李 敏

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

引 言

毫米波波導器件是毫米波雷達的核心部件，具有尺寸小、精度高、表面質量優(yōu)、工藝實現(xiàn)難度大等特點，微小的加工誤差將會對波導電性能產(chǎn)生較大影響[1]，因此，其精密制造工藝是保證波導性能的關鍵技術。近年來，在“需求引領”下，國內外學者針對毫米波波導器件的精密制造進行了大量研究，在保證尺寸精度、內腔質量、微波指標等方面取得了豐富的成果。由文獻研究可知，毫米波波導器件的制造工藝方法多、應用范圍廣，但大部分文獻重點關注單一技術或應用問題的解決，未能綜合考慮波導器件的材料選擇、結構特點、尺寸精度、加工數(shù)量、周期成本等要素，不利于工藝集成方案的全局最優(yōu)設計和實現(xiàn)。針對該現(xiàn)狀，本文對毫米波波導器件精密制造工藝技術進行了綜述，定義了波導器件精密制造技術按照制造過程中器件體積變化情況的分類，闡述了毫米波波導器件各類工藝技術的應用研究情況，總結了各種方法的特點和適用范圍，展望了技術的發(fā)展趨勢，以期為毫米波波導器件精密制造工藝技術的深入研究和推廣應用提供借鑒。

1 波導器件精密制造技術分類

各種毫米波波導器件在毫米波雷達系統(tǒng)中設計功能不同，結構形式有差別，相應的制造實現(xiàn)技術也不相同。從公開的文獻資料來看，毫米波波導零件制造的方法非常多。以材料到產(chǎn)品的實現(xiàn)過程中工件體積變化特征[2]為主要分類標準，可以將制造技術分為減材制造、等材制造和增材制造三大類，如圖1所示。有些工藝技術涉及到減材、等材和增材的復合應用，本文按照最關鍵環(huán)節(jié)所屬類型進行分類。減材制造是工件制造過程中逐步去除材料的工藝，等材制造是工件體積受制造過程影響較小的工藝，增材制造過程與減材制造過程相反，是基于“離散-堆積”的原理進行材料累加的鋪層、打印等方式的工藝。

圖1 毫米波波導器件精密制造工藝技術分類

2 減材制造工藝技術

2.1 數(shù)控銑削加工

數(shù)控銑削加工具有高精度、高效率、低成本等優(yōu)勢[3]，能實現(xiàn)不同材料、一定復雜結構波導的加工，尺寸精度可達微米級（銑削公差等級可達IT7級），表面粗糙度優(yōu)于0.1 μm。圖2（a）為一種簡單的同軸變換波導器件，整體采用數(shù)控銑削進行加工，銑刀加工不到的內腔拐角區(qū)域（圓角≤0.2 mm）采用插削或電火花等方式清角，無損去毛刺后整體電鍍處理。該方法非常成熟，但對于小口徑、變截面的復雜腔體，存在切削讓刀、去毛刺和電鍍難等共性問題。文獻[4]針對饋電縫數(shù)控切削存在的讓刀現(xiàn)象和擾度現(xiàn)象，建議盡可能縮短刀長，采用高轉速、小切削量、快進給的切削參數(shù)，應用粗/精加工分開的工藝路線，以滿足單個縫精度±0.02 mm、角度公差±1′的設計要求。針對去毛刺的難題，文獻[5]采用超聲波方法實現(xiàn)鋁合金毫米波波導器件無損傷去毛刺，而黃銅材料塑性較高，毛刺與基體附著力強，超聲去毛刺效果較差。相應地，文獻[6]研究了高壓水去毛刺方法，實現(xiàn)了毛刺完全去除，腔體銳邊保持完好，毛刺去除效率比手工方法提高近40倍。為了保證小口徑波導內腔能夠獲得均勻的鍍層，文獻[7]分析了影響鍍層質量的主要因素，并結合表面處理過程控制、添加輔助陽極、改進電鍍工藝等措施提出了新電鍍工藝，大大改善了波導的耐蝕性能和傳輸性能。

