實現(xiàn)濾波器頻率調節(jié)自動化

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

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節(jié)往往是這樣完成的：“手動控制原有繞線電感每匝之 間的距離或者修剪一對絞線的長度，因為這對絞線的線間電容能直接影響濾波器的頻率。

在這個項目之前，濾波器頻率調節(jié)的標準做法（基線方法）是手動控制繞線電感每匝之間的距離。這個方法需要在設定溫度下手動標定電感，經(jīng)過嚴格訓練的技術人員，手工填寫的數(shù)據(jù)表以及相當數(shù)量的操作人員。平均而言，利用這個方法花費的調整時間在一到兩個小時之間。

一 種新的自動化工藝被開發(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)電容構成。平面射頻/微波濾波器的頻率調節(jié)是通過調節(jié)并聯(lián)電容焊盤的大小來完成的。比起基線方法，這個方法的好處顯而易見：對電 感不需要事先進行標定；對操作者要求也相對較低；數(shù)據(jù)由電腦直接生成，不需要手動填寫；不需要很多操作人員。

圖1、在自動調節(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備，一套全自動的調節(jié)系統(tǒng)被開發(fā)出來，付諸應用。對一些特例，研究了濾波器的性能與被剝除的材料的量之間的關系，包括 被剝除的基材的量對整個濾波器性能的影響。在圖二中，你可以看到這套自動調節(jié)系統(tǒng)的照片。它主要包括一臺銑床（LPKF ProtoMat 91s/Vs），一臺網(wǎng)絡分析儀（HP 8720D），計算機，打印機以及特制的測試調節(jié)支架。

圖2、自動調節(jié)工作站能夠對多種不同類型的濾波器進行修剪，調節(jié)，測量，記錄并生成日志數(shù)據(jù)。

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

圖3、自動調節(jié)工作站的測試/調節(jié)支架固定在一精密滑軌上，有前后兩個位置，分別用來做調節(jié)和測試。

在測試位置，計算機利用網(wǎng)絡分析器對采集到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫中的期望值進行比較（圖四）。隨后，必要的修剪程序就自動被計算出來，這個程序對于每一個濾波器都是唯一的。

圖4、在這個測試位置，網(wǎng)絡分析器將采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中存儲的相應數(shù)據(jù)進行比較。

得到修剪程序之后，濾波器被移到加工位（圖五）。在這里，計算機控制銑床銑除部分金屬來實現(xiàn)濾波器的調節(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，銑床接收計算機的指令從線路上剝除金屬，達到調節(jié)濾波器的目的。

切 割深度通過手動調節(jié)加工頭上的千分尺來完成，步距為0.025 mm。濾波器在測試位和調節(jié)位上反復移動，直到達到所需的電氣特性為止。每當調節(jié)過程完成時，計算機自動打印出一張數(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 一自動化的工藝能夠在10分種以內實現(xiàn)濾波器的精確調節(jié)，與之前的基線方法相比，大幅節(jié)約了時間。另外，在相關制作過程中節(jié)約的時間進一步的減小了生產(chǎn)時 間。仔細算起來，由于該方法無需對電感定標，同時在基材加工，組裝和調節(jié)上大幅提升了效率，總的來說，每加工一個濾波器就能節(jié)約10個小時。我們預計，通 過進一步研究參數(shù)，改進分析軟件，我們將可能確定所需的濾波器的物理結構。這樣一來，濾波器的一次加工成型成為可能，調節(jié)不再是必須的工作。目前，新開發(fā) 的頻率調節(jié)工藝已經(jīng)被用在愛國者導彈防御系統(tǒng)（PAC-3）所需的S-和C-波段的濾波器上。