Разработка автоматизированного комплекса для настройки монолитных керамических фильтров

Аннотация

В докладе представлено описание и особенности реализации автоматизированного комплекса для настройки керамических монолитных СВЧ фильтров, разработанного в ООО НПП «ФЛИКС». Показано, что данный комплекс позволит существенно повысить скорость настройки, а также повысить объем выпускаемой продукции и её повторяемость.

1 Введение

Создание современных электронных устройств не обходится без большого количества различных активных и пассивных элементов. Одними из таких пассивных элементов являются монолитные керамические СВЧ фильтры. Однако неизбежный разброс геометрических размеров элементов фильтра и диэлектрической проницаемости керамического материала приводит к необходимости проверять каждый изготовленный фильтр на соответствие техническому заданию. При несоответствии характеристик фильтра требуемым происходит их настройка вручную, и количество затрачиваемого времени существенно зависит от квалификации и опыта настройщика. Это приводит к большим временным затратам на изготовление всей партии и ограничивает возможности масштабирования производства.

Задачей автоматизации настройки СВЧ фильтров занимаются уже более 30 лет [1–2]. Однако существующие решения либо являются вспомогательными средствами для работы человека [2], либо работают за счет механического воздействия на элементы фильтра (лезвие, бор, винты) [3–5] или они рассчитаны на другие типы фильтров: микрополосковые [3, 5], волноводные [6], с объемными резонаторами [7–8], либо без возможности изменения топологии фильтра [9].

Таким образом, создание комплекса автоматизированной настройки керамических СВЧ фильтров на базе отечественного оборудования, позволяющего производить настройку в соответствии с техническим заданием, является важной и актуальной целью, поскольку позволит существенно повысить скорость настройки фильтров, исключить влияние человеческого фактора и снизить требования к квалификации настройщиков.

2 Структура комплекса

Для достижения поставленной цели и создания комплекса были решены ключевые задачи:

1. Выбрано оборудование для комплекса.

2. Автоматизировано управление лазером и выбраны режимы его работы.

3. Автоматизирована передача АЧХ с векторного анализатора цепей в алгоритм основной программы.

4. Разработан алгоритм изменения топологии керамического фильтра 3 порядка для его настройки в соответствии с ТЗ.

5. Общая структурная схема комплекса представлена на рисунке 1.

3 Выбор компонентов комплекса

При выборе оборудования для создания комплекса автоматизации мы исходили из следующих базовых требований:

- Возможность управления оборудованием через программный интерфейс API.

- Наличие технической поддержки и обслуживания на русском языке.

В рамках этого выбора мы остановились на оборудовании отечественных производителей, как удовлетворяющих всем базовым требованиям.

3.1 Измерительный прибор

Для измерения параметров и снятия характеристик фильтра был выбран векторный анализатор цепей (ВАЦ) компании «Планар» — отечественный разработчик и производитель высокотехнологичного измерительного оборудования мирового уровня.

Выбор обоснован тем, что векторные анализаторы цепей «Планар» обладают широким диапазоном частот, высокой чувствительностью и поддерживают унифицированное API [10], что упрощает интеграцию в комплекс. Кроме того, их ПО совместимо с Windows и Linux, а наличие положительного опыта работы с данным оборудованием подтверждает его надежность.


Рисунок 1 – Структурная схема комплекса

3.2 Лазерное оборудование

Для изменения топологии фильтра путём удаления серебряного покрытия была выбрана лазерная установка маркировки компании «Поккельс» [11].

Выбор обусловлен, во-первых, гибкостью управления (через штатное ПО P-Mark Soft и через API на C++ или Python), во-вторых, соответствием техническим требованиям к мощности, точности и скорости обработки и, в-третьих, надежностью и проверенным опытом применения в аналогичных задачах.

4 Особенности разработки алгоритма

Настройка керамических фильтров осуществляется за счёт локального удаления металлизации на переднем торце до достижения требуемых параметров. Для реализации алгоритма выбран язык программирования Python, как обеспечивающий оптимальный баланс между простотой разработки, кроссплатформенностью и удобством интеграции с измерительным и лазерным оборудованием.

Алгоритм настройки фильтра зависит от конкретной топологии и технологии его реализации и включает в себя регулирование уровня межрезонаторных связей и регулировку частот резонаторов.