2.2 電火花加工

電火花加工是利用火花放電時產(chǎn)生的腐蝕對材料進行尺寸加工的一種加工方法，通常包括電火花線切割、電火花成形加工等，可加工任意導電材料，尺寸精度優(yōu)于0.01 mm，表面粗糙度優(yōu)于0.8 μm，適用于加工結構特殊的薄壁結構零件。在電火花線切割方面，文獻[8]針對大長徑比波導型腔的線切割存在的口徑不規(guī)則、加工斷絲和腰鼓現(xiàn)象等問題，采用精確裝夾、優(yōu)化穿絲孔和腔體加工路徑、分粗精加工等措施，實現(xiàn)±0.02 mm精度、0.01 mm對稱度的設計要求。文獻[9]針對脊矩過渡波導，采用黃銅材料，利用線切割加工錐面功能，整體一次裝夾完成內腔加工，實現(xiàn)±0.03 mm精度、內腔0.8 μm粗糙度的設計要求。文獻[10]采用慢走絲線切割加工多異型腔于一體，實現(xiàn)100 mm腔深、±0.02 mm尺寸精度、(1±0.05) mm壁厚、0.8 μm內腔表面光潔度的設計指標，零件如圖2（b）所示。在電火花成形加工方面，由于電極在電加工過程中存在損耗，因此一般選擇“粗加工→半精加工→精加工”的多道次加工方案。文獻[11]針對柵控行波管中的柵網(wǎng)結構，實現(xiàn)了僅為0.05～0.15 mm的孔間筋寬。文獻[12]針對多道次加工工藝及其經(jīng)濟性進行了分析研究。

圖2 基于減材制造方法實現(xiàn)的波導器件

2.3 精密裝配

針對無法整體制造或整體制造難度大的波導結構，可以采用合理分型設計、減材加工后螺裝、膠接等方法制造，但裝配結構需要的空間會影響毫米波雷達的整體布局。文獻[13]針對某毫米波系統(tǒng)中8 mm轉子體加工的工藝技術難點，采用黃銅材料，從深窄的環(huán)形槽處將結構一分為二，進行分體加工，再采用過盈壓配合的方法合二為一，實現(xiàn)了0.035 mm的尺寸精度。文獻[14]針對由600多根壁厚僅為1 mm的矩形直鋁波導單元組裝而成的520 mm×620 mm×450 mm波導透鏡的制造難題，采用精密粘接工藝，實現(xiàn)了透鏡組裝平行度小于0.1 mm，徑向尺寸累積誤差小于0.5 mm。通過機械連接或粘接連接制造的波導器件雖然工藝相對簡單，但在總體重量、強度、空間布局、環(huán)境適應性、表面處理等許多方面難以滿足設計要求。

3 等材制造工藝技術

3.1 型材彎扭

彎扭成形是使用定制的波導管型材，利用金屬材料的塑性變形，設計制造專用彎扭模及工裝夾具，在壓力機上完成折彎或扭彎成形的一種加工方法。該方法適用于等截面波導零件的成形（見圖3（a）），彎曲半徑不宜過小，兩端通過焊接法蘭盤來形成裝配結構。根據(jù)相關試驗[15]，口徑≥8 mm的矩形波導不宜采用空心扭彎工藝，空心扭彎后內截面變形嚴重。為了保證型材截面的形狀尺寸，一般會在波導內填充材料。一類填充材料在成形后需要抽取出來，如彈簧鋼片、聚四氟乙烯等芯條，另一類是成形后可熔掉的材料，如低熔點合金、松香、石蠟等。文獻[16]采用0.3 mm厚的高強度65Mn鋼帶，疊齊塞入波導管內，將彎波導內徑尺寸誤差控制在0.2 mm以內。文獻[15]采用活動模芯替代鋼帶，當填充材料與波導腔體的裝配公差在0.02 mm內時，畸變量最小。此外，合適的熱處理工藝也可以改善成形質量，文獻[17]提供的試驗結果表明，針對8 mm口徑矩形波導管，應用聚四氟乙烯芯條填充，采用合適的熱處理工藝，口徑變化量可以控制在0.03 mm。文獻[18]針對波導在彎曲成形過程中必然存在的截面變形情況，采用加工試驗和仿真分析的方法得到如下結論：在7～18 GHz范圍內，即使橫截面線性變形量達到0.8 mm，只要中間彎曲部分變形均勻、光滑漸變，對駐波比和相位等的影響并不明顯；將變形量控制在一定范圍內，截面均勻漸變對波導管電性能的影響有限，在實際工程中可以設定一個恰當?shù)脑试S數(shù)值進行控制。

