某X频段魔T结构优化设计与分析

程有伟 罗蓉 王欣

摘 要：结合工程测试中遇到问题，对某X频段微波关键件魔T进行分型设计，给出了两种结构设计方案，对匹配体位置偏差进行了数值计算，并结合HFSS仿真软件对该偏差值进行仿真验证计算。对于X频段以上的魔T结构设计，要采用匹配体与腔体一体化设计，并设计焊接工艺孔。在保证产品设计质量和成品率上有较高的应用价值。

关键词：分型设计 数值计算 一体化设计 焊接工艺孔

引言

某项目测试中，发现馈源网络某频段两个输出口轴比指标较差，只有0.8dB，而系统验收指标是0.5dB。经过逐级器件测试和排查，最后定位到网络中魔T性能很差，魔T和差端口隔离只有26dB，与仿真计算值偏差较大，严重影响系统的电性能。最终问题定位到魔T腔体中的匹配锥位置与理论位置存在偏差，且存在焊缝。魔T具有优良的功率分配特性、和差特性及端口匹配特性。但是随着带宽的扩大和频率的提高，对魔T腔体中的匹配体尺寸公差、位置公差、装配公差及焊接工艺由很高的要求。为解决因匹配体位置偏差和存在焊缝的问题，对魔T进行结构优化设计，对焊接工艺进行优化，增添焊接工艺槽和工艺孔，在设计阶段实现对产品质量进行把控，提高产品质量和性能。

1魔T设计现状

1 魔T介绍

魔T是一个4端口器微波器件，主要由主腔体和匹配体组成，如图1所示。魔T有如下重要特性[1]：

1）四端口完全匹配;

2）不仅E臂和H臂互相隔离，而且两侧壁（即1、2臂）也互相隔离;

3）进入一侧臂的信号，将由E臂H臂等分输出，而不进入另一侧臂;

4）进入H臂的信号，将由两侧臂等幅同相输出，而不进入E臂;

5）进入E臂的信号，将由两侧臂等幅反相输出，而不进入H臂;

6）若两侧臂同时加入信号，E臂输出信号等于两输入信号相量差的倍，

H臂输出信号等于两输入信号相量和的倍。所以E臂称为差臂，H臂称为和臂。

匹配体的作用是消除各路信号的反射，实现四个端口的匹配。

2 魔T的类型

依据带宽及性能指标参数，魔T的主要区别在于频段口径、匹配体的尺寸、位置及形状的不同。常见魔T的匹配体形状及离壁位置如图2所示，其中匹配锥紧贴侧壁类型的魔T在工程中应用较广。魔T常用的材料是铝材或铜材。

3.魔T结构设计存在的问题

魔T常用实现形式是将匹配体与主体分离，与主腔体采用拼焊的方法实现。该方法的缺点如下：

1）由于匹配体下端面与主体下壁接触面积较大，采用银钎焊或铝钎焊时在接触面位置存在缝隙、虚焊、局部的翘曲变形。

2）匹配体定位措施不合理和轴孔尺寸配合较大，匹配体在主腔体内定位精度较差，易发生偏移或倾斜。

上述缺点，严重影响魔T的功率分配、驻波、端口隔离、幅度相位等性能，使得器件无法使用。

3 魔T的改进优化设计

魔T是微波传输线的一种。传输线的物理长度与传输波长（在传输线中）的比值为电长度。随着频率的提高，器件的电长度数值就越小，对尺寸精度和位置精度要求就越高。以某X频段魔T为设计案例，进行优化设计。魔T结构设计的关键要素体现在以下三个方面：