5 Описание фильтра

Данный комплекс используется для настройки керамических фильтров СВЧ (рисунок 2). Образец представляет собой полосно-пропускающий монолитный фильтр третьего порядка из высокодобротной керамики с диэлектрической проницаемостью, равной 90, покрытый слоем серебра толщиной 6–8 мкм с использованием толстоплёночной технологии. Габаритные размеры — 14,90 x 8,10 х 15,00 мм. Топология фильтра находится на переднем торце и доступна для изменения с помощью лазера.

6 Результаты

Время настройки фильтра последовательно сокращалось: от пяти минут в первой версии алгоритма до 3 минут после оптимизации. На данный момент время настройки составляет около одной минуты. Настройка фильтра происходит с использованием режима работы ВАЦ во временной области.


Рисунок 2 – Керамический фильтр и его АЧХ

7 Выводы

Полученные результаты работы комплекса для автоматизированной настройки керамических монолитных СВЧ фильтров показывают возможность сократить экономические затраты и существенно ускорить процесс настройки СВЧ фильтров. Очевидно, что производительность разработанного комплекса уже существенно выше, чем у человека, поскольку последнему требуется гораздо большая квалификация и концентрация внимания, которая к тому же с течением дня постепенно снижается.

Дальнейшее развитие комплекса включает в себя внедрение системы технического зрения и координатного стола с ЧПУ для автоматизации позиционирования заготовок и устранения ручного этапа, а также интеграцию в конвейерную систему для обеспечения серийного производства и настройки фильтров.

[1] L. Accatino, “Computer-Aided Tuning of Microwave Filters,” Mar. 1986, doi: https://doi.org/10.1109/mwsym.1986.1132161 (дата обращения: 10.07.2025).

[2] R. J. Cameron, C. M. Kudsia, and R. R. Mansour, “Computer‐Aided Diagnosis and Tuning of Microwave Filters,” Mar. 01, 2018. https://www.researchgate.net/publication/324444030_Computer-Aided_Diagnosis_and_Tuning_of_Microwave_Filters (дата обращения: 11.07.2025).

[3] “Комплекс автоматизированного проектирования и производства микроволновых фильтров,” Институт физики ФИЦ КНЦ СО РАН, 2025. http://kirensky.ru/ru/institute/sci_equipment/micro_filtr (дата обращения: 15.07.2025).

[4] “Automated Tuning - SpaceForest: Synthetic Aperture Radars, Microwave Filters, Advanced Electronics, Rocket Technologies,” SpaceForest: Synthetic Aperture Radars, Microwave Filters, Advanced Electronics, Rocket Technologies, Mar. 27, 2024. https://spaceforest.pl/filter-tuning-solutions/automated-tuning/ (дата обращения: 17.07.2025).

[5] A. Siekiera, R. Engelbrecht, R. Bauer, R. Rehner, and B. Schmauss, “Frequency tuning of microwave filter at 60 GHz by laser ablation,” Frequenz, vol. 63, no. 5–6, Jan. 2009, doi: https://doi.org/10.1515/freq.2009.63.5-6.111 (дата обращения: 20.07.2025).

[6] V. Miraftab and R. Mansour, “Automated Microwave Filter Tuning by Extracting Human Experience in Terms of Linguistic Rules using Fuzzy Controllers,” IEEE MTT-S International Microwave Symposium digest, pp. 1439–1442, Jan. 2006, doi: https://doi.org/10.1109/mwsym.2006.249541 (дата обращения: 21.07.2025).

[7] P. Harscher, R. Vahldieck, and S. Amari, “Automated test and tuning system for microwave filters,” 2001 IEEE MTT-S International Microwave Sympsoium Digest (Cat. No.01CH37157), vol. 3, pp. 1543–1546, 2025, doi: https://doi.org/10.1109/mwsym.2001.967197 (дата обращения: 22.07.2025).

[8] Y. Yigit and E. Afacan, “A Fully Automated Robotic System for Tuning Optimization of RF Cavity Filter,” Journal of Field Robotics, Apr. 2025, doi: https://doi.org/10.1002/rob.22547. (дата обращения: 16.07.2025).

[9] Rohde, “Real-time filter tuning flow,” Rohde-schwarz.com, 2025. https://www.rohde-schwarz.com/tw/applications/real-time-filter-tuning-flow-application-card_56279-1006464.html (дата обращения: 25.07.2025).

[10] “planarchel.ru,” Planarchel.ru, 2025. https://planarchel.ru/catalog/analizatory_tsepey_vektornye/po_vna/ (дата обращения: 20.07.2025).

[11] “P-Mark TT,” Pokkels, Jul. 23, 2025. https://www.pokkels.ru/equipment/laser-engraving/p-mark-tt/ (дата обращения: 19.07.2025).