某雷達(dá)片式有源模塊公差分析及優(yōu)化

楊婷婷,路偉欣

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽 合肥 230088)

0 引言

隨著雷達(dá)集成度要求的不斷提高,片式有源陣列天線已成為目前的重要研究方向[1]。片式有源模塊作為片式有源陣列天線的核心部件,憑借其鮮明的優(yōu)點(diǎn)和難度成為研究重點(diǎn)。相比于磚塊式模塊結(jié)構(gòu),片式模塊結(jié)構(gòu)擁有集成度高、尺寸小、易擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn),但設(shè)計(jì)難度較大,散熱難、公差累積等問(wèn)題很難解決[2-3]。

片式有源模塊作為雷達(dá)的核心部件,內(nèi)部信號(hào)傳輸非常重要,信號(hào)不通或信號(hào)傳輸質(zhì)量差將直接影響整個(gè)雷達(dá)性能。在某片式有源模塊的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn):T/R組件裝配后部分組件很難測(cè)試正常,現(xiàn)象往往為T/R組件中一兩個(gè)通道工作正常而其他通道工作不正常,并且測(cè)試全部正常的片式模塊在完成應(yīng)力篩選試驗(yàn)后,經(jīng)測(cè)試確認(rèn)T/R組件損壞多只,其余組件還能工作但內(nèi)部可能有損傷。

經(jīng)仔細(xì)查找原因發(fā)現(xiàn)應(yīng)力篩選試驗(yàn)后部分T/R組件內(nèi)印制板上有裂紋,進(jìn)而導(dǎo)致T/R組件損壞。經(jīng)分析認(rèn)為該問(wèn)題與結(jié)構(gòu)公差不斷累積導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的擠壓有關(guān)。

本文將針對(duì)應(yīng)力篩選試驗(yàn)后通道工作不正常的問(wèn)題,對(duì)涉及信號(hào)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行公差分析,完成尺寸鏈公差的優(yōu)化,提出解決問(wèn)題的措施。

片式有源模塊內(nèi)部T/R組件與綜合網(wǎng)絡(luò)模塊之間的信號(hào)傳遞由彈性連接器和KK射頻連接器傳遞,而彈性連接器和KK射頻連接器都采用盲配的方式安裝(圖1),因此對(duì)彈性連接器和KK射頻連接器的裝配公差提出了很高的要求。公差一旦過(guò)大就會(huì)導(dǎo)致通道信號(hào)不通、擠壓印制板、接觸不良等問(wèn)題。下文將分別對(duì)彈性連接器和KK射頻連接器相關(guān)結(jié)構(gòu)的公差進(jìn)行分析,力求在保證彈性連接器和KK射頻連接器配合公差在理想范圍內(nèi)的情況下,不額外增加制造成本和難度。

圖1 片式有源模塊軸向盲配互聯(lián)結(jié)構(gòu)

1 盲配互聯(lián)公差問(wèn)題分析

1.1 彈性連接器軸向公差分析

彈性連接器軸向盲配裝配關(guān)系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖2所示,彈性連接器的兩側(cè)彈針?lè)謩e連接兩塊印制板的信號(hào),兩塊印制板之間有T/R蓋板、墊片、有緣模塊殼體。彈性連接器安裝空間D1由d2、d3、d4的尺寸公差共同決定。通過(guò)尺寸鏈計(jì)算彈性連接器安裝空間D1,再結(jié)合彈性連接器工作長(zhǎng)度與公差,便可分析彈性連接器實(shí)際工作長(zhǎng)度是否符合要求以及此處軸向公差設(shè)計(jì)是否合理[4-6]。

圖2 彈性連接器盲配互聯(lián)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

建立以整個(gè)彈性連接器長(zhǎng)度(D1)作為封閉環(huán)的尺寸鏈D1=d2+d3+d4。其中d2是有緣模塊殼體的厚度尺寸,d3為某具有一定延展性的墊片的厚度,d4為某組件蓋板的厚度,尺寸見(jiàn)表1。由于部分尺寸在結(jié)構(gòu)中無(wú)法直接標(biāo)注,只能通過(guò)其他尺寸間接獲得。

