基于力学仿真的无源互调优化设计

贺 斌 马浩军 熊国际

（京信射频技术（广州）有限公司， 广东 广州 510663）

0 引言

无源互调（PassiveIntermodulation， PIM）是指当两个或多个射频信号同时通过无源器件时产生的新的频率，当这些新频率落入接收通道时，就会成为接收系统的干扰之一。从产生机理上来说，PIM 是由于无源器件的材料非线性和接触非线性导致的[1]。其中接触非线性中很大一部分是由于腔体与盖板之间接触不良导致的，因此，笔者试图通过力学仿真的手段，研究如何优化腔体结构，使腔体与盖板之间的接触更加线性，从而提升器件的互调水平。

1 局部受力分析

1.1 单个螺钉处受力分析

以合路器为例，其主要的部件为腔体、盖板、谐振柱、接头、螺钉及调谐螺杆。考虑到谐振柱在很多情况下都与腔体进行一体化设计，在电磁波的传播路径上，潜在的接触非线性的风险点最大处依次为：腔体与盖板的接触、接头与腔体的接触、调谐螺杆与盖板的接触。笔者着重在改善腔体与盖板的非线性接触。腔体与盖板通常是采用M3 的螺钉连接，螺钉头是圆柱体，作用在盖板上后，盖板的变形就以螺钉为圆心往四周扩散，盖板在螺钉的中心位置往下变形，盖板在远离螺钉的边缘位置往上变形。通过分析单个螺钉处盖板受力情况，来了解盖板的变形及应力规律。

腔体的支撑面足够大，不同螺钉头直径下的盖板变形及受力情况如下。建立模型：盖板及腔体的支撑面均设置为直径20 mm，螺钉头的直径分别5.4 mm 及5.7 mm，根据仿真结果：两者的盖板的变形有微小不同，盖板与腔体之间的接触应力基本一致。相同螺钉头直径，腔体支撑面不同的盖板受力情况如下。建立模型：螺钉头直径是5.5mm，腔体的支撑面是一个凸缘，从左到右的直径分别是5.2mm、5.5mm、5.8mm，盖板直径均为20 mm。通过图1 形变图可看出：腔体的支撑面越小，盖板的形变量越大。图2 应力图所示盖板与腔体之间的接触应力基本一致。通过以上分析得到以下结论：在预紧力不变，腔体的支撑面足够大的情况下，螺钉头的大小对盖板变形及应力的影响不大。盖板的变形量与腔体支撑面的大小有直接关系，要减少盖板的变形，就要增加腔体的支撑面，应不小于螺钉头的直径；腔体支撑面的大小对盖板的应力影响不大。

图1 形变图

图2 应力图

1.2 腔体不同壁厚、结构形式的受力分析

如图3 所示，腔体壁厚有3 种常规结构形式，从左至右，分别为①均匀壁厚5.0 mm；②中间壁厚3.0 mm，螺钉位置鼓包5.5 mm；③均匀壁厚5.5 mm，中间铣槽宽3 mm，深0.4 mm。针对以上3 种情况分别建立模型，分析盖板的变形以及应力情况。

图3 腔体的3 种常用壁厚形式

图4 是结构形式①的盖板形变及应力图，从形变图可看出，盖板基本上是整体向下变形，中间螺钉孔位置变形幅度更大。在应力图中，由于腔体壁比较厚，盖板与腔体的接触面积较大，导致螺钉与螺钉之间，盖板与腔体的接触面的应力是不连续的。

图4 结构①的盖板形变及应力图

图5 是结构形式②的盖板形变及应力图，从形变图来看，盖板同样是整体向下变形且变形幅度比形式①更大。从应力图来看，由于腔体与盖板之间的接触面积较少，盖板与腔体的接触面的应力较为连续，比形式①要优。

图5 结构②的盖板形变及应力图

图6 是结构形式③的盖板形变及应力图，从形变图来看，盖板的变形集中在螺钉两侧区域，最外围变形较小，变形面积比形式①、②都要小。从应力图来看，由于腔体壁开槽，减少了腔体与盖板之间的接触面积，接触面的应力都是连续的。

图6 结构③的盖板形变及应力图

在稳定性方面的分析，螺钉在紧固后会产生应力松弛和蠕变，螺钉的预紧力就会减弱。根据以往的实验结果，公司所采用的M3*8 螺钉在85 ℃老化8 h 后预紧力下降约18%。针对这三种结构形式，在其他条件不变的情况下，将预紧力调低18%后重新进行仿真，分别对比盖板的变形和应力情况。从仿真结果看：当预紧力下降后，结构形式①与结构形式③的盖板中间的变形量减少，但周边的变形基本保持一致，结构形式②的盖板的变形量变化很大。3 种结构形式的盖板应力变化都基本一致。

通过以上分析得到以下结论：腔体与盖板接触的壁越厚，盖板就越不容易变形，稳定性也越好；减少了腔体与盖板之间的接触面积，可以增加接触应力。上面描述的3 种结构形式，从仿真结果来看，第三种形式表现最优，盖板的变形小，应力大且稳定性佳，其缺点是质量最大。

