CN111430865A - 一种基于ptfe材料的太赫兹软波导管及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于PTFE材料的太赫兹软波导管及其成型方法。所述成型方法包括：经过电磁特性仿真分析，获取腔体为PTFE作为介质的太赫兹软波导管结构；依照所述的太赫兹软波导管结构，采用频秒激光切割或者CNC进行加工，实现结构的初成型；对已实现初成型的结构采用复合激光直接成型技术涂敷镀金属层，得镀金属层结构；对镀金属层结构外层进行包络，实现物理保护，得包络结构；对包络结构两端的金属层与波导法兰盘进行连接，结构两端预留的金属区域涂敷带有银导电介质粘接剂，通过固化，实现粘接，即得太赫兹软波导管。所述成型方法适用于狭小腔体传输高频次电磁信号的软波导管成型方法，不局限于矩形截面尺寸与长度尺寸。
Description
技术领域
本发明属于电子领域，具体涉及一种基于PTFE材料的太赫兹软波导管及其成型方法。
背景技术
软波导管主要应用在卫星通信天线上，有以下两个作用：一是用于消除硬波导管之间的装配误差；二是利用软波导管的可变形性，实现对反射器或馈源组件的指向微调。传统的低频软波导管内壁呈波纹结构，具有很好的柔软性，能承受复杂的弯曲、拉伸和压缩，因而被广泛用于微波设备和馈线之间的连接。传统的软波导管之所以能够提供一定的变形量，是因为软波导管本身壁厚较小，约0.1～0.3mm，且结构类似于许多串联在一起的碟簧，具有较好的弯曲变形能力。
软波导管变形时，软波导管内部会产生弯曲应力，因此软波导管的弯曲能力及能够承受的弯曲次数就与使用的材料与成型工艺息息相关。同时，当软波导管的尺寸较小时，传统的工艺由于局限性无法成型，故在成型工艺上仍需进行探究。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于PTFE材料的太赫兹软波导管及其成型方法。所述成型方法适用于狭小腔体传输高频次电磁信号的软波导管成型方法，不局限于矩形截面尺寸与长度尺寸。
本发明的太赫兹软波导管主要用于传输50～500GHz的微波，在特定波段时首先经过计算，假设软波导管传递该频段微波信道的截面尺寸为1.27mm×2.54mm矩形截面，长度在200mm左右，采用厚度为0.1～0.2mm的金属铜做基底，表面涂敷银的金属工艺，镀层厚度以满足软波导管的H面与E面弯曲度为指标和电特性为基准，理论要求表面粗糙度小于0.8mm；理论上可达到软波导管电压驻波比≤1.3，插入损耗≤2.0dB/200mm的电特性。
当软波导管在空气中传播微波信号，即软波导管为空芯物理结构，经过仿真计算，矩形软波导管的结构为图1所示的矩形波纹管，但是这种物理结构由于过于狭长并且矩形波纹结构，很难通过传统的软波导管加工方法实现。
本发明提出一种基于低介电常数介质的太赫兹软波导管成型方案。其中相对介电常数是表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数。其值等于以预测材料为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器电容量之比，该值也是材料贮电能力的表征。通常，相对介电常数大于3.6的物质为极性物质；相对介电常数在2.8～3.6范围内的物质为弱极性物质；相对介电常数小于2.8为非极性物质。对于相对介电常数小于2.8为非极性物质材料已经被广泛应用在高频通信领域。
发明人对制备所需的材料进行了深入分析，具体过程为：
由于反射损耗，晶体材料如硅，石英和蓝宝石在THZ波段的透过率很低。对于硅材料，从50μm开始，透过率为50～54％；对于石英，从120μm开始，透过率>70％；对于1～2mm厚的蓝宝石，从350μm开始透过率>50％。有机材料，如聚甲基戊烯(TPX)，聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE)从200μm到1000μm都有几乎一致的透过率，达到80～90％。
