毫米波矩形波导成型技术浅析

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摘 要：本文通过分析毫米波波导管折弯成形特点，以及传统成形技术方法，选择合适的折弯成形方法以及填充材料。重点讨论了。填充材料特点和回弹角对波导尺寸和表面粗糙度的影响，并对该工艺制备进行了测定，结果表明选择合适的填充材料和折弯技术，从而使弯波导获得较好的成型精度和表面质量，相对传统成形有了较大的改善。

关键词：毫米波；折弯；低熔点合金；回弹角

中图分类号：TN81 文献标识码：A

1 概述

波导从使用以来，弯波导弯曲成型技术得到迅速的发展，主要应用在x频段的电子器件。毫米波的特点是波束窄，分辨率高，可用频段宽，抗多径效应和抗干扰能力强，制导精确等，因此得到广泛运用。但是由于波导尺寸小，尺寸精度和表面粗糙度都比x频段的高，毫米波频的波导成形加工较传统方法加工效果不好，所以需要修正其传统加工方式来改变制造质量，从而达到毫米波成形要求，目前比较常用的制造方法有：通过在波导管内填充钥带，使用设计制造通用弯模，在液压机上完成折弯成形加工；另一种加工方案是通过数控铣削和焊接来完成加工，通过实践证明：第一种加工方法会受到钢带变形和钢带抽取时的影响，第二种方法会受到焊接时焊料在波导腔内堆积的影响，所以很难保证波导腔的尺寸精度和表面粗糙度，从而影响波导传输性能。所以本文介绍了一种更为优良的管状薄壁折弯零件填充材料以克服传统加工的不足。

2 折弯试验

2.1 实验条件

折弯试验选用波导管BJ-320ⅡSJ150-65，波导腔尺寸为7.112±0.02mm×3.556±0.02mm，内表面粗糙度为Ra0.2，采用挤压弯曲方式，试验在自行设计制造的波导成型模具上进行，弯曲前对波导管进行校直和退火处理，并对波导管壁内腔尺寸和粗糙度进行检测。波导管采用E面弯曲和H面弯曲两种方式。

2.2 成型工艺过程

采用低熔点合金为填充材料，折弯成型毫米波器件工艺流程如图1所示。

2.3 参数测试

波导弯曲成型后，在CC-100线切割机上分别以H面和E面的中心线割开，在意大利ARES10.7三坐标测量机上测量波导内腔尺寸和弯曲角度。在德国Mahr公司Marsurf Psl粗糙度检测仪上测量粗糙度。

3 折弯成型工艺的研究

3.1 折弯过程及波导形变分析

波导弯曲时利用金属材料的塑性变形来实现的。根据管材弯曲截面畸变理论，波导管弯曲过程中，在弯矩作用下平行于轴101线的两条边产生管壁外侧拉力和内测压力的合力都指向波导管横截面中心，导致平行于轴心线的波导管壁材料在横截面内壁和外壁方向上产生压缩变形。为了较小变形阻力，材料有向中性层靠近的趋势。当周向压力和径向压力的合力达到某一临界值时，波导管壁材料失稳，产生波导管壁塌陷。如图2。

想要获得理想的截面就需要控制变形；提高波导管在折弯时的抗变形能力或加载反向变形力。

3.2 新型填充材料的选择和模具

选用优良的填充料代替传统填充料，一方面可以改善波导管的应力应变情况，另一方面可以降低清理难度，从而可以有效控制波导截面口径变化和改善波导内腔表面质量以符合设计要求。在这里我们选用的低熔点合金作为折弯填充材料，低熔点合金又称易熔合金，是指还有锡（Sn）、铅（Pb）、铋（Bi）、镉（Cd）、铟（In）为主要成分的合金的统称。按熔点特性分为：共晶合金和非共晶合金，前者熔点为额定值，后者熔点在一个温度区间。按熔点分为47℃，50℃，55℃，60℃，70℃，92℃，120℃，138℃，180℃。本文采用熔点为70℃的共晶合金熔点特性的低熔点合金，用水浴法或油浴法即可熔化。一般合金在室温凝固是收缩的，通常也遵循热胀冷缩的规律，由于毫米波波导管内径尺寸精度要求都非常高，折弯成型后要求内腔变形量非常小，所以在选用低熔点合金时选用含铋（Bi）45%——55%之间的低熔点合金。因为此低熔点合金在凝固后和熔化时的体积几乎不变，线性变形很低，具有良好强度，韧性和塑性变形综合力学性能，所以是折弯小口径波导管的优选填充料。当低熔点合金填充波导腔凝固后成为折弯模的模芯，将波导一端固定于专用用的模具上，完成折弯动作。（如图3）。

3.3 回弹角度对波导弯管精度的影响

对于弯波导因材料原子间结合力的影响，弯出的角度与设计的角度不一致，加工后波导长度尺寸一致性差，达不到相位一致性要求。如果将波导管在模具上弯曲到规定的角度ψ，由于弯曲变形区存在弹性变形，将波导管从模具上拆卸下来后，弯曲角度和弯曲半径与模具有所不同，其差值Δψ是由于材料的弹性变形引起的，称之为回弹角。如图4所示。

一般精度的钣金在模具设计计算中都把屈服极限和弹性模量作为常数，而实际弹性模量随变形的进展在不断变化，这种变化的程度对某些材料是很大的。同时，由于在波导管制造过程中工艺参数和条件变化也会引起屈服极限和弹性模量的变化，此时如果仍采用不变的屈服极限和弹性模量来计算，预测回弹，则所得结果与实际情况就会有很大的偏离。目前，对铜波导在弯曲过程中的弹性模量在变形过程中的变化规律无人进行系统的研究。因此，在实际工程中通过静力学实验方法测量弹性模量或者对铜波导采用具有最小机械偏差的波导坯件，即通过控制波导坯件的热处理参数以降低弹性应变的值，同时通过试模逐步修正。

4 成型方法比较分析

通过用65Mn-Ⅱ弹簧钢带和低熔点合金分别作为模芯，弯曲后样品质量见表1。

由表1数据可以看出，两种工艺成型的弯波导其内腔尺寸和表面质量及角度的稳定性不同，用低熔点合金作为模芯，成型工艺做出的样件优于钢带成型做出的样件，这主要是由于毫米波波导腔尺寸小，精度高，对钢带弯曲加工操作要求高，成型后钢带的抽取与波导腔管壁、钢带与钢带之间存在摩擦力，容易损伤管壁内腔表面质量。钢带将从弯曲变为平直，此时就会有力作用在波导上，使波导弯曲角度变大，钢带的平直度也会影响操作者，根据波导腔尺寸确定钢带数量，并且每次使用都进行测量，保证内腔尺寸，不易保存。而采用低熔点合金作为模芯，弯型中是熔化后的液态合金，低熔点合金流入波导腔将其充满，成型后采用水浴法，低熔点合金以液态流出，避免了与波导腔的直接摩擦，提高了表面质量，减小了二次变形，而且低熔点合金容易保存，可反复使用，降低了生产成本，使用简单易操作。

结语

通过采用低熔点合金的填充可制造出一致性好的毫米波弯波导，解决了采用传统工艺产生的不足和缺陷，使得波导管弯成型的加工效率及波导内表面粗糙度，口径尺寸，控制得以改善，其质量稳定性也得到提高。这为毫米波成型提供了一种新的途径。

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