基于模态分析的微波介质振荡器抗振结构设计

杨志杰，刘建栋

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)



基于模态分析的微波介质振荡器抗振结构设计

杨志杰，刘建栋

(中国电子科技集团公司第13研究所，石家庄 050051)

用Abaqus有限元模态分析法进行微波部、组件结构设计可以提高盒体结构的可靠性和产品的性能。针对一种典型的微波介质振荡器(DRO)产品的模态分析得出其固有频率、振型及应力应变分布，提出产品在进行电路布局时的抗振动优化设计方案。经过结构优化设计的Ku波段DRO在100～1 kHz范围、功率谱密度0.08 g2/Hz的强振动条件下相噪恶化不超过5 dB，输出频谱顶端展宽不超过1 kHz，信号频谱无扭曲、杂波，满足了实际工程的需求，提出了结合抗振设计优化电路设计的新思路。

模态分析；抗振设计；介质振荡器；电路布局

0 引 言

微波介质振荡器(DRO)将具有高品质因数(Q值)的介质谐振器作为反馈稳频元件集成到微波振荡器电路中，从而实现了特定频率的稳定输出，具有相位噪声低、体积小、成本低、效率高、温度稳定性高和可靠性高等优点[1]，在雷达、电子对抗、精确制导等各种微波系统被广泛采用。DRO在振动环境下易出现电性能下降, 严重的将导致零部件失效、疲劳损伤甚至破坏。所以对DRO的抗振动性能进行优化设计是提高整个设备的抗振动能力、保证产品性能和可靠性的重要手段。

本文用有限元模态分析方法对DRO结构进行模态分析，通过改善谐振腔结构来提高固有频率, 避免DRO与安装板发生共振，分析固有振型, 改进结构,去指导产品结构设计，解决了DRO在强振动条件下性能下降的问题，提高了产品的可靠性。

1 振动条件下DRO失效模式及原因分析

振动对电子设备的电性能以及系统的稳定性影响最大,容易引起设备的破坏。其现象大致可分为两类:(1)结构与工艺性破坏,如结构件的疲劳、断裂、磨损、连接件的松动、分离等;(2)功能与性能破坏,包括工作失灵、性能降低等[2-3]。DRO属于微波组件，出现的故障情况主要为后者，表现为相位噪声恶化、跳频、散谱、杂波等，文献[4]中认为主要原因是在振动机械波的作用下谐振腔体发生形变，造成谐振腔内场分布发生连续的随机变化。在振动条件下，DRO输出信号频谱常见的有如图1所示几种。

图1 DRO在振动条件下输出信号的频谱图

在图1中，从A至D，频谱现象依次为：A光滑、B曲折明显、C出现杂波、D严重散谱。在工程使用中，A情况对系统的性能无影响，可以正常使用； B、C和D 3种情况将导致系统的性能下降、丧失。

本文针对Ku波段高端抗振动DRO展开具体分析和设计。该DRO的相位噪声要求为-85 dBc/Hz@10 kHz；要求DRO在如图2所示的随机振动且没有任何减振措施的条件下，相噪恶化不超过5 dB，输出频谱顶端展宽不超过1 kHz，信号频谱无扭曲、杂波等情况出现，即达到图1所示的A类情况。此时，振动的RMS=11.5 g，属于强振动条件。

图2 DRO随机振动条件图

为了提高DRO组件的可靠性，用Abqus有限元分析的方法对部件进行模态分析。在分析固有振型、共振频率的基础上有的放矢地改善结构来提高固有频率，避免DRO组件与安装载体发生共振，提高抗振特性。

2 DRO组件结构的模态分析

2.1 理论依据

在经典力学理论中，物体振动的通用方程为[5]：

(1)

式中：M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度系数矩阵；X为力矢量。

无阻尼系统特征通用方程为：

(K-ω2M)φ=0

(2)