圖3 基于等材制造方法實現(xiàn)的波導器件

3.2 近凈成形

近凈成形技術是指波導成形后，僅需少量加工或不再加工，就可用作功能件的成形技術，該項技術包括精密鑄造成形、精密塑性成形等專業(yè)技術。精密鑄造工藝可以成形各種復雜波導構件，尺寸精度和表面粗糙度高，且無拔模斜度和拔縫，適用于大批量生產(chǎn)，電氣性能一致性好。文獻[19]采用ZL402材料、液態(tài)蠟料壓制的蠟模、配比改進的石膏混合料以及優(yōu)化的澆注工藝參數(shù)，得到了尺寸精度優(yōu)于±0.05 mm、內腔表面粗糙度Ra優(yōu)于1.6 μm的8 mm波導彎頭。文獻[20]針對雙十字軸波導器件采用整體砂型鑄造工藝實現(xiàn)了雙十字軸內腔通道水平誤差不大于0.05 mm，內腔表面光潔度優(yōu)于3.2 μm。波導內腔壁上一定的滲透深度層（層厚與材料系數(shù)、電磁波頻率等有關）的質量直接影響微波的傳輸效率，而鑄造工藝形成的內腔表層的光滑過渡、無各向異性的合金組織細晶區(qū)對電氣性能的提高有顯著作用。文獻[21]提出，凹凸不平的鑄造截面棱角不分明，而機加工截面呈現(xiàn)銳齒形，在加工表面的粗糙度相同的情況下，采用鑄造成形方法的傳輸效率更高。圖3（b）為利用石膏型殼精密鑄造成形的喇叭波導，工件的最小壁厚為1 mm，表面粗糙度優(yōu)于3.2 μm。精密擠壓成形是一種高效低成本、少（無）切削、高精度的塑性成形技術，擠壓生產(chǎn)過程對原材料質量、設備、工模具和工藝的要求相當嚴格，可以實現(xiàn)尺寸精度優(yōu)于±0.04 mm，表面質量Ra優(yōu)于0.8μm，最小壁厚為0.4 mm[22]。文獻[23]基于2A12鋁合金棒料，采用精確溫擠壓技術，制造了一種微小型毫米波波導器件，表面光潔度高。

3.3 精密焊接

精密焊接技術是將封閉的波導內腔按照其內部幾何形狀進行拆分，分解成兩個或兩個以上的部件，每個部件制造后，再通過焊接方法形成最終所需要的波導器件。比較成熟的精密焊接方法包括真空鋁釬焊（圖3（c）為某釬焊波導）、擴散焊等。文獻[24]經(jīng)過研究得到結論：隨著釬焊圓角增大，波導性能變差，釬焊時應使釬料堆積圓角盡可能小；避免未焊透缺陷，窄細筋壁結構處更易形成未焊透缺陷；采用較大釬焊壓力和較薄釬料有利于保證波導內腔質量，釬料寬度對內腔質量影響較小。文獻[25]針對毫米波構件的高精度技術要求，在分析構件結構特征的基礎上設計了合適的真空釬焊焊接工裝，通過試驗制定出詳細的釬焊工藝，實現(xiàn)了口徑尺寸變化控制在±0.02 mm以內，焊縫內圓角控制在0.3 mm以內，構件在0.12 MPa氣壓下保持15 min無泄漏，在一定程度上解決了尺寸變形大和焊縫圓角難以控制的難題。文獻[26]針對高精度毫米波縫隙波導天線，通過選擇與3A21鋁合金材料匹配的0.05 mm厚鋁硅鎂焊片，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)及共形加載工裝，實現(xiàn)了整體平面度不大于0.05 mm，單層焊料殘余精度控制在±0.01 mm以內，焊縫圓角半徑不大于0.1 mm，獲得了小于1.5的低駐波比。文獻[27]針對某LD31鋁波導的電測駐波系數(shù)超出設計要求的異?，F(xiàn)象，定位到器件材料晶界腐蝕的微觀組織缺陷，對釬焊工藝進行了優(yōu)化，同時將化學清洗時間縮短為10～15 s，經(jīng)顯微鏡觀察，未發(fā)現(xiàn)晶界腐蝕現(xiàn)象。擴散焊是將焊接件緊密貼合，在一定溫度和壓力下保持一段時間，使接觸面之間的原子相互擴散形成連接的焊接方法。與釬焊相比，擴散焊具有無需焊料、焊件的精度更高、耐腐蝕性能好、接頭強度等于基本金屬強度等優(yōu)勢。文獻[28]應用擴散焊工藝將25層0.2 mm厚銅箔成形為一個整體器件，各層銅箔上的細微圖案由刻蝕工藝獲得，最小圓角半徑是所用銅層厚度的一半。

