王仁徹，嚴(yán)戰(zhàn)非，王向陽，曲寧松

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

太赫茲波紋喇叭制造工藝技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究*

王仁徹1，嚴(yán)戰(zhàn)非1，王向陽2，曲寧松2

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039； 2. 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

傳輸太赫茲(Terahertz, THz)波的饋源結(jié)構(gòu)的特征尺寸在亞毫米量級，且精度要求高。波紋喇叭饋源結(jié)構(gòu)具有良好的電訊特性，但內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大。針對太赫茲波紋喇叭的具體結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求，對微細(xì)加工和微電鑄工藝技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研和分析，給出了一種利用這些技術(shù)的太赫茲波紋喇叭的精密成形工藝方案。開展了內(nèi)腔筋寬為0.1 mm的波紋結(jié)構(gòu)的工藝實(shí)驗(yàn)，為太赫茲波紋喇叭的精密成形提供了有益的工藝方法和工程經(jīng)驗(yàn)。

太赫茲；波紋喇叭饋源；微細(xì)加工；微電鑄

引 言

太赫茲(THz)波是指頻率在0.1～10 THz波段內(nèi)的電磁波，介于毫米微波與遠(yuǎn)紅外波段之間，具有良好的非極性物質(zhì)穿透性。太赫茲雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)極大信號帶寬和極窄天線波束，空間分辨率高，從而獲得精細(xì)的目標(biāo)成像，并具備穿透云層、煙霧的能力，是能應(yīng)對復(fù)雜惡劣環(huán)境條件的高精度雷達(dá)的發(fā)展方向[1-2]。傳輸電磁波的波紋喇叭饋源的特征結(jié)構(gòu)形狀在內(nèi)腔，與毫米波相比，太赫茲波紋喇叭饋源的內(nèi)腔特征尺寸要求更小，需要達(dá)到亞毫米級，而精度要求更高，亞毫米尺度波紋喇叭的精密微細(xì)制造是制約太赫茲雷達(dá)工程應(yīng)用的難題之一。

太赫茲波紋喇叭精密制造亟需深入開展適用于其結(jié)構(gòu)特征的微細(xì)加工新技術(shù)和新工藝的研究與應(yīng)用。本文針對太赫茲波紋喇叭結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求，在工藝分析的基礎(chǔ)上，通過調(diào)研國內(nèi)微細(xì)加工和微電鑄技術(shù)研究及應(yīng)用情況，論證亞毫米尺寸波紋喇叭成形的技術(shù)可行性，給出了利用微細(xì)加工芯模再微電鑄成形的太赫茲波紋喇叭的精密成形工藝方案。開展了亞毫米內(nèi)腔波紋結(jié)構(gòu)的微細(xì)加工和微電鑄相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，對實(shí)驗(yàn)過程中試驗(yàn)件的質(zhì)量缺陷進(jìn)行了分析，通過工藝改進(jìn)獲得了內(nèi)腔筋寬為0.1 mm的波紋結(jié)構(gòu)樣件，為太赫茲波紋喇叭的精密制造進(jìn)行了工程探索研究。

1 太赫茲波紋喇叭結(jié)構(gòu)與工藝分析

與其他喇叭饋源相比，波紋喇叭饋源傳播的是混合模式(TE和TM)電磁波，其輻射方向圖具有非常好的軸對稱性、較大的波束效率、很小的交叉極化水平、良好的回波損耗和很小的旁瓣和后瓣電平[3]。以0.3 THz以內(nèi)頻段的太赫茲波為例，波紋喇叭的結(jié)構(gòu)如圖1所示，要求其波紋槽和筋的線性尺寸(d和δ)為0.1～0.3 mm，筋槽深寬比要求可達(dá)2∶1及以上，根部圓角半徑小于0.01 mm，尺寸精度為±0.01 mm，各圓同軸度為Φ0.01 mm，表面粗糙度Ra≤0.8 μm。

圖1 波紋喇叭結(jié)構(gòu)示意圖

饋源的工程應(yīng)用還要求具備與結(jié)構(gòu)相匹配的較好剛性和精度穩(wěn)定性，宜采用整體成形。波紋喇叭制造關(guān)鍵在于內(nèi)腔波紋結(jié)構(gòu)的精密微細(xì)制造，而當(dāng)前難以用常規(guī)工藝路線對亞毫米尺寸的內(nèi)腔波紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接精密加工成形。微電鑄技術(shù)具有高復(fù)制精度和高重復(fù)精度等特點(diǎn)，適用于復(fù)雜、異型、微細(xì)結(jié)構(gòu)的精密成形；可以考慮先微細(xì)加工芯模波紋結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行微電鑄。微細(xì)加工芯模要能實(shí)現(xiàn)微細(xì)軸類零件的回轉(zhuǎn)精密加工，芯模整體細(xì)長比大，剛性較差，而結(jié)構(gòu)精度要求高；凹槽縫窄，而深寬比要求大且根部圓角要小、無毛刺和多余物。微電鑄要能實(shí)現(xiàn)芯模微細(xì)波紋結(jié)構(gòu)的反拷，要求精確復(fù)制0.1～0.3 mm寬度的波紋結(jié)構(gòu)，且致密無孔隙、裂紋等缺陷。

