一种平面螺旋天线设计改进

官军辉，郑明聪

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

天线是无线电设备中用来发射或接收电磁波的器件，它把传输线上传输的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电通信、广播、电视、雷达、导航、遥感等工程系统中，凡是利用电磁波来传输信息的，都依靠天线来进行工作。

随着超宽带系统在移动通信领域以及国防领域的应用，天线发挥着越来越重要的作用。如今的电子设备拥有高度集成化、小型化等特点，其对天线的要求也朝着频带更宽、尺寸更小、性能更好的方向发展。其中平面螺旋天线是一种常见的超宽带天线，具有宽频带、圆极化、低剖面、体积小等众多显著优点，其在定向探测、卫星通信和电子对抗等领域拥有很广泛的应用。

平面螺旋天线结构紧凑，电气性能指标要求多（驻波比、轴比、增益、波束宽度等），生产制造难度较大，批量生产时成品率较低，对材料、工艺、加工精度等要求较高。我所研制的一种超宽带平面螺旋天线，生产量较大，但制造合格率一直都在90%左右，主要不合格原因为驻波比超差，达不到设计技术指标要求（指标要求在2 GHz ～18 GHz 频率范围内，驻波比＜3）。该平面螺旋天线制造过程中采用胶粘工艺，一旦成品后返修极其困难，很容易造成报废，引发生产成本加大、天线质量降低、交付周期延长等各种不利影响，因此急需进行设计改进。

本文分析了该平面螺旋天线的故障原因，确定了设计改进措施，进行了实物验证，使该天线的合格率从90%提升到99%以上，并对提升天线质量提出了措施与建议。

1 故障分析

该平面螺旋天线主要由SMA 座、腔体、螺旋面、微带线、介质支撑、吸收材料几大结构件组成（如图1所示）。其中螺旋面（如图2所示）采用阿基米德螺旋线结构，具有宽频带、非频变特性。平衡器为指数渐变形式，完成馈电网络的阻抗匹配和模式匹配，其通过顶端的导引线与螺旋面连接进行馈电，螺旋面通过专用胶粘接在介质支撑上。由于螺旋面会产生一个双向的宽波束，而在实际使用中仅需要单向波束，通过在腔体内安装吸收材料来吸收螺旋面后向辐射，从而使天线形成单向波束。在系统应用中，天线通过SMA 座连接射频电缆和接收设备，从而接收电磁波。

图1 平面螺旋天线结构示意图

图2 螺旋面示意图

该平面螺旋天线为无源器件，在设计已经定型的情况下，其电性能主要靠结构和尺寸保证，因此加工装配的精度对保证天线的质量至关重要，装配中的每个环节出现失误或者不到位都有可能对天线电性能产生影响。通过对每一道装配流程进行细致的跟踪，对装配过程中出现的问题进行统计，笔者发现以下导致天线驻波超差的现象：

平面螺旋天线的生产装配工序一般如图3所示。

图3 平面螺旋天线制造工艺流程

（1）螺旋面焊盘脱落。在焊接螺旋面导引线的过程中，需将平衡器组件的导引线穿过螺旋面上的双孔，然后再进行焊接（如图4所示）。螺旋面双孔边为焊盘，其面积很小，如果稍有操作控制不当，导引线通过螺旋面双孔时有可能将螺旋面双孔边的焊盘带脱，导致接触不良。因此在穿线时需要格外注意和小心。

图4 导引线穿过螺旋面示意图

（2）微带线弯曲。导引线弯曲，焊接前没有进行校直，导致连接的微带线弯曲。

（3）焊点短路。螺旋面焊盘面积较小，仅有0.82 mm，焊接难度大、焊锡成型困难，焊锡稍有过多就容易造成两焊点短路。

2 改进措施

经过分析上述故障现象，这三项都跟导引线有着密不可分的关系。为此，对导引线进行了深入的研究。

该导引线所用材料为锡青铜线（QSn6.5 ～0.1，D.Ag3/Au3，Φ0.35），质地硬，成型后很难再次改变形状（类似于钢丝）。导引线原料为标准件，以绕线形式存放，车间取料后的形状弯曲（图5右），后续装配成平衡器组件（图6右），在图4的装配过程中，需将平衡器组件的导引线穿过螺旋面并焊接，此过程存在问题：

图5 导引线示意图

图6 平衡器组件示意图

（1）导引线质硬且弯曲，造成穿孔操作困难；

（2）导引线弯曲，通过螺旋面双孔时可能会将螺旋面双孔边的焊盘带脱；

（3）导引线弯曲，造成螺旋面焊接导引线时两焊点短路（图7右）。

图7 导引线与螺旋面焊接示意图

因此基本可以推断，锡青铜线材质较硬，难以校直是造成一系列问题的症结。如果将导引线更换为质地较软的材质，上述诸多问题有望解决。经过多次调研，铜线（T2y6-0.3，D.Ag7，Φ0.3）进入选择范围，该材料质地柔软，通过简单的操作即可校直。该导引线直径为Φ0.3，较之前的Φ0.35 相比直径变小，因此可能将螺旋面双孔（如图8所示）缩小，由2-Φ0.4 更改为2-Φ0.3，在确保导引线能顺利穿过螺旋面双孔的情况下，也使焊盘面积增大（由0.82 mm增大至1.04 mm），焊盘焊接后强度增强并且降低焊点短路的风险。

图8 螺旋面焊盘及双孔示意图

3 实物验证

确定设计改进措施后，按照改进方案装配了第一批10件试验件天线进行验证。通过跟踪装配过程，发现导引线穿过螺旋面时操作方便，零部件装配结果都能够达图5、图6、图7左图的状态，焊接螺旋面时焊锡易成型，焊点短路现象基本消失。用矢量网络分析仪对天线进行驻波比测试，10件天线全部达到指标要求，且有较大的余量（合格指标为驻波比＜3），相比之前改善明显（如图9、图10 所示）。