4 增材制造工藝技術

4.1 電鑄成形

與一般機加工方法相反，電鑄工藝基于金屬離子陰極電沉積原理復制零件，由于離子尺寸極小，其零件的復制精度和尺寸控制精度可達亞微米級甚至更高[29]。目前具有工業(yè)應用價值的電鑄材料主要有銅、鎳、鐵等[30]。文獻[31]采用鋁芯模電鑄出毫米波波紋喇叭，精度達±0.02 mm，粗糙度優(yōu)于0.8 μm，芯模采用溫度70°C～80°C的10%氫氧化鈉溶液浸泡溶解除去。文獻[32]先通過精密加工得到電鑄鋁芯模，隨后得到電鑄厚層鎳，最后溶解鋁芯模得到波紋喇叭，并用該工藝制作了頻率達到1.25～1.57 THz的波紋喇叭（如圖4（a）所示）。文獻[29]使用電鑄工藝在機加鋁芯模上電鑄了毫米波縫隙天線，模芯、法蘭和電鑄工裝實行一體化設計。在電鑄過程中，由于晶粒異常長大、陰極析氫、電場分布不均等原因，外型面易產(chǎn)生結瘤、麻點等缺陷和電鑄層厚度不均勻的問題，而且缺陷和壁厚差一旦產(chǎn)生就很難消除，并隨著沉積層不斷生長而迅速加?。荒壳爸荒芎罄m(xù)利用機械車銑和拋磨來消除缺陷和壁厚差，以達到外型面的表面質量和尺寸精度要求；對于壁厚為數(shù)毫米的零件，需要經(jīng)過多次停機整平才能達到壁厚要求[30]。針對電鑄層較脆、韌性差的問題，文獻[33]研究了一種波導組件的電鑄成形方法，通過選擇合適的電鍍液、鍍銅添加劑以及鍍銅條件，可以得到結晶細致、組織致密、韌性好的電鑄層。此外，針對高頻段的波導腔體，退芯處理、接觸面積過小、腐蝕芯模的周期過長也是需要解決的問題。

圖4 基于增材制造方法實現(xiàn)的波導器件

4.2 三維打印

三維打印是通過“離散-堆積”使材料逐點鑄層累積疊加形成三維實體的技術。對于成形精度要求高、結構設計較為靈活的波導器件，三維打印的出現(xiàn)使其擺脫了傳統(tǒng)制造工藝的束縛，更多結構復雜、性能優(yōu)異的器件因此得以實現(xiàn)[34]。波導器件三維打印的方法一種是采用“非金屬三維打印和內腔金屬化”的技術路徑間接實現(xiàn)波導。文獻[35]設計了基于三維打印的波導縫隙天線陣列，結合增材制造與金屬電鍍來修改槽陣列結構，以快速響應頻率、增益和傾斜角度的要求。文獻[36]研究了采用非金屬打印+表面金屬化模式加工的W波段波紋喇叭天線，采用立體光固化成形技術，波導內部的金屬化通過化學鍍鎳和電鍍銅工藝完成，它在大部分頻帶和主波束模式下的回波損耗＜?20 dB，性能良好。文獻[37]采用類似方法獲得的W波段功分合成器如圖4（b）所示，該器件的鍍銅層有10 μm厚，大于5倍趨膚深度，鍍銅層帶來的腔體體積變化在待打印的電子模型中預先進行了結構補償。文獻[38]針對工作在77 GHz的喇叭天線，利用噴射金屬技術直接優(yōu)化天線性能，是一種在室溫和環(huán)境壓力下使用的新型直接電鍍技術，在幾秒鐘內就可實現(xiàn)銀薄膜對非導電表面的金屬處理。另一種波導器件三維打印方法是采用金屬三維打印技術直接實現(xiàn)波導。常見方法通過激光束熔化AlSi10Mg粉末逐層制造部件，如文獻[39]使用金屬材料直接增材制造出波導饋電天線陣列，其工作頻率為14～16 GHz；文獻[40]介紹了一種工作在12～18 GHz的共形開槽波導天線陣列，如圖4（c）所示，實現(xiàn)快速原型評估。如果電磁元件表面粗糙度的幅值大于趨膚深度，其性能將顯著降低[41]。文獻[42]指出，應用這種金屬增材制造工藝打印出的微波器件表面平整度很差，對于復雜結構的后續(xù)精加工是研究者們面臨的一大難題。波導內壁的粗糙度越差，波導傳輸損耗越大。針對小口徑波導，常用的內部填充磨料微粒的超聲波震動法和電鍍銀降低粗糙度方法存在一定的局限性，如超聲波法灌注磨料困難、鍍銀法需加輔助陽極等。文獻[43]提出一種化學腐蝕拋光提高鋁波導內腔表面質量的工藝方法，波導損耗得到大幅改善。文獻[44]認為，三維打印面臨的一個主要挑戰(zhàn)是技術本身的制造參數(shù)，如幾何公差、表面粗糙度和材料性能，這些都直接影響波導器件的性能，若這些參數(shù)得到改進，三維打印技術將會得到快速發(fā)展。文獻[45]通過尺寸微小的均勻鋁微滴逐點逐層堆積，成形出尺寸微小、壁薄、外形復雜的鋁合金波導件，利用可溶性型芯可有效保證微小鋁合金波導件的內腔形狀和尺寸精度。

