濾波器頻率調(diào)節(jié)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)

在 無線電頻率的S-、C-、X-波段(2.6 to 12.4 GHz)，手動(dòng)調(diào)節(jié)集總電感電容(LC)濾波器的頻率是一件麻煩事，需要花很多的時(shí)間。所幸的是，一種軍用制造技術(shù)(ManTech)程序已經(jīng)開發(fā)出來， 用以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)過程的自動(dòng)化。應(yīng)用這一系統(tǒng)，調(diào)節(jié)過程變得異常迅速，時(shí)間從原來手動(dòng)調(diào)節(jié)需要的兩個(gè)小時(shí)縮短到十分鐘以內(nèi)。相關(guān)制作過程所需要的時(shí)間也從原來 的12個(gè)小時(shí)以上下降到4小時(shí)以內(nèi)。

在 千兆赫波段，元件尺寸非常之小，類似在繞線電感中使用小金屬來調(diào)節(jié)頻率的方法往往不能有效解決問題。要知道，千兆赫波段的繞線電感與普通鉛筆芯的尺寸相 近。要制作一個(gè)尺寸合適的金屬片，并把它安裝到這樣大小的繞線電感中是非常困難的。高頻濾波器的頻率調(diào)節(jié)往往是這樣完成的：“手動(dòng)控制原有繞線電感每匝之 間的距離或者修剪一對(duì)絞線的長(zhǎng)度，因?yàn)檫@對(duì)絞線的線間電容能直接影響濾波器的頻率。

在這個(gè)項(xiàng)目之前，濾波器頻率調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)做法(基線方法)是手動(dòng)控制繞線電感每匝之間的距離。這個(gè)方法需要在設(shè)定溫度下手動(dòng)標(biāo)定電感，經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練的技術(shù)人員，手工填寫的數(shù)據(jù)表以及相當(dāng)數(shù)量的操作人員。平均而言，利用這個(gè)方法花費(fèi)的調(diào)整時(shí)間在一到兩個(gè)小時(shí)之間。

一 種新的自動(dòng)化工藝被開發(fā)出來以代替原有的方法。與之前使用繞線電感不同的是，這是一種半集總的平面射頻/微波濾波器(圖一)。它由分布式并聯(lián)電容，串聯(lián)電 容，串聯(lián)電感以及集總串聯(lián)電容構(gòu)成。平面射頻/微波濾波器的頻率調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)并聯(lián)電容焊盤的大小來完成的。比起基線方法，這個(gè)方法的好處顯而易見：對(duì)電 感不需要事先進(jìn)行標(biāo)定;對(duì)操作者要求也相對(duì)較低;數(shù)據(jù)由電腦直接生成，不需要手動(dòng)填寫;不需要很多操作人員。

圖1、在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，半集總的射頻/微波濾波器取代了傳統(tǒng)的繞線電感。

通 過了解材料的剝除方式以及所使用的設(shè)備，一套全自動(dòng)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)被開發(fā)出來，付諸應(yīng)用。對(duì)一些特例，研究了濾波器的性能與被剝除的材料的量之間的關(guān)系，包括 被剝除的基材的量對(duì)整個(gè)濾波器性能的影響。在圖二中，你可以看到這套自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的照片。它主要包括一臺(tái)銑床(LPKF ProtoMat 91s/Vs)，一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)分析儀(HP 8720D)，計(jì)算機(jī)，打印機(jī)以及特制的測(cè)試調(diào)節(jié)支架。

圖2、自動(dòng)調(diào)節(jié)工作站能夠?qū)Χ喾N不同類型的濾波器進(jìn)行修剪，調(diào)節(jié)，測(cè)量，記錄并生成日志數(shù)據(jù)。

測(cè)試/調(diào)節(jié)支架被固定在銑床的前面，它包含一個(gè)固定在精密線性滑軌上的兩位置濾波器支架(后面的位置用于測(cè)試，前面的位置用于調(diào)節(jié))。

圖3、自動(dòng)調(diào)節(jié)工作站的測(cè)試/調(diào)節(jié)支架固定在一精密滑軌上，有前后兩個(gè)位置，分別用來做調(diào)節(jié)和測(cè)試。

在測(cè)試位置，計(jì)算機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)分析器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的期望值進(jìn)行比較(圖四)。隨后，必要的修剪程序就自動(dòng)被計(jì)算出來，這個(gè)程序?qū)τ诿恳粋€(gè)濾波器都是唯一的。

圖4、在這個(gè)測(cè)試位置，網(wǎng)絡(luò)分析器將采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

得到修剪程序之后，濾波器被移到加工位(圖五)。在這里，計(jì)算機(jī)控制銑床銑除部分金屬來實(shí)現(xiàn)濾波器的調(diào)節(jié)(圖六)。

圖5、一旦修剪程序被確定下來，濾波器就被移到加工位。

圖6、在加工位，銑床接收計(jì)算機(jī)的指令從線路上剝除金屬，達(dá)到調(diào)節(jié)濾波器的目的。

切 割深度通過手動(dòng)調(diào)節(jié)加工頭上的千分尺來完成，步距為0.025 mm。濾波器在測(cè)試位和調(diào)節(jié)位上反復(fù)移動(dòng)，直到達(dá)到所需的電氣特性為止。每當(dāng)調(diào)節(jié)過程完成時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)打印出一張數(shù)據(jù)表，給下一步的裝配提供必要的信 息;并把信息保存在數(shù)據(jù)庫中。很多種濾波器都可以用這種方法調(diào)節(jié)，其中包括半集總元件，阻尼電阻以及交叉指型。

這 一自動(dòng)化的工藝能夠在10分種以內(nèi)實(shí)現(xiàn)濾波器的精確調(diào)節(jié)，與之前的基線方法相比，大幅節(jié)約了時(shí)間。另外，在相關(guān)制作過程中節(jié)約的時(shí)間進(jìn)一步的減小了生產(chǎn)時(shí) 間。仔細(xì)算起來，由于該方法無需對(duì)電感定標(biāo)，同時(shí)在基材加工，組裝和調(diào)節(jié)上大幅提升了效率，總的來說，每加工一個(gè)濾波器就能節(jié)約10個(gè)小時(shí)。我們預(yù)計(jì)，通 過進(jìn)一步研究參數(shù)，改進(jìn)分析軟件，我們將可能確定所需的濾波器的物理結(jié)構(gòu)。這樣一來，濾波器的一次加工成型成為可能，調(diào)節(jié)不再是必須的工作。目前，新開發(fā) 的頻率調(diào)節(jié)工藝已經(jīng)被用在愛國(guó)者導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(PAC-3)所需的S-和C-波段的濾波器上。