1）匹配体的和主腔体的结构实现设计

2）匹配体相对于和端口和差端口位置进度设计

3）匹配体与主腔体的焊接工艺及焊接方式

3.1魔T的分型设计

1）匹配体与腔体底板分离设计

魔T由侧口波导、匹配体、主腔体、底板组成，如图3所示。各零件由精密加工设备完成加工，尺寸精度取决于设备的加工精度和。并将各零件进行精密装配和银钎焊焊接。匹配体下端圆止口直径为Φ9mm，尺寸上偏差为-0.02mm，尺寸下偏差为-0.05mm。底板定位孔直径为Φ9mm，尺寸上偏差为+0.03mm，尺寸下偏差为0mm。装配尺寸偏差最大值为0.08mm，位置偏差为0.04mm。侧口波导的位置偏差为0.04mm。主体与底板的位置偏差为0.075mm。

匹配体位置相对与中体面偏差为：

2）匹配体与腔体底板一体化设计

魔T由主腔体、匹配体组成，如图4所示。匹配体与底板及设计成一体，附带法兰的小部分，一体化设计和加工。主腔体和大部分法兰一体设计，一体化设计和加工。

主腔体和匹配体采用销钉定位，两部分位置尺寸偏差为0.015mm，尺寸位置进度为0.015mm。

3.2焊接工艺槽及工艺孔设计

微波元器件根据主体材料的不同，焊接工艺及焊接装配的缝隙也是不同的。铝材元器件采用铝钎焊，通常用炉焊钎焊法。铜材元器件采用银钎焊，通常采用火焰钎焊法。钎焊时，焊件是依靠熔化的钎料凝固后連接起来而使两被焊件连接。火焰钎焊时，将钎剂预先涂覆在接口表面或者先将钎料棒加热，沾以钎剂，然后带到经均匀加热达到钎焊温度的待焊表面。为确保钎料均匀地流布填充间隙，就必须在适当位置设计焊接工艺槽或工艺孔，以达到理想的焊接要求，

在匹配体与主腔体分离方案中，匹配体下端面和主腔体侧面接触面积较大。为解决熔化的焊料毛细作用范围有限的问题，在匹配体下端面和主腔体侧面设置焊接工艺孔，用于预埋焊料和助焊剂，如图3所示。确保决焊接处不存在焊缝和虚焊问题，提高产品焊接质量。

在匹配体与腔体底板一体化设计方案中，焊缝主要位于匹配体的侧面和主腔体接触面的位置，焊缝较少，如图4所示。主腔体侧壁设计焊接工艺孔，避免焊接缺陷的存在。

4 HFSS中尺寸偏差值仿真验证

在HFSS仿真软件中，将匹配体位置调整量设置为核算后的尺寸偏差值，并进行仿真计算。

经仿真验证，在匹配体与主腔体分离方案中，匹配锥的加工误差对端口驻波和EH臂的端口隔离都有巨大的影响，偏离0.047mm后，一方面驻波由-28dB变为-18dB，急剧降低系统的驻波性能，另一方面EH臂的隔离由-54dB变为-22dB，对系统轴比有很大影响，如图5和图6所示。该位移偏差值到了Ku频段、Ka频段或更高的频段的元器件时，会造成更大的影响。

5 结束语

通过对某X频段魔T设计了两种结构实现方案，并对匹配体的位移偏差进行了计算和分析，将核算的数值带入HFSS仿真软件，进行仿真验证。对与X以上的频段，魔T器件性能指标要求高的项目中，须采用匹配体与腔体底板一体化设计方案，器件装配精度可以得到保证，同时也减少了焊接缺陷的存在，大大提高了产品的设计质量和成品率。为类似微波关键器件的设计提供了设计思路和参考。具有较大的工程价值。

参考文献

[1]张润逵.雷达结构于工艺.上册.电子工业出版社，2007.4.

作者简介：

程有伟 男，中国电子科技集团公司第 39 研究所卫星应用事业部工程师，主要从事微波结构设计工作。

罗蓉 女，中国电子科技集团公司第 39 研究所卫星应用事业部工程师，主要从事微波天线方面的研究工作。

王欣 女，中国电子科技集团公司第 39 研究所卫星应用事业部工程师，主要从事微波结构设计工作。