5 精密制造技術分析和展望

幾十年來，伴隨著機械工程技術、電子技術、自動化技術、信息技術等多種技術的快速發(fā)展，各種精密制造工藝得到了快速發(fā)展和應用，實現(xiàn)的尺寸精度、表面質量等指標直接作用于毫米波波導器件的微波性能，貢獻突出。技術分析和展望主要體現(xiàn)在以下4個方面。

1）根據(jù)波導對象的頻率、材料、結構、尺寸精度、加工數(shù)量、周期成本等具體需求，選擇合理、先進、可靠的工藝方法。各種波導器件精密制造技術的對比情況見表1。其中，基于模具的方案適合批量高效制造，基于三維打印的方法適合快速驗證響應。

表1 波導器件精密制造技術對比

2）大部分屬于集成工藝技術應用，除了毫米波波導內腔的形狀制造，還需要綜合工藝設計特性和加工過程的過程特性需求，綜合解決諸如多工序加工過程基準保證、低應力制造、無損去毛刺、可靠電鍍等工藝技術問題。

3）與減材和等材制造相比，屬于增材制造的三維打印僅有幾十年的發(fā)展歷史。從制造原理來看，三維打印對形狀和材料沒有特別要求，是一種理想的微小型復雜波導制造手段，但要進一步擴展其在毫米波甚至更高頻段器件的應用空間仍存在一些有待解決的問題。目前可打印制備的金屬材料種類有限，對其只有力學性能研究，缺少電特性研究?；诮饘俨牧系拇蛴≠|量還不夠理想，無論精度、質量還是成本仍難以與傳統(tǒng)工藝相比。

4）對于毫米波甚至更高頻段的器件，微小的尺寸誤差可能導致頻率、帶寬、損耗等指標發(fā)生質的變化。有些文獻對微波特性與結構、工藝指標之間的影響關系進行了研究，提出了一些有價值的工程應用數(shù)據(jù)和規(guī)律，但還需要進一步研究，特別是基于特定工藝技術的工藝性結構優(yōu)化設計帶來的影響，與波導器件的靈活設計、可制造性、成本周期等密切相關。

6 結束語

在“需求引領”下，國內外學者圍繞毫米波波導器件精密制造工藝技術開展了大量研究工作，本文針對該主題進行了綜述和分析，綜合評價了波導器件精密制造技術的材料選擇、結構特點、尺寸精度、加工數(shù)量、周期成本等要素，為系統(tǒng)方案的全局最優(yōu)設計和實現(xiàn)提供了有益借鑒。同時，從制造原理來看極具工程應用前景的屬于增材制造的金屬三維打印等技術，受限于材料、工藝、裝備、應用等方面的水平，仍是相對欠缺的方面，還需要積極發(fā)揮“技術驅動”能動性，有針對性地開展相關基礎研究，使其得到穩(wěn)步發(fā)展，未來必將推動和促進高性能毫米波波導器件以及毫米波雷達產(chǎn)品的研制生產(chǎn)。