同轴馈电微带相控阵天线集成技术

万录明

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引言

同轴馈电微带天线是在一个薄介质基片（如聚四氟乙烯玻璃纤维压层材料）上，一面满附金属薄层接地，另一面用蚀刻特定形状的金属贴片，利用同轴探针对贴片馈电构成的功能部件。微带天线模型如图1 所示。

图1 微带天线模型

微带天线是20 世纪中后期逐渐发展起来的一种新型天线。微带天线有着体积小、重量轻、制造成本低、容易实现共形等优点，同时，可方便地实现线极化或圆极化以及双频工作，因而，被广泛应用于飞机通信、导航、识别、雷达、广播和航空航天等领域。特别是随着各类机载平台的轻量化以及低RCS 需求，微带天线作为相控阵天线、共形天线的主要实现形式，逐渐成为天线领域的主要发展方向[1-6]。应用实例见图2。相信随着需求的推动及技术的发展，这种天线的应用会越来越广泛。

图2 微带天线的应用实例

同轴馈电式微带相控阵天线阵面是一种典型结构，结构组成较为简单，通常由金属底板、微带板和SMP 连接器互联形成[7-8]，三个组成件本身的制造是常规的，但在同轴馈电微带相控阵天线阵面装配方法与工艺控制措施方面仍存在较多工艺难点。本文以某毫米波同轴馈电微带相控阵天线为例，重点介绍微带天线阵面的集成工艺技术以及主要控制环节。

1 结构与工艺特点

微带相控阵天线阵面通常由金属底板、微带板和SMP 连接器互联形成，如图3 所示。金属底板材料为防锈铝合金，起到支撑微带板作用，也是微带板和SMP 连接器的接地构件；微带板是天线阵面的关键功能构件，是内带有特定形状和数量金属贴片图形的低损耗聚四氟乙烯介质板；SMP 连接器即小型射频同轴连接器，是毫米波频段微带天线中的常用射频传输构件。为满足指标和使用要求，微带板与金属底板需大面积可靠无缝连接；SMP 连接器在确保外壳与金属底板可靠接地且不影响射频传输过程中阻抗匹配的同时，其插针还需与贴片保持良好馈电。整个阵面均须满足使用插拔、振动、恶劣工作环境等多方面的要求。

图3 某毫米波微带天线阵面结构剖面图

对于微带天线阵面的工艺实现，金属底板、微带板、接插件的加工、装配精度和一致性均是保证驻波、增益等天线指标的关键[9-10]。同时，随着天线工作频段的提高、阵元间距缩小、加工及装配的尺寸精度和一致性要求大大提高，对高精密设备及操作技能依赖程度高，工艺难度远远大于常规低频电路模块。因此，需要研究微带天线阵面集成装配方法及工艺控制措施。

2 微带天线阵面集成工艺方案

微带天线阵面的工艺实现主要涉及金属基板、微带片与SMP 连接器的制造及互联，其天线阵面的制造工艺流程如图4所示。其中，金属基板采用精密数控加工，保证高尺寸精度要求，微带片与SMP 连接器直接向企业定制，因此微带天线阵面制造的关键技术在集成上，重点在于根据产品实际需求选用适应的装配方法并制定工艺控制措施，主要涉及金属基板与微带片的层压工艺、金属基板与SMP 的焊接工艺和集成效果检测工艺[11]。

图4 天线阵面工艺流程图

2.1 微带与金属底板层压工艺

层压的工艺原理是利用半固化片从B-stage 向Cstage 的转换过程，将各叠层粘结成一体[12-15]。半固化片在这一转换过程的状态变化如图5 所示。

图5 半固化片的状态变化

确定一个层压Cycle 应首先确定4 个工艺条件：升温速度；预压压力、温度及时间；主压压力、温度及时间；保压冷却时间。层压是通过加温、高压，使半固化片树脂熔融流动，进一步渗入到粘接基材间隙中去，并使树脂从A 阶段进到B 阶段，产生固化成型、层间牢固粘接的加工过程。真空压制方式可使树脂更加紧密地填充间隙，并消除层间的气隙、气泡。层压设备提供三大基础作用：抽真空、加热并控温、加压。

微带与金属底板层压工艺的叠板示意图如图6 所示。其中，层压工装是控制层压变形、减小层压空洞率，均压工装改变微观局部高低部位的力量分布，使其基本均匀一致，从而减少层压内部缺陷。微带与金属底板层压的关键是材料体系的选择和工艺过程控制。

图6 层压叠板示意图

材料体系的选择需综合考虑电路指标、使用环境、层压及后续工艺环境、对位精度等因素，微带片与半固化片的选择是关键。微带片的选择主要基于与金属基板材料间的热匹配，微带片材料应具有同铝合金相近的热胀系数，特别是当微带片较厚时还要关注材料的Z向膨胀系数，本次试验选择ARLON 公司的CLTE-XT（介电常数为2.94，损耗正切角为0.001 2，XYZ热膨胀系数分别为8，8，20）。半固化片的选择主要考虑固化条件、含胶量、流胶率、环境适应性等。本次试验采用非导电热固性PP（型号FR-27-0030-25，厚3 mil，含胶量25%，低流动性，层压温度峰值为235 ℃）。