通过式(2)可以求出结构的各阶固有频率ω和对应的固有振型向量φ。用Abaqus有限元分析软件建立DRO组件结构的模型，划分网格，施加边界条件，进行求解，通过线性模态分析来指导结构设计。

2.2 DRO组件结构的模态分析

DRO组件的模态分析用于分析结构的振动特性，即固有频率和振型。固有频率越高，结构的刚度越强，可靠性越高。为了避免DRO组件与安装载体发生共振，部件的固有频率要远高于安装载体的振动基频为好。DRO组件的结构尺寸为(32×28.5×12)mm3,组件的固定方式为通过盒体背面4个固定孔固定到外部部件中，盒体结构内部由隔墙把不同的电路单元分隔开。DRO组件的结构模型如图3所示。

图3 DRO组件结构

在AbaqusS有限元分析软件中对组件划分网格，约束施加到盒体背面的4个安装孔上，这4个安装孔的网格密度比较大。由于底面的厚度不同，所以盒体的网格密度要适中，密度太大，会影响运算的时间，密度过小，可能会导致模拟结果不够精确，通过优化设置网格数量为59 041个，网格的示意图如图4所示。

图4 模态分析网格示意图

对4个固定DRO组件的螺钉点处施加约束，由图2所示的振动条件，得出载荷条件如图5所示。

图5 赋予组件的振动载荷条件

通过Abaqus有限元模态分析法提取了DRO组件的前4阶模态，其固有频率的振型特点：第1阶频率为4 292.8Hz, 第2阶频率为8 040.6Hz，最大位移均发生在盒体内壁的顶部；第3阶频率为9 066.5Hz，第4阶频率为9 549.3Hz,最大位移均在盒体中间的分隔墙及其底部位置，如图6所示。

图6 组件4阶模态示意图

由于DRO在承受的振动机械波的作用下谐振腔体发生形变，造成谐振腔内场分布发生连续的随机变化，所以必须保证谐振腔处无共振的情况以及应变最小。依据此要求，电路结构的模态分析效果不是很理想，有必要进行改进。

2.3 DRO组件电路布局的改进

用有限元分析法对DRO组件结构进行模态分析，提高DRO组件结构的固有频率方法包括选择杨氏模量高、密度小的金属材料，增加部件与安装载体的接触面积;减小部件自由端到约束面的高度；减小部件的整体结构等[6]。改进方案是对盒体结构进行调整，改进易变性部位，提高结构的抗振能力。改进电路采用立体组装技术，将电源单元安装在盒体的侧面，体积减少为(28.5×25×12)mm3,从而有效降低了盒体的底面积和体积，同时在底部增加了安装固定螺钉孔的数量。其外形如图7所示。

图7 DRO组件改进后结构示意图

图8 DRO组件的网格示意图

通过仿真计算得出了2种结构的各阶共振频率的具体值，如表1所示。利用相同的方法对改进后的盒体进行模态分析，得到的分析结果如图9所示。

表1 2种结构的1～4阶共振频率对比

图9 改进后组件的模态分析示意图

由对比结果可以看出，改进后结构的共振频率提高了近1倍，最大位移均在盒体电源部分的侧壁上，即盒体的体积越小，质量也就越小，振动频率越高，从而可以提高组件的抗振动特性。

2.4 DRO组件结构材料的选择

结构的刚度是指在静态时抵抗变形的能力，在动态时结构的固有频率。刚度越大，抵抗变形的能力越强，自身的固有频率也越高。

部件固有频率的通用公式为[5]:

(3)

结构的静态刚度(即盒体的抗压刚度A和抗弯刚度D)的计算公式分别为：

A=Et/(1-γ2)

(4)

D=Et3/(12-12γ)=At2/12

(5)