表1 尺寸鏈組成環(huán)尺寸表[7] 單位:mm

由于彈性連接器軸向盲配尺寸鏈不長(zhǎng),所以采用極值法計(jì)算封閉環(huán)的尺寸及公差[5]。帶入下式即可計(jì)算封閉環(huán)的名義尺寸及上、下偏差。

(1)

式中:A∑為封閉環(huán)名義尺寸;Ai為各組成環(huán)名義尺寸;ξi為傳遞系數(shù)。

(2)

式中:ES,p、EI,p分別為增環(huán)上、下偏差;EI,q、ES,q分別為減環(huán)下、上偏差。

通過(guò)計(jì)算得到D1=11.835±0.135,即彈性連接器實(shí)際工作長(zhǎng)度在11.7～11.97范圍內(nèi)[8-9]。對(duì)比性連接器理想工作長(zhǎng)度為11.9±0.15mm,可以得到圖3。

圖3 封閉環(huán)的尺寸分布圖

依據(jù)尺寸鏈分析的計(jì)算結(jié)果可知,極端狀態(tài)下彈性連接器可能被過(guò)度壓縮,但彈性連接器實(shí)際長(zhǎng)度不在理想工作長(zhǎng)度范圍內(nèi)的概率并不大。

1.2 射頻互連軸向公差分析

射頻軸向盲配互連裝配關(guān)系簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖4所示。射頻信號(hào)采用由兩個(gè)射頻連接器和內(nèi)轉(zhuǎn)接器組成的嵌入式連接器傳遞。若內(nèi)轉(zhuǎn)接器與射頻連接器之間的配合為過(guò)盈配合,則會(huì)導(dǎo)致蓋板和印制板受到擠壓,而其受力是需嚴(yán)格控制的。若內(nèi)轉(zhuǎn)接器與射頻連接器之間的間隙過(guò)大,則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)模塊電性能下降。因此應(yīng)嚴(yán)格控制射頻連接器與內(nèi)轉(zhuǎn)接器之間盲配的軸向配合公差。

圖4 射頻內(nèi)轉(zhuǎn)接器盲配互聯(lián)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

通過(guò)尺寸鏈計(jì)算上、下射頻連接器與內(nèi)轉(zhuǎn)接器的接觸面之間的間距D3,再結(jié)合射頻KK內(nèi)轉(zhuǎn)接器尺寸,可計(jì)算KK內(nèi)轉(zhuǎn)接器的配合公差。

建立以KK內(nèi)轉(zhuǎn)接器安裝空間D3作為封閉環(huán)的尺寸鏈D3=d2+d3+d4+d5-d6-d7-d8,其中d2、d3、d4、d5為增環(huán),d6、d7、d8為減環(huán)。d5為射頻連接器安裝定位面與印制板上表面之間的距離,d6為射頻連接器安裝定位面與內(nèi)轉(zhuǎn)接器接觸面之間的距離,d7為某組件蓋板上表面到射頻連接器安裝定位面之間的距離,d8為射頻連接器安裝定位面與內(nèi)轉(zhuǎn)接器接觸面之間的距離。由于部分尺寸在結(jié)構(gòu)中無(wú)法直接標(biāo)注,只能通過(guò)其他尺寸間接獲得(表2)。

表2 尺寸鏈組成環(huán)尺寸表 單位:mm

組成環(huán)和封閉環(huán)的尺寸偏差服從正態(tài)分布,采用概率法對(duì)以D3作為封閉環(huán)的尺寸鏈進(jìn)行公差分析。

(3)

(4)

式中:T∑為封閉環(huán)公差;Ti為各組成環(huán)的公差。通過(guò)此公式計(jì)算所獲得的標(biāo)準(zhǔn)差T∑為“3σ原則”得到的概率公差。

(5)

式中:

當(dāng)射頻軸向盲配垂直互連出現(xiàn)擠壓時(shí),對(duì)有源模塊進(jìn)行力學(xué)仿真分析,模型及結(jié)果如圖5所示,KK內(nèi)轉(zhuǎn)接器安裝在TR蓋板與印制板之間,極限工況下對(duì)印制板擠壓力為1 188.8N,有限元分析時(shí)該載荷以均布力形式施加在配合區(qū)域,在殼體安裝腳處施加全約束。在射頻內(nèi)轉(zhuǎn)接器與彈性連接器共同作用力下,T/R組件印制板應(yīng)力響應(yīng)最大值達(dá)到149MPa,出現(xiàn)在射頻內(nèi)轉(zhuǎn)接器作用點(diǎn)下方,接近材料極限應(yīng)力極限170MPa。此時(shí)再進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)陶瓷印制板便會(huì)達(dá)到應(yīng)力極限碎裂。

