精密制造平板裂縫天線技術分析

程 睿

（西安雷通科技有限責任公司，陜西 西安 710100）

0 引言

隨著無線通信技術的快速發展，對天線性能和設計要求也越來越高。平板裂縫天線由于其低成本、輕便、易制造等特點，被廣泛應用于無線通信系統中。然而，裂縫天線中存在的裂縫問題嚴重影響了其性能和穩定性。精密制造平板裂縫天線技術的研究旨在解決裂縫問題，并提高天線的性能和可靠性。通過精確的制造工藝和先進的材料技術，可以實現天線的高精度加工和裂縫的最小化。

1 平板裂縫天線原理與結構特點分析

1.1 原理

平板裂縫天線的原理基于微帶天線原理和裂縫輻射原理，其中微帶天線是一種在介質襯底上制作的小型天線，通過將導電片（通常是金屬）貼附在介質襯底上，并與地平面導電層相連，形成一個帶狀結構。微帶天線的工作原理是通過導電片的諧振來產生和輻射電磁波。而且裂縫可以被看作是導電材料中的間隙或裂縫，通過這些裂縫輻射電磁波。裂縫輻射天線的工作原理是通過裂縫產生的電流來激發輻射電磁波。

平板裂縫天線將微帶天線和裂縫輻射結合在一起。它的結構通常由導電材料制成的平板裂縫組成，其中裂縫被切割在導電材料之間。當高頻信號通過裂縫傳輸時，裂縫中的電流會激發電磁波的輻射。通過調整裂縫的形狀、尺寸和位置，可以實現對特定頻率的較好響應和增益。

1.2 結構特點

平板裂縫天線的主要結構是一個平板狀的導電材料，通常是金屬。這種平板結構可以被設計成與設備的外觀融為一體，使其更加美觀和緊湊。而且其通常會在導電材料上切割出裂縫。裂縫是一個間隙或裂縫，通過它來傳輸高頻信號。裂縫的形狀、尺寸和位置會影響到天線的性能。

平板裂縫天線通常需要一個地平面導電層來提供輻射效果。地平面位于導電材料的背面，與裂縫連接起來。地平面的尺寸和形狀也會對天線的性能產生影響。其一般會與系統內部的電路連接，以將信號傳輸到天線。通常使用導線或微帶線等方式將電路與裂縫連接起來。總體而言，平板裂縫天線具有緊湊、輕巧、外觀美觀等優點，適用于集成到各種便攜式設備中，提供無線通信功能。但其設計和優化需要考慮裂縫的復雜電磁特性，需要進行精確的工程計算和測試。

2 平板裂縫天線精密制造技術分析

2.1 天線陣面加工

最先需要根據天線要求和性能指標，設計和優化平板裂縫天線。在某個通信系統中，需要設計和制造一個平板裂縫天線陣面，以實現特定的射頻性能和輻射模式。該天線陣面由多個平板裂縫天線單元組成，每個單元的尺寸和布局需要進行精密制造以保證性能一致性。已知天線工作在頻率范圍為2.4～2.5 GHz，需要實現約6dBi 的增益，該天線采用銅基導電板，板材厚度為0.5 mm。由于條件限制，此次制造不選擇整體壓裝板夾，使用兩夾板進行固定[1]。該天線陣面要求較高，需要保證其均方根誤差小于0.15 mm，間距精度控制在0.03 mm 以內。為實現精密度，將使用激光切割機將銅板切割成所需的平板形狀，平板尺寸為10 cm × 10 cm。利用激光切割，在導電材料上制作裂縫，寬度為0.2 mm，長度為8 cm，并位于導電材料的中心位置。其中加熱溫度200 ℃，保溫時間30 min，冷卻速率10 ℃/min，之后將完成曲折成形和表面處理的單元板按照設計要求進行組裝，形成完整的平板裂縫天線陣面。最終天線陣面采用4 × 4 的正方形排列，共計16 個平板裂縫天線單元通過X 射線檢測、電性能測試等質檢手段，對天線陣面進行質量檢驗，確保其性能和質量符合設計要求。

在導電材料背面制作地平面。通過刻蝕方法，在導電材料背面形成一層厚度為0.1 mm 的銅地平面。使用寬度為0.5 mm，厚度為0.05 mm 的銅微帶線與裂縫和地平面進行電路連接。最后使用頻率范圍為2 ～3 GHz 的網絡分析儀測量天線的S 參數，并與設計要求進行比較，最終得出的天線陣面模型如圖1 所示。

圖1 天線陣面模型

2.2 冷板深孔鉆與熔焊封堵

在平板裂縫天線的制造過程中，可以使用冷板深孔鉆來制作裂縫天線中的裂縫，其中裂縫直徑為0.2 mm，其冷板冷卻水道如圖2 所示。

圖2 冷板

在施工過程中，可以通過冷板深孔鉆機器，在導電材料上精確鉆出指定位置和直徑的孔來形成裂縫。之后使用熔焊封堵技術將裂縫進行封堵，以保證裂縫的穩定性和完整性。在熔焊過程中，使用焊錫作為熔焊材料，其融點為230 ℃。將焊錫加熱至融點，然后涂抹在裂縫的開口處，通過焊接過程將裂縫封堵。采用上述兩種方法，能夠避免在后續使用過程中長焊縫出現局部失效情況，進而造成冷卻液的泄漏。

2.3 真空釬焊

2.3.1 焊料裝配

在平板裂縫天線的制造中，真空釬焊是一種常用的連接技術，用于將裂縫天線的組件進行焊接，選擇適合的焊料，通常使用具有低熔點和良好釬焊性能的材料，本文以銅合金為例進行分析，根據需要的焊接位置和形狀，將焊料切割成合適的形狀和尺寸[2]。確保焊接的工作區域干凈，并清除任何污垢或雜質。將切割好的焊料裝配到焊接部件的接合處。