图9 改进前天线驻波比典型图（驻波比为3.22）

图10 改进后天线驻波比典型图（驻波比为2.52）

随后对这10 件天线的其余特征参数（方向图、波束宽度、轴比、增益等）进行了测试，也均达到了设计指标要求。

为了排除上述更改可能导致的天线结构稳定性问题，安排对这批10 件天线进行相关环境试验验证，包括温度试验和振动试验。试验后，天线结构完整，电气性能没有明显变化，证明更改措施不对天线的结构稳定性产生影响。随后启动了设计文件更改流程，完成了相关图纸的更改工作，对技术状态和工艺流程进行固化。

对后续生产批上百件天线进行跟踪，发现改进后，装配效率得到很大提高，基本不会出现返工返修现象，天线电性能得到明显改善，驻波比指标超差现象得到解决，成品率能够达到99%以上，天线质量提升明显，生产周期大幅缩短，设计改进有效。

4 提升天线质量措施与建议

通过这次平面螺旋天线改进工作，结合以往天线项目管理经验，提升天线质量，需要重点关注以下五方面。

4.1 提高天线装配精度

天线装配精度直接影响着天线的质量。天线在生产过程中，装配人员要严格按照图纸和工艺要求，小到一个焊点，大到一个零件的装配，每道工序都要做到精准无误，如果每道工序都有一些轻微的偏差和瑕疵，可能影响较小，但所有误差累积起来就会产生较大影响，使得最终完工的天线偏离设计指标要求，导致返工或者报废。

4.2 全过程进行检验

天线电性能主要靠结构和尺寸保证，因此对装配人员的专业技能要求很高。一方面天线装配人员不但要熟练掌握自己这道工序（钳装、电装、粘接）的工艺装配流程，也要了解其他工序的装配流程，对天线整个生产过程有个清晰地认识，对自己这道工序在整个生产中的作用和影响也要有系统的了解。另一方面，操作人员不但要肩负装配人员的责任，也要兼起检验员的义务，对零件和上道装配工序进行复检，对不符合规格的零件进行筛选，对上道工序出现的缺陷或者失误及时发现进行返修返工，避免一错再错。

4.3 识别关键装配过程

由于现场装配人员天线理论知识欠缺，按照工艺文件及图纸装配能够保证天线物理形态的实现，但无法完全保证电气性能满足要求。因此，调试人员通过对天线工作机理的深入了解，识别出影响天线电性能的关键装配点及关键尺寸。对关键装配点提出装配配合要求，如关键尺寸的对齐要求，修配范围及方向等，最终形成装配指导作业书并对装配者进行培训指导，达到在目前制造水平下提高成品率的效果。

4.4 加强天线中试工作

新天线投产后往往存在各种问题，包括设计、原材料质量、生产工艺等方面。这些问题往往与天线技术和工艺有关，建立天线中试体系能够全面系统地解决相关技术及工艺问题，提升天线可制造性。中试不是一个阶段，而是贯穿整个研发和制造流程的一系列工作活动，天线研发是从零到一的突破，而中试是一到一百的过程。在天线研制阶段，中试工程师需要加入天线的研发团队，提供天线可制造性的设计需求，对元器件和零件材料选择要认真考究，并提前规划新天线制造工艺要求，控制难点、要点；在中试试制阶段，中试工程师要聚焦于暴露天线技术状态问题，对制造中遇到的天线缺陷问题进行故障定位和机理分析，及时反馈设计问题给设计师，早发现早解决，促进天线可制造性提升，推动天线技术状态趋于稳定。由中试工程师参与研发全程落地，通过与设计师、质量师等的通力合作，为天线质量提供强力保障。

4.5 提升天线设计质量

好的天线质量一开始就是设计出来的，设计基因一旦被“注入”，直接决定了天线的各种功能特性（如性能指标）和非功能特性（如可靠性、维修性、可制造性等）。质量管理专家朱兰博士 提出的质量二八法则认为80%的产品质量问题都可以在设计阶段进行预防和消除。因此要通过多种手段来提升天线设计质量，减少设计缺陷。一要加强设计师能力培养，特别是年轻设计师，要发挥有经验设计师的“传、帮、带”作用，让年轻设计师尽快形成成熟设计能力；二要结合相关法律法规、标准要求及长期积累的设计经验，形成设计规范与准则，避免设计过程存在低级错误频繁犯、同类错误重复犯的现象。设计规范是组织设计工作和有效控制天线质量的重要依据，是将经验设计转变为规范化设计的重要保证措施，也是提高设计质量的重要保障。通过设计规范制约，使得设计工作逐步向规范化、标准化、科学化迈进。设计文件的输入、输出及设计行为都需要严格遵循程序、标准和规范等法规文件。三要加强设计监督及审核制约，从管理角度来监督、检查设计过程中的文件、活动和效果等事项是否达到设计规定要求，并对效果进行反馈，有助于天线质量管理。可以通过建立评审专家库、明确评审组长及专家团队责任、梳理天线评审checklist 等措施，从而切实提高天线设计质量。

5 结 论

本文分析了某型号平面螺旋天线故障原因，对天线设计进行了改进，验证结果显示天线驻波比得到优化，制造合格率显著提升。从整个改进过程来看，导引线的材质对天线驻波性能起着关键作用，相对柔软的材料易于校直，便于操作。同时在保证天线结构强度的前提下，尽可能选择直径较细的导引线，这样可以缩小螺旋面双孔、增大焊盘面积，降低焊点短路风险，从而进一步改善天线驻波。本文还对天线质量工作提出了5 点建议，对其他类型的电子装备生产制造和质量提升也有一定参考价值。