腔体耦合器设计与调试心得
05-08
腔体耦合器设计与调试心得
一、设计软件的使用和优缺点：
在设计中使用了三种设计优化软件：A：EESOF LINECALC和TOUCHSTON；B：HP APPCAD；C：MAXWELL HFSS。
三种软件中，A在初步设计时，可以减少计算量，通过LINECALC，可以很准确的解得奇偶模阻抗，但线宽一般较实际值偏大，比如，在设计6dB宽频耦合器时，该软件求得紧耦合线宽为3.05，（B=8.4,H=2.47），而实验得的数据为 2.8，偏大；耦合间隙极小，以6dB为例，求得紧耦合间隙为0.03，实验数据为0.56。但A在计算单根线线宽时，还是相当准确的。
软件B功能较少，只能计算特性阻抗，但计算得极为准确。
软件C是个相当强大的三维场分析软件，可以单独计算奇偶模阻抗，分析场能量分布，电壁，磁壁分布线等，不过它只有分析优化的功能，只有在做好最初的设计，获得最初的数据，方可使用，该软件运行时占用资源极高，优化速度非常慢，所得数据很接近实验数据。
二、实验现象
第一次实验： 使用分析得的间隙所做的定位块，将导电棒安装好， 由于导电棒较宽，最宽处为3.9，最初使用的N连接器的安装孔外径为8.4，装配时，还没有短路的担忧，没有做任何调试，结果发现高频段的性能指标都不太理想，2200MHz的驻波、隔离指标很差， 驻波只有18dB,隔离只达到17dB。耦合度不平，低频段较高，高频段较低，分析现象可推测第二级线长可能长了，以及四个端口容性较大，有必要进行低阻补偿。但有时也可以装配成功，而且指标不差，方向性最多时可达到25dB，但调试量显然是太大了。一是要将导电棒端头处锉细，以加入高阻补尝；二是将导电棒斜装，以调整输入输出回波损耗；三是控制导电棒中心的间距，以得到最优的平坦度。在试验中还发现，由于N连接器装配得不太规范，其结构强度不大，经常出现中心导电棒活动的现象。
第二次试验：根据第一次实验现象，此次试验中，将导电棒50Ω线的长度减小1mm，这样在焊装时，导电棒的端头与N连接器的绝缘子就有1mm的间隙，同时为了加固， 在第一级向第二级跳变处加了四氟支撑架。经过调试，发现高端的指标全部上升，不过试验的重复性不太好，而且上升幅度并不是特别明显，仅仅是指标稍高于要求值。但由于仍然使有8.4的N连接器，其结构问题没有解决。
第三次试验：由于前两次试验已确定了腔体耦合器设计的正确性与可行性，此次试验主要是解决结构强度问题与成品率，在这次试验中，对腔体进行了较大的改变，将盖板改为平盖板样式，N连接器改为φ6的，型号改为cp108hf，这样，在外型上可视性要好得多，N连接器的结构强度也有了较大的改进。在实验中发现，现象与前两次试验没有太大的差别，但调试要方便的多，而且在试验中还出现了一个调试方法，就是将端头处进行低阻补偿（因为现在有了1mm的间隙，目前呈高阻），可以很好的改进指标，同时发现了导电棒的安装强度有必要改进。此次实验中，一次成品率没有提高，但调试成功率上升。
第四次试验： 为了加强导电棒的安装强度，对腔体又做了一次较大的改进：在四个N连接器所在的位置，挖四个8mm*2mm*1mm的深腔，加装四氟卡槽，一是加入了低阻补偿，二是加强了导电棒的安装强度，实验中发现，对了上次试验所发现的问题，都有了较完好的解决，调试成功率可达到50%。
第五次试验： 这次试验目的在于减少调试量，大幅提高一次成品率与调试成品率，实验中，在其他两个地方也加入了四氟支撑架，位置在第一级的1/3处与第二级2/3处，结果发现，输入输出端口的回波损耗下将不是很多，即时如此，其指标仍远远高于要求值；同时方向性上升较多，最高可达到27dB，一般也有21dB。耦合度变化不是很大，其平坦度仍在要求范围内。但同样的，其仍然存在一个重复性的问题，但不是太大，较之以前的实验，其成品率已达到70%，优良率达到20%，再次调试后的成品率达到90%，一般三次调试后成品率达到100%。同时也发现，并不是所有的腔体耦合器都要加这么多的支撑架，有时， 只要加入四个就行了，如图所示，有时，加入A组的支撑架，反而会减小高端方向性，所以，一般建议只装四个支撑架。