圖5 力學(xué)分析有限元模型及結(jié)果

2 解決措施及影響分析

2.1 盲配互聯(lián)尺寸鏈優(yōu)化

縮短尺寸鏈?zhǔn)菧p小封閉環(huán)公差帶最有效的方式之一。在綜合考慮各個(gè)位置的公差配合、保證整個(gè)模塊的屏蔽密封性能的前提下,盡可能縮短整個(gè)尺寸鏈的長(zhǎng)度。

合理分配公差范圍是公差優(yōu)化的重要部分。在此盲配互聯(lián)結(jié)構(gòu)中,多個(gè)尺寸同時(shí)存在于兩個(gè)尺寸鏈中,因此在調(diào)節(jié)尺寸公差時(shí)需綜合考慮其尺寸公差對(duì)兩條尺寸鏈的影響。

安裝板厚度d2、延展性墊片的厚度d3和某組件蓋板的厚度d4都同時(shí)存在于兩條盲配尺寸鏈之中,所以兩條尺寸鏈既相互獨(dú)立又相互影響。通過(guò)縮短尺寸鏈環(huán)數(shù)、合理分配公差范圍兩種有效途徑,優(yōu)化后的尺寸鏈公差分配如表3所示。

表3 優(yōu)化后尺寸鏈組成環(huán)尺寸表 單位:mm

由于尺寸d4相關(guān)的其他尺寸涉及更重要的參數(shù)性能,d4無(wú)法直接標(biāo)注只能通過(guò)其他尺寸間接計(jì)算。

2.2 優(yōu)化后盲配互聯(lián)尺寸鏈計(jì)算

盲配互聯(lián)尺寸優(yōu)化后,采用極值法對(duì)以彈性連接器工作長(zhǎng)度D1作為封閉環(huán)的尺寸鏈進(jìn)行公差計(jì)算,能夠得到

D1=d2+d3+d4=11.955±0.08

尺寸D1在彈性連接器理想工作長(zhǎng)度11.9±0.15mm范圍內(nèi)。

盲配互聯(lián)尺寸優(yōu)化后,采用概率法對(duì)以KK內(nèi)轉(zhuǎn)接器安裝空間D3作為封閉環(huán)的尺寸鏈進(jìn)行公差計(jì)算,能夠得到:

(6)

(7)

(8)

式中:

(9)

計(jì)算得到P=99.5%,即優(yōu)化后盲配互聯(lián)尺寸基本可以保證產(chǎn)品合格率滿足要求。

在開(kāi)展研究之前,內(nèi)部T/R組件一次裝配后所有通道測(cè)試全部正常的概率只有75%,測(cè)試正常組件經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后仍正常的概率只有85%,即一次裝配無(wú)問(wèn)題組件約為64%。優(yōu)化后方案成功保障了彈性連接器和內(nèi)轉(zhuǎn)接器的配合公差。優(yōu)化之后內(nèi)部T/R組件一次裝配后所有通道測(cè)試全部正常概率為100%,且通過(guò)后期所有試驗(yàn)驗(yàn)證后仍100%測(cè)試正常。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)有源模塊軸向盲配信號(hào)不通故障,開(kāi)展了詳盡的軸向盲配公差分析。通過(guò)分析兩條相互影響的盲配尺寸鏈,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸鏈公差設(shè)計(jì)不合理,公差累積導(dǎo)致垂直盲配互聯(lián)問(wèn)題,并計(jì)算了盲配公差出現(xiàn)問(wèn)題的概率。

結(jié)合實(shí)際情況,針對(duì)該盲配互聯(lián)問(wèn)題,開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用盡量縮短尺寸鏈、合理分配公差范圍兩種手段開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)。成功優(yōu)化后的方案,彈性連接器裝配尺寸100%在理想工作長(zhǎng)度范圍內(nèi),內(nèi)轉(zhuǎn)接器的配合公差99.5%在目標(biāo)配合公差范圍內(nèi),順利通過(guò)所有試驗(yàn)驗(yàn)證。