式中：E为材料的弹性模量(MPa);t为材料的壁厚(mm);γ为材料的泊松比。

由公式(4)、(5)可以得出，盒体壁厚越大，刚度越大，质量有严格要求。若要盒体的质量尽可能小，就要在对部件结构进行设计时综合考虑质量和刚度问题，在确保结构重量的前提下，刚度尽量大。选取工程中常用的可伐(4J34)和硬铝合金2A12(LY-12)2种材料进行仿真分析对比。表2为2种材料的特性对比。

表2 2种材料特性对比

经改进后的DRO组件机构采用2种材料分别进行模态分析，得出2种材料在1～4阶的共振频率的计算结果对比，如表3所示。

表3 2种材料1～4阶共振频率对比(单位：Hz)

通过仿真对比，盒体选用了2A12(LY-12)铝合金材料。该材料具有强度高、比刚度大、密度小、易于加工的性能。其高强度利于满足力学环境试验中动态载荷的响应；比刚度即杨氏模量高能够提高自身的刚度；密度小有利于减轻DRO组件的总重量。

3 研制结果

表4为Ku波段DRO常规测试的结果，图10为振动测试的信号频谱。

表4 主要电性能参数

图10 介质振荡器振动条件下输出信号频谱

从测试结果可以看出，经过优化设计的DRO在强振动条件下，远端、近端无杂波，偏离中心频率10 kHz处的相位噪声为-83 dBc/Hz，频谱为A类。同时还具有体积小、相位噪声低、频率稳定度高的优点。

4 结束语

本文主要根据典型的DRO结构模态分析结果，从电路布局的角度提出改善其抗振性能的方法及措施。本文的研究表明，为了使DRO组件既能实现电路功能，又能满足抗振性能和可靠性的要求，应一改以往以电路功能设计为中心，事后验证抗振性能、可靠性的设计思想，建立结合抗振设计最优化电路的设计思想。

对于不同的安装形式和结构形式，也可通过模态分析找出其振动应变应力极大区，以指导其电路布局的抗振动优化设计。本文的一些方法和结论对于微波组件的应力分析、热分析等涉及到环境适应性的设计和分析也有一定的参考意义和价值。

[1] 刘建栋，刘红兵，高燕宇.Ku 波段小型化功率介质振荡器的研制[J].半导体技术，2009(8)：817-820.

[2] Steinberg Dave S.电子设备振动分析[M].北京:航空工业出版社，2012.

[3] 吴毅萍.电子设备振动分析与抗振设计[J].舰船科学技术，2007(10)：88-91.

[4] 王学芝，席晟尧，郭朴阳.Ku波段低相噪抗过载介质振荡器的设计[J].微波学报，2012(6)：169-171.

[5] 马晓峰.ABAQUS6.11有限元分析从入门到精通[M].北京:清华大学出版社，2013.

[6] 边国辉，高翠琢.微波部件模态分析在结构设计中的应用[J].半导体技术，2009(6)：566-568.

Anti-vibration Structure Design of Microwave Dielectric Resonator Oscillator Based on Modal Analysis

YANG Zhi-jie,LIU Jian-dong

(The 13th Research Institute,CETC,Shijiazhuang 050051,China)

Using Abaqus finite eliment modal analysis method to design the structure of microwave components can raise the reliability of box-structure and the performance of production.This paper performs modal analysis to typical microwave dielectric resonator oscillator (DRO) to gain the intrinsic frequency,oscillation type and stress strain distribution,presents anti-vibration optimization design project when the production is carrying through circuit layout.After structure optimization design,in strong vibration condition of power spectrum density 0.08 g2/Hz and scope 100～1 kHz,the phase noise deterioration of optimized DRO in Ku-band is less than 5 dB,peak width spread of output spectrum is less than 1 kHz,and signal spectrum has no distortion and clutter,which satifies the request of practical engineering and gives new thought optimizing circuit combing anti-vibration design.

modal analysis;anti-vibration design;dielectric resonator oscillator;circuit layout

2014-12-16

TN752.5

B

CN32-1413(2015)02-0108-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.028