至此，实验基本上结束，接下来是做生产型工艺控制问题。
三、生产工艺
经过了多次反复实验，对工艺有了较好的认识。第一问题，耦合间隙的控制。与一般的介质板线耦合器不同的是，空气腔耦合器没有成型的电路板，这样，耦合间隙只有人为的控制，为此，定做了不同型号的不同定位块，以解决定位问题，但是由于导电棒铜材质软，在安装过程中，常会发生弯曲，这就会导致耦合平坦度下降，输入输出回波损耗恶化；而且不同工人装配力度不一样，同一个定位块，有的工人能很好的控制其松紧，有的工人控制得过松，有的则过紧，这就直接导致了成品率的不同，第二个问题是，焊接方面的问题，在试验中发现，腔体耦合器对端头的焊接也有一定的要求：由于导电棒四个端头是切好焊接口的，在焊接时，如不将焊接口用焊锡全部补满，会直接导致各处端口的回波损耗，而且相差值较大，最高达到8dB。第三个问题是，耦合导电棒安装方向，虽说耦合器本身是个互易的网络结构，但实验中仍发现其还是选向，从多次的实验中发现，将紧耦合区接匹配负载时的方向性指标要较松耦合区接负载时好得多，但回波损耗正好相反。第四个问题是，四氟支撑架位置的问题。我们在示意图中可以看到，一个腔体耦合器最多需要6个四氟支撑架，上下各三个，两两一组，共三组，其中A组是位于松耦合区，B组是在中央跳变点处，C组是在紧耦合区，其中B，C两组作用较大，A组有时作用很小，甚至的反作用，所以一般建议使用两组四只。其中C组的位置不很固定，有时，必须在调试中解决。这也是导致成品率低与调试量大的原因。
现在针对上述四个问题进行解决。
问题一，解决方案：加长定位块的长度，在安装时，不能用力过大，导致导电棒弯曲，定位块不能卡得太紧，以紧密合缝，取下不费力为准，导电棒不可弯曲，不可歪斜。安装工序：1、先固定弯棒，然后加入定位块；2、加入直棒，挤压直棒与弯棒中心以和定位块紧密结合，（可以考虑使用钳子），固定直棒，用焊锡填满缺口；3将弯棒缺口填满。
问题二，解决方案：将缺口补满，不能有一点凹口。
问题三，解决方案：将紧耦合区焊在负载那一方。
问题四，解决方案：A组支撑架不加，B组位置变，C组可先放于图示位置。
但不管如何加工，工人都不可能很好的撑握定位精度的一致性，所以调试量还是有的，但会减少很多。
四、调试方法
不管哪一项指标不满足，在调试过程中，都要检查以下几个方面：
1、导电棒有无装变型，有无装斜；
2、端口缺口处有无用焊锡填满；
3、端头处有无加装四个卡槽；
4、中间跳变点处有无加装2.1mm支撑架，紧耦合区图示位置有无加装支撑架；
5、N连接器、负载有无加铜皮填紧，接触是否良好。
6、导电棒端头是否紧紧放在四氟卡槽内，端头与腔体内壁的间隙是否是1mm±0.2mm。
如果上述安装不对，请将其改对后再调试。
指标可能不满足项：
1、1700~2200输入（输出）回波损耗差；
2、输入、输出回波损耗差别大， 比如输出可能是好的，但输入却是坏的；
3、1700~1900耦合回波损耗差；
4、1900~2200耦合回波损耗差；
5、耦合度大；
6、耦合度小；
7、1700方向性差；
8、2200方向性差；
调试方法：
1、将端头的缺口用焊锡填满；
2、导电棒变形，弯曲，装斜了，要将其纠正过来；
3、4、调节C组支撑架的位置，如果还是不能解决，将A组的支撑架加上；
5、6、调节耦合间隙；
7、8、方式同3、4，3、4、7、8指标会冲突，寻找都能满足的调试点；
五、关于6dB耦合器
6dB耦合器使用的腔体跳变的方法，其调试方法，安装方法与其他几种相同，只是C 组的定位块是3.1mm的，间隙更小，安装时，控制更难，调试量更大。
一、设计软件的使用和优缺点：