2 技術(shù)調(diào)研與工藝路線設(shè)計(jì)

微細(xì)加工中設(shè)備精度、微徑刀具(電極絲)參數(shù)和加工材料等影響制約微細(xì)結(jié)構(gòu)加工能力，電鑄成形溶液、材料、結(jié)構(gòu)電場分布和工藝參數(shù)影響制約鑄件成形質(zhì)量，當(dāng)前微細(xì)成形技術(shù)還在不斷發(fā)展進(jìn)步當(dāng)中，加工不同結(jié)構(gòu)的技術(shù)難度和工藝方法也有較大差異。前期針對微細(xì)加工和微電鑄的相關(guān)技術(shù)、工藝裝備、刀具材料等進(jìn)行了調(diào)研。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京理工大學(xué)分別在電火花線切割和車銑復(fù)合加工技術(shù)方面進(jìn)行了深入研究，開發(fā)了相關(guān)專用工藝設(shè)備，并成功加工過結(jié)構(gòu)類似或難度相當(dāng)?shù)墓ぜ?。典型工件如圖2和圖3所示，哈工大采用電火花線切割加工出長1.9 mm、直徑0.16 mm、筋槽寬0.03 mm的波紋管芯模[4]，北理工采用微車銑復(fù)合加工出右端直徑0.1 mm，左端0.15 mm，四方軸邊長0.1 mm，全長6 mm的微細(xì)軸[5]。

圖2 電火花線切割加工的波紋管芯模[4]

微電鑄技術(shù)方面，南京航空航天大學(xué)和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等都進(jìn)行了深入研究，中國科技大學(xué)采用光刻工藝制作光刻膠微結(jié)構(gòu)后再電鑄出線寬為100 μm的漸開線微齒輪[6]，如圖4所示。

圖4 電鑄成形的金屬鎳微齒輪[6]

盡管微細(xì)加工極限能力參數(shù)尚難界定，但從當(dāng)前典型結(jié)構(gòu)加工應(yīng)用的調(diào)研情況來看，采用微細(xì)加工芯模再微電鑄太赫茲波紋喇叭在技術(shù)上具備可行性。亞毫米尺度內(nèi)腔結(jié)構(gòu)波紋喇叭精密成形的基本工藝流程如圖5所示。首先采用微細(xì)加工方法加工亞毫米尺寸內(nèi)腔結(jié)構(gòu)相反形狀的鋁芯模，考慮到工程應(yīng)用中銅質(zhì)饋源需要進(jìn)行表面鍍金處理，而電鍍外表面結(jié)構(gòu)比內(nèi)腔容易，所以先在芯模上鍍金，接著在芯模基礎(chǔ)上電鑄銅，然后加工外部特征，最后采用堿性溶液溶掉芯模鋁材，再采用強(qiáng)酸溶掉鍍金時(shí)的二次浸鋅和氰化鍍銅打底層，最終可獲得內(nèi)腔表面鍍金的銅質(zhì)波紋喇叭。對波紋喇叭內(nèi)腔結(jié)構(gòu)成形精度難以進(jìn)行直接測量，可采用線切割剖開后抽檢。

圖5 波紋喇叭精密成形基本工藝流程

3 工藝實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)分析

隨著內(nèi)腔波紋結(jié)構(gòu)的筋寬尺寸減小、深寬比提高，芯模加工和電鑄/鍍的難度將增大。鑒于當(dāng)前太赫茲波紋喇叭結(jié)構(gòu)的芯模微細(xì)加工、微電鑄工藝均沒有具體成熟的工程經(jīng)驗(yàn)可參考，滿足精度要求的各種工藝方法可達(dá)的極限參數(shù)未明，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較大，實(shí)驗(yàn)研究首先需開展關(guān)鍵工藝試驗(yàn)驗(yàn)證可行性，驗(yàn)證模型如圖6所示，過程中還可以對比探索深寬比參數(shù)極限和工藝改進(jìn)措施。

圖6 亞毫米尺度內(nèi)腔波紋結(jié)構(gòu)工藝能力驗(yàn)證試件

采用鋸片銑方法加工波紋結(jié)構(gòu)芯模，如圖7所示，筋寬0.3 mm的波紋結(jié)構(gòu)芯模具有較好的筋槽線性尺寸精度和垂直度。試驗(yàn)中，加工筋寬0.2 mm的試件時(shí)，出現(xiàn)了明顯變形，線性尺寸精度和垂直度均達(dá)不到要求。鋸片銑加工后在顯微鏡下觀察，槽內(nèi)有毛刺，須在顯微鏡下用細(xì)針進(jìn)行清理，但難以徹底清理干凈，殘留毛刺會直接影響電鑄外壁質(zhì)量。采用鋸片銑方法可加工筋寬0.3 mm的波紋結(jié)構(gòu)芯模，成本較低；筋寬小于0.3 mm的波紋結(jié)構(gòu)芯模需要采用專用微細(xì)加工方法進(jìn)行加工以提高成形質(zhì)量。