在确定了层压工艺及材料体系后，层压工艺过程控制是保证层压质量的关键，主要包括表面处理、对位精度、流胶量和层压参数等。本次试验层压面采用喷砂和彩色导电氧化处理，微带片与金属基板用两销一面控制对位精度，通过设计PP 层预减料的同时选择合理保温时间来控制PP 的流胶量，层压参数过程采用两段加压进行试验。层压工艺参数的工艺控制为第一段加压主要提供压力，保证先软化的树脂与铜箔充分接触和咬合，之后当树脂随温度变化粘度较低时提供第二段压力。层压工艺参数温度、压力、时间有机匹配，只有在先试压保证质量的基础上，才能确定最佳的温度、压力、时间控制参数。本次试验经过试压验证，确定了层压工艺参数曲线图如图7 所示。

图7 层压工艺参数曲线图

2.2 阵列SMP 连接器焊接工艺

SMP 连接器的焊接为SMP 外壳与金属基板的锡焊，图8 是某焊接型SMP 连接器的开孔推荐尺寸以及焊料放置位置示意图。为了确保阵列SMP 连接器的焊接质量，焊接前对金属基板SMP 安装孔进行清洗，去除前面层压内残余的凝胶和助焊剂等多余物，装配时采用熔点为183 ℃的Sn63Pb37 的自制精密焊环，并采用工装保证所有SMP 肩部台阶焊接后与金属基板接触良好，不影响传输阻抗；焊接时使用烧结炉精确温控及加热时间，确保SMP 焊接质量。

图8 SMP 开孔及焊接示意图

本次试验中，由于天线阵面有若干阵列SMP 连接器与金属基板焊接，SMP 连接器和焊孔存在加工误差，必然是最高的三处首先接触，从而限制了工装对其余联接器的预紧。因此，为了避免此弊端，本文设计了一种弹性组合式焊接装配工装以补偿所有误差，结构示意图如图9所示。弹性组合式焊接装配工装分别由弹性单元、夹具体、导热块和压板组成，其中弹性单元与夹具体过盈配合形成同金属底板相同的阵列弹性组合式装配工装。将用夹具装夹完成后的天线阵面连同工装放入烧结炉，温度设定为250 ℃，保温25 min，停止加热，开门鼓风，待温度降至183 ℃以下，取出自然冷却，完全冷却后卸去工装，从而确保产品电路指标及长期可靠性。

图9 弹性组合式装配工装结构弹性单元示意图

2.3 集成效果检测工艺

为了验证微带相控阵天线阵面金属基板与微带片、SMP 连接器与金属基板的集成效果，需要开展层压空洞率和连接强度检测，本次试验检测内容为层压空洞率、层压拉脱强度和阵列SMP锡焊效果。检测要求和流程如下：

1）层压空洞率检测：主要利用超声进行检测，检测标准为层压区空洞总和不超过总层压面积的20%，同时空洞与外轮廓边缘距离不小于3 mm。

2）层压拉脱强度检测：利用真空吸附工装，通过抽真空将工件吸附紧，下面吊砝码可增减砝码的重量，进行符合性检测，测试示意图如图10 所示，极限测试时增加砝码直至将吸附面拉脱或复合面拉脱。

图10 真空吸附检测层压拉脱强度原理示意图

该种测试方法吸附就可使用，对产品没有任何损害，使用方便，特别是应用于后期的抽检砝码值固定，使用方便快捷。这是真空首次使用于检测，方便快捷，不污染产品，这种检测方式有一定优越性。

3）阵列SMP 锡焊牢度检测：主要利用SMP 连接器内腔的擒纵环，设计专用弹性卡簧检测工装，如图11 所示。卡簧的壁厚调整到刚好满足测试限值，对所有SMP连接器卡进行插拔一遍检测，不发生SMP 连接器脱落即认为锡焊强度合格。

图11 SMP 锡焊牢度检测工装照片

3 试验验证

采用微带天线阵面集成工艺方案对某毫米波同轴馈电微带天线阵面进行工艺验证，装夹示意图和验证结果如图12所示，并按集成效果检测工艺进行了层压空洞率、层压拉脱强度和阵列SMP锡焊效果检测。由图12可得，微带天线阵面装夹良好，层压后表面无溢胶缺陷，焊锡无污染外观表面。经超声波检测层压面无明显分层，如图13 所示，无明显气孔，层压面空洞率小于30%；层压拉脱强度的最大载荷为50 kPa，满足设计提出的极限载荷49.2 kPa；阵列SMP锡焊的卡簧检测无一SMP连接器松动或脱落现象。综上，采用的微带天线阵面集成工艺方案有效，能完全满足该类同轴馈电微带相控阵天线阵面制造。

图12 某毫米波同轴馈电微带天线阵面验证结果

图13 层压面超声波检测结果

同时，天线阵面电性能测试合格，随天线整机完成了高温、低温、温度冲击、温度-高度、低气压、淋雨、湿热、振动、加速度、冲击、户外暴晒、温-湿-振综合试验等环境适应考验，充分表明该集成工艺满足机载平台长期可靠性要求。

4 结论

本文对某毫米波微带天线阵面结构进行了分析，提出了微带天线阵面集成工艺方法与工艺控制措施，主要包括微带与金属底板层压工艺、阵列SMP 连接器焊接工艺和集成效果检测工艺。通过对同轴馈电微带相控阵天线阵面集成工艺进行分析，得到了层压工艺参数、焊接工艺参数和工艺控制措施，并进行了工艺试验验证，结果表明层压与焊接质量良好，空洞率、层压抗脱落强度和焊接强度均满足设计要求，可用于实际生产，解决了同轴馈电微带相控阵天线阵面装配与工艺控制难题。