精密制造平板裂缝天线技术分析

程 睿

（西安雷通科技有限责任公司，陕西 西安 710100）

0 引言

随着无线通信技术的快速发展，对天线性能和设计要求也越来越高。平板裂缝天线由于其低成本、轻便、易制造等特点，被广泛应用于无线通信系统中。然而，裂缝天线中存在的裂缝问题严重影响了其性能和稳定性。精密制造平板裂缝天线技术的研究旨在解决裂缝问题，并提高天线的性能和可靠性。通过精确的制造工艺和先进的材料技术，可以实现天线的高精度加工和裂缝的最小化。

1 平板裂缝天线原理与结构特点分析

1.1 原理

平板裂缝天线的原理基于微带天线原理和裂缝辐射原理，其中微带天线是一种在介质衬底上制作的小型天线，通过将导电片（通常是金属）贴附在介质衬底上，并与地平面导电层相连，形成一个带状结构。微带天线的工作原理是通过导电片的谐振来产生和辐射电磁波。而且裂缝可以被看作是导电材料中的间隙或裂缝，通过这些裂缝辐射电磁波。裂缝辐射天线的工作原理是通过裂缝产生的电流来激发辐射电磁波。

平板裂缝天线将微带天线和裂缝辐射结合在一起。它的结构通常由导电材料制成的平板裂缝组成，其中裂缝被切割在导电材料之间。当高频信号通过裂缝传输时，裂缝中的电流会激发电磁波的辐射。通过调整裂缝的形状、尺寸和位置，可以实现对特定频率的较好响应和增益。

1.2 结构特点

平板裂缝天线的主要结构是一个平板状的导电材料，通常是金属。这种平板结构可以被设计成与设备的外观融为一体，使其更加美观和紧凑。而且其通常会在导电材料上切割出裂缝。裂缝是一个间隙或裂缝，通过它来传输高频信号。裂缝的形状、尺寸和位置会影响到天线的性能。

平板裂缝天线通常需要一个地平面导电层来提供辐射效果。地平面位于导电材料的背面，与裂缝连接起来。地平面的尺寸和形状也会对天线的性能产生影响。其一般会与系统内部的电路连接，以将信号传输到天线。通常使用导线或微带线等方式将电路与裂缝连接起来。总体而言，平板裂缝天线具有紧凑、轻巧、外观美观等优点，适用于集成到各种便携式设备中，提供无线通信功能。但其设计和优化需要考虑裂缝的复杂电磁特性，需要进行精确的工程计算和测试。

2 平板裂缝天线精密制造技术分析

2.1 天线阵面加工

最先需要根据天线要求和性能指标，设计和优化平板裂缝天线。在某个通信系统中，需要设计和制造一个平板裂缝天线阵面，以实现特定的射频性能和辐射模式。该天线阵面由多个平板裂缝天线单元组成，每个单元的尺寸和布局需要进行精密制造以保证性能一致性。已知天线工作在频率范围为2.4～2.5 GHz，需要实现约6dBi 的增益，该天线采用铜基导电板，板材厚度为0.5 mm。由于条件限制，此次制造不选择整体压装板夹，使用两夹板进行固定[1]。该天线阵面要求较高，需要保证其均方根误差小于0.15 mm，间距精度控制在0.03 mm 以内。为实现精密度，将使用激光切割机将铜板切割成所需的平板形状，平板尺寸为10 cm × 10 cm。利用激光切割，在导电材料上制作裂缝，宽度为0.2 mm，长度为8 cm，并位于导电材料的中心位置。其中加热温度200 ℃，保温时间30 min，冷却速率10 ℃/min，之后将完成曲折成形和表面处理的单元板按照设计要求进行组装，形成完整的平板裂缝天线阵面。最终天线阵面采用4 × 4 的正方形排列，共计16 个平板裂缝天线单元通过X 射线检测、电性能测试等质检手段，对天线阵面进行质量检验，确保其性能和质量符合设计要求。

在导电材料背面制作地平面。通过刻蚀方法，在导电材料背面形成一层厚度为0.1 mm 的铜地平面。使用宽度为0.5 mm，厚度为0.05 mm 的铜微带线与裂缝和地平面进行电路连接。最后使用频率范围为2 ～3 GHz 的网络分析仪测量天线的S 参数，并与设计要求进行比较，最终得出的天线阵面模型如图1 所示。

图1 天线阵面模型

2.2 冷板深孔钻与熔焊封堵

在平板裂缝天线的制造过程中，可以使用冷板深孔钻来制作裂缝天线中的裂缝，其中裂缝直径为0.2 mm，其冷板冷却水道如图2 所示。

图2 冷板

在施工过程中，可以通过冷板深孔钻机器，在导电材料上精确钻出指定位置和直径的孔来形成裂缝。之后使用熔焊封堵技术将裂缝进行封堵，以保证裂缝的稳定性和完整性。在熔焊过程中，使用焊锡作为熔焊材料，其融点为230 ℃。将焊锡加热至融点，然后涂抹在裂缝的开口处，通过焊接过程将裂缝封堵。采用上述两种方法，能够避免在后续使用过程中长焊缝出现局部失效情况，进而造成冷却液的泄漏。

2.3 真空钎焊

2.3.1 焊料装配

在平板裂缝天线的制造中，真空钎焊是一种常用的连接技术，用于将裂缝天线的组件进行焊接，选择适合的焊料，通常使用具有低熔点和良好钎焊性能的材料，本文以铜合金为例进行分析，根据需要的焊接位置和形状，将焊料切割成合适的形状和尺寸[2]。确保焊接的工作区域干净，并清除任何污垢或杂质。将切割好的焊料装配到焊接部件的接合处。

