆极化微带天线、小型化微带天线、宽频带微带天线等。北京航天长征飞行器研究所承担着飞行器天线的研制、生产调试及交付任务，由于天线性能的好坏直接影响着飞行器系统的整体性能，所以全面提升微带天线产品的质量具有重要意义。对研究所2013－2017 年天线产品在整个生命周期内的质量情况进行统计，得出产品每个阶段的平均返修率，见表1。

从表1 可以看出，验收试验阶段的返修率最高，而在鉴定试验阶段的返修率最低。多年来，研究所在飞行器天线产品的质量管控方面形成一套管理办法，在实际工作中取得了一定的成效，但从航天产品100%可靠的高要求角度考虑，产品质量依然存在一定差距。因此，如何全面提升微带天线产品质量成为研究所亟待解决的问题。

一、微带天线产品质量管控工作策划

1.微带天线的特性分析

一是微带天线与边界环境一体化。

由于飞行器的特殊使用要求，除了天线自身的电气性能外，还要充分考虑天线安装环境及天线所处力热环境的影响。因此，微带天线在设计时要充分考虑边界环境条件并进行一体化设计，而微带天线的电性能调试、测试要求必须在真实舱体下进行，或在天线窗调试工装下进行。在实际工作中，通常会在保留天线窗口周边3～5 倍波长范围内的结构和大面积防热材料，并使用真实状态的天线保护盖板情况下进行微带天线的调试、测试。

二是微带天线具有可调性。

微带天线的天线基板是一块介质基板，下表面上附有导电层作为接地面使用，上表面上附有一定形状的导电层（天线贴片）。天线贴片和导电层相互作用产生电磁场，通过天线贴片向外辐射能量。因此，通过调整金属薄片的尺寸大小可实现微带天线的性能调整。

在实际应用中，微带天线必须进行调试的原因主要有2 个方面：一是微带天线在设计阶段要充分考虑边界环境条件并进行一体化设计，由于微带天线的实际周边安装环境与理想的仿真模型环境之间存在一定的误差，因此微带天线产品的实测性能相比仿真结果会有所变化，为了使天线的性能达到最佳，必须在实际安装状态下进行配调；二是受防护盖板、微带印制板等非金属材料的影响，一方面防护盖板、微带印制板相对介电常数与理想的仿真模型之间存在一定的偏差，另一方面受加工工艺所限，防护盖板、微带印制板存在批次性的差异，为了使天线的性能达到最佳，必须对微带天线进行配调。

三是微带天线实现形式多种多样。

微带天线的实现形式是多种多样的，以多频带微带天线为例，其实现形式主要包括：单一贴片结构的微带天线、单层基片和多个贴片结构的微带天线、多层重叠贴片结构微带天线。

2.质量管控方法的研究思路

由于飞行器的特殊使用环境，使得航天产品对质量、可靠性和安全性提出了更高的要求。结合微带天线这一类产品，从任务需求开始到最终产品交付要经历多个过程，具体如图2 所示。

天线产品在整个生命周期内要经历多个过程，每个过程都要严控质量。产品的质量不仅仅指产品的性能指标，还特指产品所具备的一组固有特性满足要求的程度，是从产品设计、生产过程中获取。这也就意味着，要想获得高质量的产品，必须对产品设计、生产全过程实施质量管控，而过程控制最有效的方法是PDCA 循环法。

3.产品质量管控规划

目前，研究所承担的微带天线任务分别处于多个阶段，天线产品一直采用事中控制和事后检测的方式，即在产品交付前的整个流程中对产品100%进行测试，以便控制交付产品的合格率；通过对产品5%～20%抽样进行可靠性鉴定试验，确定产品的环境适应性是否达到客户要求。一旦发现问题，通过一次PDCA 循环进行解决，新的问题出现后再实施一次PDCA 循环，这种静态的质量控制方式仅考虑到产品在出厂前的某个静态时点的质量状态，但没有动态地考虑产品在全生命周期的质量水平。客户给出的质量目标是所有产品在整个使用周期内综合性、动态的质量要求。通过借鉴质量管理中的 PDCA 循环模式，建立一个适用于动态PDCA 循环管理的模型，如图3 所示。

在动态PDCA 循环管理模型中，“过程质量评价”是一个独立环节，是有效质量管理的开端，并贯穿于质量管理过程的始终，为组织实施质量管理的过程提供反馈，最终形成一个动态循环的过程。

二、实施内容

1.有效分解过程，实现嵌套循环管控

在对2013－2018 年天线产品问题统计、分析的基础上，从工程技术角度查找出各阶段影响天线产品质量的五大类原因，分别为：材料特性和工艺参数波动、参数内控方式、测试环境、调试方法及测试边界条件的差异，如图4 所示。

应用动态PDCA 循环管理模型时，通过对复杂管理问题进行分解细化，将PDCA 循环设计成嵌套循环，分别针对分解出的多个独立过程设计PDCA 循环。通过对图5 进一步分析，得出天线产品从调试→测试→验收→鉴定→总装是一个动态的循环过程，彼此之间环环相扣、互相关联，而这其中最为关键的是调试阶段。首先，对调试阶段进行详细分解，如图5 所示；然后，按照此方法分别对测试阶段、验收阶段、鉴定阶段和总装阶段进行分解。