2 优化设计及验证

选取一款4 频合路器，互调指标要求如下：三阶反射互调：≤-155dBc@2×43dBm，目前批量生产的互调一次通过率见表1。其腔体设计如图7 所示，基本采用的是上述第2 种结构形式。

图7 合路器腔体平面图

表1 互调一次通过率

对合路器盖板的变形及应力分析可知，其变形量较大，变形大于0.01 mm 的区域占约60%以上，主要分布在调谐螺杆的位置（图8 所示）。盖板的应力在-10 MPa～-30 MPa 不连续，在盖板的四周有局部断开。

图8 合路器盖板变形及应力图（单位：mm）

根据以上问题，针对性地进行以下几个方面的优化，主要目标是防止盖板的变形，盖板与腔体之间的应力尽可能连续。

将整体结构形式分析更改为第3 种，即将合路器四周及每个通路的中间壁厚更改为均匀壁厚5.5 mm，中间铣槽宽3 mm，深0.4 mm 的形式。

两个螺钉相连的腔壁设计为直壁，如果腔壁有弧度，则保证两个螺钉的中心线落在腔壁内，中心线与腔壁的距离不小于1 mm。

螺钉头是圆柱体，作用在盖板上面的应力与变形都是以螺钉的轴心为中心向外发散的，要使盖板的受力与变形均匀，腔体支撑的地方就要以螺钉为中心尽量设计成对称结构。

优化腔壁布局，调整螺钉间距，避免出现螺钉布局间距不均的情况。如果螺钉之间的间距差异太大，根据仿真结果，会使盖板的变形有突变，可适当调整腔壁，使螺钉的间距为12mm～15mm。

腔体外圈靠近四个边角的位置，通常需要减重处理。当减重部分大时，其优点是能减轻质量，但是盖板的支撑距离拉远了，盖板的变形会加大，所以减重部分并不是越大越好，而必须根据仿真结果进行调整，在盖板变形量太大时，须增加腔壁来对盖板进行支撑。

局部腔体窗口下沉设计，两个谐振柱之间的窗口大小要根据耦合量来设计，有时候窗口的位置多布一个螺钉又太密，但没有螺钉又压不紧（在应力分析图上显示应力不连续），将窗口位置下沉1 mm，避免腔体与盖板接触。

优化腔壁末端设计，以往在腔壁末端通常设计成直径5.5 mm 的圆柱，经过仿真分析发现此处对应盖板的变形会大于0.015 mm 且应力也非常集中，经过多次调整后改为在腔壁末端留出一段距离，距离螺钉中心4.5 mm 以内，增加了局部支撑，减少了盖板的变形。

腔内孤岛设计，如果腔内有一个圆柱没有和其他腔壁相连，形成孤岛。孤岛自身强度很低，加工容易出问题，而且孤岛的支撑力不够，盖板在该位置的变形很大。如果腔体的拓扑结构导致孤岛，笔者须保证盖板腔体之间的应力足够的同时，变形尽量小。通过不断对比不同直径的孤岛对盖板变形及应力的影响，推荐采用直径8 mm 的圆柱体。

避免圆弧之间的连线过短， 当两个圆弧之间连线过短时，可能会导致仿真软件网格划分出错，给仿真带来了阻碍。尽量调整两端圆弧的直径大小，保证中间连线大于0.5 mm。

根据以上几点优化思路，不断根据仿真结果调整腔体内部设计，多次迭代后，最终得到优化设计，如图9 所示。

图9 合路器腔体平面图

采用优化后的设计，对腔体盖板重新进行力学仿真，仿真结果如图10 所示。优化设计后的盖板的变形大于0.01 mm 的区域占比很小，占比<10%。且盖板的应力在-10 MPa～-30 MPa基本连续，没有断开。

图10 合路器盖板形变图（单位：mm）

为了对该设计方法进行实际验证，批量生产优化后的合路器，除腔体盖板外，其他物料及生产工艺保持与优化前的产品一致，其批量生产的互调一次达成率见表2。

表2 互调一次达成率

对比优化前的数据，优化后的合路器互调一次达成率在≤-155 dBc 这个范围（该款产品的指标要求）提升了40 个百分点，效果非常明显；在≤-160 dBc 只提升了9 个百分点，其潜在原因是互调≤-160 dBc，该要求非常高，有可能还存在其他影响互调的因素。

3 总结

通过以上分析可以看到，通过力学仿真的手段，不断优化腔体结构，使盖板的变形小，同时保证盖板与腔体接触面的应力连续，能够提高腔体与盖板之间的接触连续性，从而提升无源器件的互调水平。且该方法通过产品的批量生产进行对比验证，得出在互调≤ -155dBc 时，改善明显。目前该设计方法已在公司内部推广应用，在设计阶段可避免不合理的结构设计，提升产品性能的同时，可减少研发材料费用，提升研发效率。