2.3.2 装炉

使用的真空钎焊炉炉腔温度范围800～1200 ℃，钎焊温度为650 ℃，在使用过程中，需要预热30 min。平板裂缝天线真空钎焊炉的装炉过程涉及将待焊接的组件放入炉腔中，并进行真空处理和钎焊，确保炉腔内部干净，并清除任何杂质或污垢。根据需要，安装合适的夹具或支架，以便在炉腔中稳定地放置待焊接的组件。将待焊接的组件放置在炉腔中的夹具或支架上，在放置过程中需要尽可能保证水平，同时天线工艺盒与加热壁之间的距离需要保持均匀。确保组件与夹具或支架的接触良好，以避免移动或变形，确保炉腔完全密封，以便进行真空处理。使用密封圈、密封门或其他密封装置，确保炉腔内与外界的气体隔离。

启动真空泵，将炉腔内的气体抽除，创建真空环境[3]。根据焊接要求，真空度为10-5mbar，以去除氧气和其他杂质。在真空环境下，使用加热系统对炉腔和组件进行预热。根据具体焊接要求，设定适当的预热温度和时间，确保组件达到焊接温度前的均匀加热。

2.3.3 工艺参数设置

在真空钎焊过程中，其主要通过辐射进行加热。如果预热时间过长，则会导致被焊器件的绝缘性能下降，甚至可能发生短路。在设置过程中，根据上文中的真空钎焊炉情况，确认预热时间为30 min。加热温度是指在被焊器件的表面上施加的最高温度。保温时间过长则会导致被焊接器件表面氧化、腐蚀，甚至烧穿。钎料加入量是指在真空状态下将被焊器件插入到钎焊炉内后，对其进行加热并在规定时间内将钎料均匀地喷洒在被焊件表面上所需要的最少的物料量。

2.3.4 焊接过程

在正式焊接过程中，真空泵开启之后，需要注意温度，根据焊接要求，逐渐加热炉腔和组件。预热阶段的目的是将组件加热至焊接温度前的适当温度，以避免温度梯度过大。当油温达到350 ℃之后，需要关闭真空阀门，在真空度达到界限之后开始对炉体进行加热。

图3 为焊接温度变化曲线。一旦组件达到焊接温度，即500 ℃，需要添加适量的钎焊材料到焊接位置。钎焊材料应能够熔化并润湿接合表面。在达到稳定的温度后，开始进行钎焊操作。将钎料均匀涂布在相邻天线元件的接触面上，然后将其放置在预定的位置，确保天线元件之间的良好连接。在焊接温度下保持一段时间，约45 min，以确保钎料充分熔化、扩散并与接合部位形成坚固的连接。之后快速加热到600 ℃，保持该温度5 min，之后逐渐降低炉腔温度至550 ℃，使钎料冷却和固化。确保组件在冷却过程中保持稳定，以避免产生应力或变形。在完成焊接后，停止真空泵操作，将炉腔内的气体恢复正常。

图3 焊接温度变化曲线

2.3.5 焊接检验

最先需要进行外观检验，使用肉眼或放大镜对平板裂缝天线进行全面的外观检查，包括检查是否存在外观缺陷、毛刺、划痕、凹凸不平等问题。外观应该整齐、光滑、无明显瑕疵。使用合适的测量工具，检查平板裂缝天线的尺寸是否与设计要求相符。这包括裂缝的长度、宽度、位置以及整个天线的大小和形状等方面。尺寸应该在规定的公差范围内。若平板裂缝天线经过了特殊的表面处理，如涂覆或喷涂等，需要检查表面处理层的均匀性、附着力和光洁度等[4]。

内观检验方面需要保证平板裂缝天线的内部结构和组件的质量符合设计要求，功能正常并具有良好的性能。一般情况下，可以通过使用X 射线或其他无损检测技术，检查平板裂缝天线内部的零部件、焊接连接、导线等是否存在缺陷、裂纹或松动等问题。使用专业的测试设备，如网络分析仪或频谱分析仪，对平板裂缝天线进行电性能测试。这包括增益、辐射模式、回波损耗等参数的测量，以验证天线的性能是否达到设计要求。

经检验，在制造过程中，平板裂缝天线的尺寸精度以±0.01 mm 为界限，本次实验的精度为0.06 mm，精度符合标准。外形尺寸中测量并记录平板裂缝天线的长度，为40 mm。测量并记录平板裂缝天线的宽度，为20 mm。钎焊接头的强度要求为每平方毫米承载能力大于100 兆帕斯卡，使用适当的测量工具，测量并记录平板裂缝天线的厚度，为0.5 mm。裂缝尺寸中，使用显微镜或光学测量仪测量并记录裂缝的宽度，为0.1 mm。使用测量工具或显微镜，测量并记录裂缝的长度，应为25 mm。之后通过超声波检测技术检测到裂纹的存在，该技术检测准确率高于90%，并未发现内部裂纹，说明本次天线参数符合标准需求。

3 结语

在精密制造平板裂缝天线技术的应用与发展中，需要加强精密性，并且期待更先进的制造工艺和材料技术的应用，以进一步提高天线的性能和稳定性。同时，也需要加强对天线设计和制造过程的研究和控制，以确保天线的质量和可靠性。