采用整體波紋結(jié)構(gòu)芯模電鑄時(shí)，由于微槽內(nèi)電場分布不均，導(dǎo)致電鑄沉積不均勻，容易出現(xiàn)孔隙和高殘余應(yīng)力等缺陷。由于邊緣效應(yīng)，芯模筋的直角處電場密度大，沉積速度快，而中心處電場密度小，沉積速度慢，中心部位還沒有沉積填充到位時(shí)，槽口從兩邊尖角處已快速封閉，導(dǎo)致出現(xiàn)中心環(huán)狀孔隙。深寬比越大，越容易出現(xiàn)孔隙缺陷，如圖7所示，在筋寬0.3 mm、深寬比為2∶1時(shí)未見孔隙，而深寬比為3∶1時(shí)，中心部位都出現(xiàn)了明顯孔隙缺陷。筋槽寬度越小，孔隙缺陷越難避免，如圖8所示，在筋寬0.1 mm、深寬比為1∶1時(shí)(芯模采用微細(xì)電解線切割整體加工成形)就出現(xiàn)了明顯的孔隙缺陷。

圖7 筋寬0.3 mm電鑄試驗(yàn)件孔隙缺陷

圖8 筋寬0.1 mm電鑄試驗(yàn)件孔隙缺陷

實(shí)驗(yàn)中對鑄液成分、溫度、循環(huán)流動(dòng)性和電流密度等影響因素進(jìn)行了一定范圍的調(diào)整和對比分析。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)摸索總結(jié)，采用南航特種加工實(shí)驗(yàn)室電解線切割加工技術(shù)加工銅鋁環(huán)疊裝的波紋芯模，芯模表面無毛刺。在優(yōu)化電流參數(shù)、提高溶液流動(dòng)性的情況下，電鑄成形深寬比為1∶1的內(nèi)腔波紋結(jié)構(gòu)樣件，線切割剖開檢驗(yàn)內(nèi)腔表面質(zhì)量如圖9所示，筋寬尺寸線性精度滿足要求，鑄層質(zhì)量均勻，未見明顯孔隙缺陷，但表面質(zhì)量還有待提高。

圖9 筋寬0.1 mm、深寬比1∶1的內(nèi)腔波紋結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

通過微細(xì)加工波紋芯模和微電鑄喇叭成形工藝研究，并開展了相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，成功研制了內(nèi)腔筋寬0.1 mm的太赫茲波紋喇叭結(jié)構(gòu)樣件，為太赫茲波紋喇叭研制提供了良好的工程基礎(chǔ)。當(dāng)前試驗(yàn)研究尚難以完全保證太赫茲波紋喇叭嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)要求，還需要進(jìn)一步針對性地開展波紋芯模加工變形控制、大深寬比電鑄質(zhì)量改善、鑄件精度與表面應(yīng)力等質(zhì)量綜合檢測方面的研究與實(shí)驗(yàn)工作。

[1] 鄭新, 劉超. 太赫茲技術(shù)的發(fā)展及在雷達(dá)和通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用(I)[J]. 微波學(xué)報(bào), 2010, 26(6): 1-6.

[2] 梁美彥, 鄧朝, 張存林. 太赫茲雷達(dá)成像技術(shù)[J]. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào), 2013, 11(2): 189-198.

[3] 姚遠(yuǎn), 俞俊生, 陳曉東. 太赫茲高斯波紋喇叭天線設(shè)計(jì)[J]. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào), 2014, 12(4): 487-490.

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[5] 張之敬, 金鑫, 周敏. 精密微小型制造理論、技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2007, 43(1): 49-61.

[6] 聶時(shí)振. 微電鑄的工藝技術(shù)研究[D]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2009.

王仁徹(1986-)，男，博士，工程師，主要從事雷達(dá)天饋線精密加工和結(jié)構(gòu)裝配工藝研究。

Experimental Study on Manufacturing Process Technologies of Terahertz Corrugated Horn Feeder

WANG Ren-che1，YAN Zhan-fei1，WANG Xiang-yang2，QU Ning-song2

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China; 2.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

The feature size of the feeder structure used for transmitting terahertz wave is in sub-millimeter range, and its precision demand is high. The corrugated horn feeder has good communication characteristics, but its intracavity structure is complex and difficult to manufacture. According to the structure and technology requirements of terahertz corrugated horn feeder, surveys and analysis for the technologies of micro-machining and mirco-electroforming are carried out, and a precise forming process scheme for the terahertz feeder using these technologies is proposed. The process experiment is carried out for the corrugated structure whose intracavity rib width is 0.1 mm. The results provide beneficial process method and engineering experience for precise forming of terahertz corrugated horn feeder.

terahertz; corrugated horn feeder; micro-machining; micro-electroforming

2015-11-05

TG506

A

1008-5300(2016)02-0050-03