在设计中使用了三种设计优化软件：A：EESOF LINECALC和TOUCHSTON；B：HP APPCAD；C：MAXWELL HFSS。
三种软件中，A在初步设计时，可以减少计算量，通过LINECALC，可以很准确的解得奇偶模阻抗，但线宽一般较实际值偏大，比如，在设计6dB宽频耦合器时，该软件求得紧耦合线宽为3.05，（B=8.4,H=2.47），而实验得的数据为 2.8，偏大；耦合间隙极小，以6dB为例，求得紧耦合间隙为0.03，实验数据为0.56。但A在计算单根线线宽时，还是相当准确的。
软件B功能较少，只能计算特性阻抗，但计算得极为准确。
软件C是个相当强大的三维场分析软件，可以单独计算奇偶模阻抗，分析场能量分布，电壁，磁壁分布线等，不过它只有分析优化的功能，只有在做好最初的设计，获得最初的数据，方可使用，该软件运行时占用资源极高，优化速度非常慢，所得数据很接近实验数据。
二、实验现象
第一次实验： 使用分析得的间隙所做的定位块，将导电棒安装好， 由于导电棒较宽，最宽处为3.9，最初使用的N连接器的安装孔外径为8.4，装配时，还没有短路的担忧，没有做任何调试，结果发现高频段的性能指标都不太理想，2200MHz的驻波、隔离指标很差， 驻波只有18dB,隔离只达到17dB。耦合度不平，低频段较高，高频段较低，分析现象可推测第二级线长可能长了，以及四个端口容性较大，有必要进行低阻补偿。但有时也可以装配成功，而且指标不差，方向性最多时可达到25dB，但调试量显然是太大了。一是要将导电棒端头处锉细，以加入高阻补尝；二是将导电棒斜装，以调整输入输出回波损耗；三是控制导电棒中心的间距，以得到最优的平坦度。在试验中还发现，由于N连接器装配得不太规范，其结构强度不大，经常出现中心导电棒活动的现象。
第二次试验：根据第一次实验现象，此次试验中，将导电棒50Ω线的长度减小1mm，这样在焊装时，导电棒的端头与N连接器的绝缘子就有1mm的间隙，同时为了加固， 在第一级向第二级跳变处加了四氟支撑架。经过调试，发现高端的指标全部上升，不过试验的重复性不太好，而且上升幅度并不是特别明显，仅仅是指标稍高于要求值。但由于仍然使有8.4的N连接器，其结构问题没有解决。
第三次试验：由于前两次试验已确定了腔体耦合器设计的正确性与可行性，此次试验主要是解决结构强度问题与成品率，在这次试验中，对腔体进行了较大的改变，将盖板改为平盖板样式，N连接器改为φ6的，型号改为cp108hf，这样，在外型上可视性要好得多，N连接器的结构强度也有了较大的改进。在实验中发现，现象与前两次试验没有太大的差别，但调试要方便的多，而且在试验中还出现了一个调试方法，就是将端头处进行低阻补偿（因为现在有了1mm的间隙，目前呈高阻），可以很好的改进指标，同时发现了导电棒的安装强度有必要改进。此次实验中，一次成品率没有提高，但调试成功率上升。
第四次试验： 为了加强导电棒的安装强度，对腔体又做了一次较大的改进：在四个N连接器所在的位置，挖四个8mm*2mm*1mm的深腔，加装四氟卡槽，一是加入了低阻补偿，二是加强了导电棒的安装强度，实验中发现，对了上次试验所发现的问题，都有了较完好的解决，调试成功率可达到50%。
第五次试验： 这次试验目的在于减少调试量，大幅提高一次成品率与调试成品率，实验中，在其他两个地方也加入了四氟支撑架，位置在第一级的1/3处与第二级2/3处，结果发现，输入输出端口的回波损耗下将不是很多，即时如此，其指标仍远远高于要求值；同时方向性上升较多，最高可达到27dB，一般也有21dB。耦合度变化不是很大，其平坦度仍在要求范围内。但同样的，其仍然存在一个重复性的问题，但不是太大，较之以前的实验，其成品率已达到70%，优良率达到20%，再次调试后的成品率达到90%，一般三次调试后成品率达到100%。同时也发现，并不是所有的腔体耦合器都要加这么多的支撑架，有时， 只要加入四个就行了，如图所示，有时，加入A组的支撑架，反而会减小高端方向性，所以，一般建议只装四个支撑架。