TPX虽然是结晶性树脂，但是具有高透明度(雾状度<5％)，透光率>93％。TPX显示了优良的耐化学药品性，甚至比聚碳酸酯或丙烯酸树脂更好。由于TPX具有很低的表面张力，仅有24mN/m，这甚至比一些氟树脂低，与其他材料相比，TPX具有极好的易剥离性。TPX有很好的透气性(是PE的10倍)，这使得它成为气体分离应用，例如渗透膜，隔膜和孔状纤维等方面。因为它显著的绝缘特性，介电常数ε＝2.1(PTFE介电常数为2.0～2.1)，并且tanδ＝0.0008(在12GHz)，因此TPX非常适合高频率领域的应用。但本发明的应用中须在基体上涂敷金属层，TPX的极好的易剥离性极有可能带来涂覆层的不稳定性，因此不建议采用。
PE为白色蜡状半透明材料，PE是典型的软而韧的聚合物。除冲击强度较高外，其他力学性能绝对值在塑料材料中都是较低的。PE受热后，随温度的升高，结晶部分逐渐熔化，无定形部分逐渐增多。其熔点与结晶度和结晶形态有关。HDPE(高密度聚乙烯)的熔点约为125～137℃，MDPE(中密度聚乙烯)的熔点约为126～134℃，LDPE(低密度聚乙烯)的熔点约为105～115℃。PE分子结构中没有极性基团，因此具有优异的电性能，PE的体积电阻率较高，介电常数和介电损耗因数较小，几乎不影响频率，几种PE材料的电性能统计如表1所示。尽管PE具有优良的介电性能和绝缘性，但由于耐热性不够高，作为绝缘材料使用，只能达到Y级(工作温度≤90℃)。PE是非极性结晶聚合物，具有优良的化学稳定性，但是PE在大气、阳光和氧的作用下易发生老化，具体表现为伸长率和耐寒性降低，力学性能和电性能下降，并逐渐变脆、产生裂纹，最终丧失使用性能，因此不建议采用。
表1聚乙烯的电性能
PTFE以其优异的耐高低温性能和化学稳定性、很好的电绝缘性能、非粘附性、耐候性、阻燃性和良好的自润滑性，已在化工、石油、纺织、电子电气、医疗、机械等领域获得了广泛应用。PTFE在室温下是一种白色的固体，密度约为2.2g/cm3。耐热性能极好，其熔融温度为324℃，分解温度为415℃，最高使用温度为250℃，脆化温度为-190℃，热变形温度(0.46MPa条件下)为120℃，在-73℃到204℃温度范围内它的主要特点都差别不大，PTFE不吸潮、不燃、对氧、紫外线均极稳定，所以具有优异的耐候性。PTFE的力学性能良好，其拉伸强度为21～28MPa，弯曲强度为11～14MPa，伸长率为250％～300％，对钢的动静摩擦系数均为0.04，比尼龙、聚甲醛、聚酯塑料的摩擦系数都小。另外由于对1-7μm波段范围内透明度都很高，折射率都约为1.43，PTFE薄片通常用来制作IR偏振片。这种偏振片的价格比晶体材料的便宜。这样就使他们在IR偏振应用中能够得到大量使用。PTFE的电性能如表2所示。
表2PTFE的电性能
| 性能 | PTFE |
| 体积电阻率/Ω·cm | 2×10<sup>7</sup> |
| 介电常数/F·m<sup>-1</sup>(10<sup>6</sup>Hz) | 2.2 |
| 介电损耗因数(10<sup>6</sup>Hz) | 0.0004～0.0009 |
基于以上材料特性分析，将设计开发一种基于PTFE为基材的太赫兹软波导管结构制作方法。该结构中采用PTFE材质的内腔实心结构支撑。基于PTFE材质制作某频段太赫兹软波导管结构过程如下：
(1)首先经过仿真分析，腔体由原来的空气介质变为PTFE，经过电磁特性仿真分析以后获得如图2所示的工作频率为50～500GHz、腔体为PTFE作为介质的软波导管理论结构图；
(2)获得所述频率的该结构尺寸后，经过分析和调研，采用PTFE棒料为基体，可采用频秒激光切割或者CNC加工，本发明采用了德中技术发展公司的频秒激光加工设备，激光器波长为355nm，功率28～32W，加工轴X/Y/Z轴分辨率1～1.2μm，本设备的重复定位精度为-2μm～+2μm，可保证加工和重复装卡精度，然后采用辅助去毛刺工艺实现结构的初成型，需要注意的是加工方法要避免材质变形；
