微波介质振荡器抗振结构的模态分析及其设计
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x摘 要：在进行微波部件和组件结构设计的时候，利用有限元模态分析法进行设计能够提高相关结构的可靠性和产品的性能。用模态分析对微波介质振荡器进行分析，从而得到其相应的固有频率、振型以及其接受到压力时的应变分布情况，在产品抗振结构的设计中，能够提供更好的优化设计方案。经过相应的结构优化，在100～1kHz范围、功率谱密度为0.08/Hz的强振动条件下，Ku波段的微波介质振荡器的相噪恶化不会超过5dB，其输出的信号频谱不会出现扭曲、杂波，在实际工程中达到了一定的需求。
关键词：微波介质振荡器 模态分析 抗振结构设计
中图分类号：TN572 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）04（c）-0067-02
随着社会科学技术的不断发展，无线通信技术已经广泛的应用到人们的日常生活中。在现代电子系统中，微波介质振荡器是其不可或缺的重要组成部分。在导航系统、卫星通信等领域，微波介质振荡器都得到了广泛的使用。有限元分析法是通过模态分析来分析微波部件的结构，通过改善振荡器等微波部件的结构，提高微波部件结构的固有频率，从而在微波部件的使用过程中，避免其与安装板发生共振的情况出现，增加振荡器等微波部件的稳定性。通过分析微波部件的固有振型，改进相关的结构，能够得到最优化的结构设计方案。
1 关于微波部件结构的模态分析
微波介质振荡器作为微波部件的一种，首先我们可以谈一谈使用模态分析法对微波部件分析情况。在对微波部件结构的固有频率和振型等振动特性分析时，通常会使用模态分析法。在分析的过程中，如果发现部件结构的固有频率越高，那么结构的刚度就越大，微波部件的可靠性就越高。安装板有属于自己的基频，但其频率不能够高于微波部件的固有频率，只有这样，微波部件和安装板之间产生共振的情况才会避免出现。通过使用有限元分析法对微波部件的结构进行模型建立，再利用模态分析法来指导微波部件结构的设计，如果想要提高微波部件结构的固有频率，可以通过选择刚度高的材料以及改善部件结构等来实现。
（1）在用模态分析法对结构分析时，利用相应的计算方式来计算固有频率和固有振型。其中用来描述振动的基本运动方程如（1）式所示：
（2）在使用有限元分析软件对微波部件结构进行分析时，建立结构模型、划分网格以及根据相关条件进行求解是其主要过程。在对微波部件结构进行分析时，有限元模型的建立是最主要的，在微波部件中，4个相互独立的盒体组成其整体的结构，在螺钉的作用下，盒体能够叠放在一起，接触安装板的那个盒体会伸出4个安装脚，以便能够与安装板固定在一起。对于微波部件结构中的盒体，其结构较为复杂，4个安装脚的网格密度都比较大，计算起来花费的时间就会越长，所以盒体网格的密度要适中，这就需要进行网格的划分。在对微波部件结构进行模态求解时，通过螺钉的作用，4个安装脚与安装板相互固定，接着用一定的约束力操作接触面上的4个固定点，得到前5阶的情况并对其进行模态分析。我们可以发现微波部件的固有頻率振型在不同的阶段呈现出不同的特点。
2 基于模态分析的微波介质振荡器抗振结构设计分析
微波介质振荡器是一种微波部件，它能够将具有高品质因数的介质谐振器当作一种反馈稳频元件，集成到微波振荡器电路中，对于输出稳定的特定频率起到了作用。微波介质振荡器具有很多的优点，它的相位噪声低，体积小不占用空间，成本低并且工作效率高，在电路中具有较高的温度稳定性和可靠性。其被广泛的应用在雷达、电子对抗、精确制导等各种微波系统中，对于微波介质振荡器的抗振性能进行相关的优化设计，能够保证相关设备的抗振动能力、保障产品的性能和可靠性。
（1）在振动条件下微博介质振荡器失效模式和原因分析。
在电子设备中，电性能和系统的稳定性受到振动的影响，如果振动出现异常就会对设备造成破坏作用。这种现象可以分为两类，一类是电子设备结构和工艺性遭到破坏，电子设备中微波部件的疲劳，出现磨损、连接件松动和分离的情况等;一类是电子设备功能和性能的破坏，主要表现为工作失灵和性能降低等。微博介质振荡器属于微波组件，一般会出现后者的故障情况，其表现为相位噪声恶化，出现跳频、杂波等。通过相关研究分析，造成这类问题出现的原因是振动机械波使谐振腔体发生了形变，导致谐振腔内场分布发生连续的随机变化。
为了提高相关组件的可靠性，可以利用有限元分析法，对相应的部件结构进行分析，通过对固有振型和共振频率的分析，进而对结构进行相应的改善来提高固有频率，避免微博介质振荡器与安装载体发生共振，从而提高其抗振特性。
（2）对于微波介质振荡器（DRO）组件结构的模态分析。
在进行微波介质振荡器（DRO）组件结构分析时，要根据相应的理论基础来进行计算。依据经典力学理论，物体振动的方程为：
（3）微波介质振荡器（DRO）组件结构材料的选择。
在处于静态的时候，组件具有抵抗变形的能力，在动态情况下，结构具有一定的固有频率，这两者是微波介质振荡器（DRO）组件结构的刚度。组件结构抵抗变形的能力和固有频率随着组件结构刚度的变化而变化。在计算部件固有频率时，通用的公式如下所示。
其中材料的弹性模量为E;材料的壁厚为t;材料的泊松比为γ。通过（6）式和（7）式的计算可以知道，刚度与盒体的壁厚成正比，合体越厚，刚度就越大，对材料质量就会有越严格的要求。如果想要盒体的质量尽可能小，那么就要在部件结构设计的过程中，综合考虑材料质量和刚度的问题，如果要进行相应的改善，在确保结构重量的前提下，加大刚度的强度。
3 结语
在设计微波介质振荡器（DRO）组件结构时，对组件结构进行模态分析，接着计算出组件结构的固有频率和固有振型，从而进一步改进部件的结构，保证产品的功能性和可靠性。利用有限元模态分析方法对微波介质振荡器（DRO）组件结构进行相应的分析，提高组件的固有频率可以通过改善组件相应的谐振腔结构来实现，从而避免微波介质振荡器（DRO）与安装板之间产生共振。通过相应的方法来分析组件结构的固有振型，能够进一步改进相关的结构，指导产品结构设计，以此来解决微波介质振荡器在强振动条件下性能下降的问题，提高产品的稳定性和可靠性。
参考文献
[1] 王海涛，张军，钱宝良.新型Ka波段径向高功率微波振荡器[J].真空电子术，2018（6）：11-15.
[2] 闫波，刘梦伟，王文，等.基于高次谐波体声波谐振器的微波振荡器设计[J].压电与声光，2018，40（1）：1-4.
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