至此，实验基本上结束，接下来是做生产型工艺控制问题。
三、生产工艺
经过了多次反复实验，对工艺有了较好的认识。第一问题，耦合间隙的控制。与一般的介质板线耦合器不同的是，空气腔耦合器没有成型的电路板，这样，耦合间隙只有人为的控制，为此，定做了不同型号的不同定位块，以解决定位问题，但是由于导电棒铜材质软，在安装过程中，常会发生弯曲，这就会导致耦合平坦度下降，输入输出回波损耗恶化；而且不同工人装配力度不一样，同一个定位块，有的工人能很好的控制其松紧，有的工人控制得过松，有的则过紧，这就直接导致了成品率的不同，第二个问题是，焊接方面的问题，在试验中发现，腔体耦合器对端头的焊接也有一定的要求：由于导电棒四个端头是切好焊接口的，在焊接时，如不将焊接口用焊锡全部补满，会直接导致各处端口的回波损耗，而且相差值较大，最高达到8dB。第三个问题是，耦合导电棒安装方向，虽说耦合器本身是个互易的网络结构，但实验中仍发现其还是选向，从多次的实验中发现，将紧耦合区接匹配负载时的方向性指标要较松耦合区接负载时好得多，但回波损耗正好相反。第四个问题是，四氟支撑架位置的问题。我们在示意图中可以看到，一个腔体耦合器最多需要6个四氟支撑架，上下各三个，两两一组，共三组，其中A组是位于松耦合区，B组是在中央跳变点处，C组是在紧耦合区，其中B，C两组作用较大，A组有时作用很小，甚至的反作用，所以一般建议使用两组四只。其中C组的位置不很固定，有时，必须在调试中解决。这也是导致成品率低与调试量大的原因。
现在针对上述四个问题进行解决。
问题一，解决方案：加长定位块的长度，在安装时，不能用力过大，导致导电棒弯曲，定位块不能卡得太紧，以紧密合缝，取下不费力为准，导电棒不可弯曲，不可歪斜。安装工序：1、先固定弯棒，然后加入定位块；2、加入直棒，挤压直棒与弯棒中心以和定位块紧密结合，（可以考虑使用钳子），固定直棒，用焊锡填满缺口；3将弯棒缺口填满。
问题二，解决方案：将缺口补满，不能有一点凹口。
问题三，解决方案：将紧耦合区焊在负载那一方。
问题四，解决方案：A组支撑架不加，B组位置变，C组可先放于图示位置。
但不管如何加工，工人都不可能很好的撑握定位精度的一致性，所以调试量还是有的，但会减少很多。
四、调试方法
不管哪一项指标不满足，在调试过程中，都要检查以下几个方面：
1、导电棒有无装变型，有无装斜；
2、端口缺口处有无用焊锡填满；
3、端头处有无加装四个卡槽；
4、中间跳变点处有无加装2.1mm支撑架，紧耦合区图示位置有无加装支撑架；
5、N连接器、负载有无加铜皮填紧，接触是否良好。
6、导电棒端头是否紧紧放在四氟卡槽内，端头与腔体内壁的间隙是否是1mm±0.2mm。
如果上述安装不对，请将其改对后再调试。
指标可能不满足项：
1、1700~2200输入（输出）回波损耗差；
2、输入、输出回波损耗差别大， 比如输出可能是好的，但输入却是坏的；
3、1700~1900耦合回波损耗差；
4、1900~2200耦合回波损耗差；
5、耦合度大；
6、耦合度小；
7、1700方向性差；
8、2200方向性差；
调试方法：
1、将端头的缺口用焊锡填满；
2、导电棒变形，弯曲，装斜了，要将其纠正过来；
3、4、调节C组支撑架的位置，如果还是不能解决，将A组的支撑架加上；
5、6、调节耦合间隙；
7、8、方式同3、4，3、4、7、8指标会冲突，寻找都能满足的调试点；
五、关于6dB耦合器
6dB耦合器使用的腔体跳变的方法，其调试方法，安装方法与其他几种相同，只是C 组的定位块是3.1mm的，间隙更小，安装时，控制更难，调试量更大。
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