在图5 中对过程的分解可以看出，从客户需求开始，到设计、生产、测试、试验再到交付是一个复杂的过程。在应用中，根据管理层次和工作内容，通过将管理过程分解为多个独立过程来设计PDCA 循环过程，并将复杂的管理问题分解细化，以便划分给不同的专业和人员。每个过程都需要结合本阶段的任务、目的进行深入分析，对本阶段产品的质量结果进行认真检查，用数据表征每个阶段的运行成果，并及时对运行成果进行总结。

一是分析现状、查找问题。对2013－2017 年 不 同 型 号、不同批次的微带天线调试合格率进行统计，统计结果表明：微带天线调试的平均返修率为4.55%。为此，要针对微带天线调试的问题研究微带天线调试的方法。

二是确定处置的目标。经过认真分析，在以往成功经验的基础上提出微带天线调试返修率降低到2%。

三是剖析原因、查找关键。由于微带天线调试返修率涉及的质量因素很多，需要利用因果图分别对人、机、料、法、环、测5 个环节进行分析，在现场调查、收集数据、开展分析并验证的基础上，找到造成微带天线调试返修率高的主客观原因。

图3 动态PDCA循环管理模型

四是制定措施、处置计划。针对微带天线调试返修率高的问题，在“5W”（ Why、What、Where、Who、When）原则的基础上，制定出切实可行的工作计划。为提高微带天线产品质量，把微带天线调试返修率降低到2% 以下，在试验现场由有经验的调试人员负责在10个工作日内完成 “微带天线调试规范”编写，并在编写完成后的5 个工作日内完成对相关人员的培训。

五是实施计划、优化过程。在计划的实施过程中，组织调试人员与设计人员进行沟通，了解产品的特性及调试规律，并与设计人员一起讨论产品调试的细则和重点。组织全组人员学习、讨论，以进一步明确产品调试的条件、项目、指标要求、步骤及方法，对调试过程进行更详细的规定，以使微带天线由原来的无章可循变为调试人员有章可依，解决了由于调试方法、调试人员差异造成的天线返修率高的问题。

六是严格要求、检查执行。对微带天线调试进行跟踪和监督。通过现场检查，对严格执行的给与鼓励及奖励，对没有严格执行的则要分析原因，有难点的帮助解决，没有难点的则督促其严格执行。

七是完善规范、提炼成果。在计划完成的基础上对成功经验进行总结，通过论证和分析将这些经验形成详尽的微带天线调试细则，以使微带天线调试返修平均率从4.55% 降低到0.4%。

八是总结教训、持续处置。在任务完成后及时总结教训和不足，通过数据统计及分析发现，现阶段存在有源天线总装交付后指标超差的质量问题，需将本次PDCA 循环中没有解决的问题转入下一轮PDCA 循环，以使质量管理逐步达到最优化。

图4 各阶段影响天线产品质量的过程原因

2.数据有效关联，实现动态管控

天线产品可靠性评价的关键依据是产品测试数据，由于飞行器天线的电性能及环境适应性要求越来越高，天线产品的测试数据变得越来越复杂。目前，研究所承担的天线任务分别处于多个阶段，每个阶段的天线包含有源及无源两大类，每类天线包含线极化和圆极化2 种，每种天线又包含单频天线和多频天线。虽然不同的天线具有不同的特质，但表征天线的基本性能是一致的。面对如此多样化、多状态的天线，为了清晰地描述产品测试数据，需在天线产品的生命周期中按产品类别对产品数据进行分类，如图6 所示。

图5 微带天线产品测试流程分解

图6 数据动态管理

质量管理策划阶段。通过建立的数据分类，对多项目有源天线出现的质量问题进行聚类分析，再经过相关的试验得到测试数据，找到影响质量的主要原因，并对各个原因逐一进行试验验证，通过对得到的测试数据进行分析，做到尽快制定出切实可行的措施进行处置。

质量管理实施阶段。针对有源天线出现的质量问题，在计划的实施过程中分别从设计、生产、试验测试环节进行整改。在设计环节，通过电器设计、结构设计人员相互配合，完善产品设计，从技术上提升产品的抗静电能力；在生产环节，通过工艺、工人相互配合，在产品生产过程中杜绝静电对产品的损害；在试验测试环节，通过实验室防静电的整体改造、有源天线防静电设计改进以及测试人员严格按防静电对产品进行操作，以使有源天线产品质量得到提升。

质量管理处置阶段。以质量管理检查阶段的结果为基础，对整个过程的成功经验进行提炼及总结，将成功经验形成后续可执行的标准及规范，且在一定的范围内进行培训，以便于在后续工作中严格执行。对于整个过程中的不足之处进行归纳，以防止后续工作中问题再现；对于尚未解决的问题要制定处置方案，并对处置效果进行检查，对于尚未解决的问题，提交给下一个 PDCA 循环解决，以持续处置。

表2 质量问题统计

三、实践效果及后续思路

通过将动态PDCA 循环法引入微带天线产品质量管控中，从2018 年7 月至今，微带天线产品质量情况统计见表2。

经过对整个产品周期的有效分解，分层实施动态PDCA循环过程，使得微带天线产品质量有了大幅度的提高，类似质量问题没有再次发生，技术人员水平得到提高，实施效果非常显著。

从天线产品的整个生命周期可以看出，这是一个复杂多变的过程，质量问题无时不在、无处不在，任一过程的质量隐患都会是质量问题产生的要因。因此，必须要掌握一种有效的产品质量管理方法。提升产品质量是永无止境的，在今后的工作中依然会面对各种各样的质量问题，该研究成果具备普遍的适用性和实际操作性，通过该方法的有效尝试，可以在相关领域起到借鉴作用。