2.3.2 裝爐

使用的真空釬焊爐爐腔溫度范圍800～1200 ℃，釬焊溫度為650 ℃，在使用過程中，需要預熱30 min。平板裂縫天線真空釬焊爐的裝爐過程涉及將待焊接的組件放入爐腔中，并進行真空處理和釬焊，確保爐腔內部干凈，并清除任何雜質或污垢。根據需要，安裝合適的夾具或支架，以便在爐腔中穩定地放置待焊接的組件。將待焊接的組件放置在爐腔中的夾具或支架上，在放置過程中需要盡可能保證水平，同時天線工藝盒與加熱壁之間的距離需要保持均勻。確保組件與夾具或支架的接觸良好，以避免移動或變形，確保爐腔完全密封，以便進行真空處理。使用密封圈、密封門或其他密封裝置，確保爐腔內與外界的氣體隔離。

啟動真空泵，將爐腔內的氣體抽除，創建真空環境[3]。根據焊接要求，真空度為10-5mbar，以去除氧氣和其他雜質。在真空環境下，使用加熱系統對爐腔和組件進行預熱。根據具體焊接要求，設定適當的預熱溫度和時間，確保組件達到焊接溫度前的均勻加熱。

2.3.3 工藝參數設置

在真空釬焊過程中，其主要通過輻射進行加熱。如果預熱時間過長，則會導致被焊器件的絕緣性能下降，甚至可能發生短路。在設置過程中，根據上文中的真空釬焊爐情況，確認預熱時間為30 min。加熱溫度是指在被焊器件的表面上施加的最高溫度。保溫時間過長則會導致被焊接器件表面氧化、腐蝕，甚至燒穿。釬料加入量是指在真空狀態下將被焊器件插入到釬焊爐內后，對其進行加熱并在規定時間內將釬料均勻地噴灑在被焊件表面上所需要的最少的物料量。

2.3.4 焊接過程

在正式焊接過程中，真空泵開啟之后，需要注意溫度，根據焊接要求，逐漸加熱爐腔和組件。預熱階段的目的是將組件加熱至焊接溫度前的適當溫度，以避免溫度梯度過大。當油溫達到350 ℃之后，需要關閉真空閥門，在真空度達到界限之后開始對爐體進行加熱。

圖3 為焊接溫度變化曲線。一旦組件達到焊接溫度，即500 ℃，需要添加適量的釬焊材料到焊接位置。釬焊材料應能夠熔化并潤濕接合表面。在達到穩定的溫度后，開始進行釬焊操作。將釬料均勻涂布在相鄰天線元件的接觸面上，然后將其放置在預定的位置，確保天線元件之間的良好連接。在焊接溫度下保持一段時間，約45 min，以確保釬料充分熔化、擴散并與接合部位形成堅固的連接。之后快速加熱到600 ℃，保持該溫度5 min，之后逐漸降低爐腔溫度至550 ℃，使釬料冷卻和固化。確保組件在冷卻過程中保持穩定，以避免產生應力或變形。在完成焊接后，停止真空泵操作，將爐腔內的氣體恢復正常。

圖3 焊接溫度變化曲線

2.3.5 焊接檢驗

最先需要進行外觀檢驗，使用肉眼或放大鏡對平板裂縫天線進行全面的外觀檢查，包括檢查是否存在外觀缺陷、毛刺、劃痕、凹凸不平等問題。外觀應該整齊、光滑、無明顯瑕疵。使用合適的測量工具，檢查平板裂縫天線的尺寸是否與設計要求相符。這包括裂縫的長度、寬度、位置以及整個天線的大小和形狀等方面。尺寸應該在規定的公差范圍內。若平板裂縫天線經過了特殊的表面處理，如涂覆或噴涂等，需要檢查表面處理層的均勻性、附著力和光潔度等[4]。

內觀檢驗方面需要保證平板裂縫天線的內部結構和組件的質量符合設計要求，功能正常并具有良好的性能。一般情況下，可以通過使用X 射線或其他無損檢測技術，檢查平板裂縫天線內部的零部件、焊接連接、導線等是否存在缺陷、裂紋或松動等問題。使用專業的測試設備，如網絡分析儀或頻譜分析儀，對平板裂縫天線進行電性能測試。這包括增益、輻射模式、回波損耗等參數的測量，以驗證天線的性能是否達到設計要求。

經檢驗，在制造過程中，平板裂縫天線的尺寸精度以±0.01 mm 為界限，本次實驗的精度為0.06 mm，精度符合標準。外形尺寸中測量并記錄平板裂縫天線的長度，為40 mm。測量并記錄平板裂縫天線的寬度，為20 mm。釬焊接頭的強度要求為每平方毫米承載能力大于100 兆帕斯卡，使用適當的測量工具，測量并記錄平板裂縫天線的厚度，為0.5 mm。裂縫尺寸中，使用顯微鏡或光學測量儀測量并記錄裂縫的寬度，為0.1 mm。使用測量工具或顯微鏡，測量并記錄裂縫的長度，應為25 mm。之后通過超聲波檢測技術檢測到裂紋的存在，該技術檢測準確率高于90%，并未發現內部裂紋，說明本次天線參數符合標準需求。

3 結語

在精密制造平板裂縫天線技術的應用與發展中，需要加強精密性，并且期待更先進的制造工藝和材料技術的應用，以進一步提高天線的性能和穩定性。同時，也需要加強對天線設計和制造過程的研究和控制，以確保天線的質量和可靠性。