(3)成型后的PTFE结构采用复合激光直接成型技术涂敷镀金属层，镀层厚度设为L。激光直接成型技术利用计算机按照导电图形的轨迹控制激光的运动，将激光投照到模塑成型的三维塑料器件上，活化出电路图案。对于手机天线设计与生产，在成型的塑料支架上，利用激光镭射技术直接在支架上涂敷形成金属天线图案。这样一种技术，可以直接将天线镭射在手机外壳上。利用该项技术，把导电金属层镀到成型的PTFE结构上，镀层厚度以满足H面与E面弯曲度为指标和电特性为基准，本发明中存在波纹结构，由于位置的差异，在同一环境中涂敷工艺形成的理论镀层厚度与实物存在一定的差异性，设大矩形镀层厚度为L1，小矩形镀层厚度为L2，为了达到软波导管的H面与E面弯曲度，镀层厚度为0.015～0.025mm，如果镀层厚度低于10μm，存在折弯后金属层断裂的情况，镀层太厚由于金属会阻碍折弯，达不到H面与E面弯曲度，相关结构图如图3所示；
(4)对镀有导电金属层的PTFE结构外面进行氟橡胶的包络。镀有导电金属层的PTFE结构两端5mm长度进行保护后，进行氟橡胶的包络，可采用手工成型模具的方法，也可以采用3D打印护套的方法等多种方法，实现对镀有导电金属层的PTFE结构进行厚度在3mm以上的物理结构的保护；
(5)镀有导电金属层的PTFE结构两端金属层与波导法兰盘进行连接，PTFE结构两端预留的金属区域涂敷带有银导电介质粘接剂，通过紫外线固化的方式，实现粘接，即得太赫兹软波导管。
通过以上方法获取了成型的软波导管的测试数据，满足参数要求，测试数据如表3所示：
表3软波导管的性能参数
| 性能 | 参数 |
| 工作频率 | 50～500GHz |
| 长度 | 201.6mm |
| 软波导管电压驻波比 | 1.2～1.3 |
| 插入损耗 | 2.0dB/200mm～2.2dB/200mm |
| H面弯曲度 | ≤半径96mm |
| E面弯曲度 | ≤半径48mm |
由于太赫兹软波导管的矩形截面尺寸过于狭小，传统的软波导成型方法无法满足太赫兹软波导的成型，该成型方法适用于狭小腔体的高频次软波导管的成型方法，不局限于矩形截面尺寸与长度尺寸，具有实现太赫兹软波导管产品化的意义。
本发明的有益效果为：
1、由于太赫兹软波导管的矩形截面尺寸过于狭小，传统的软波导成型方法无法满足太赫兹软波导管的成型，该成型方法适用于狭小腔体传输高频次电磁信号的软波导管成型方法，不局限于矩形截面尺寸与长度尺寸。
2、采用低介电常数材质PTFE作为介质传输50～500GHz太赫兹某频段电磁波信号的方法，物理传输引起腔体由原来的空气介质变为PTFE介质，同时采用电磁特性仿真分析方法，可以将获得的理论结构进行调整。
3、成型后的PTFE结构采用复合激光直接成型技术涂敷镀金属层，该技术来源于集成电路与半导体的生产工艺，首次应用在太赫兹软波导管生产中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：矩形软波导管的结构图。
图2：工作频率为50～500GHz、腔体为PTFE作为介质的软波导管理论结构图。
图3：工作频率为50～500GHz、腔体为PTFE作为介质的软波导管镀层剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
本实施例提出一种基于PTFE材料的太赫兹软波导管的成型方法，包括如下步骤：
(1)经过电磁特性仿真分析，获取工作频率为50～500GHz、腔体为PTFE作为介质的软波导管理论结构图；
(2)依照所述的太赫兹软波导管结构，经过分析和调研，采用PTFE棒料为基体，可采用频秒激光切割或者CNC加工，本发明采用了德中技术发展公司的频秒激光加工设备，激光器波长为355nm，功率28W，加工轴X/Y/Z轴分辨率1μm，本设备的重复定位精度为-2μm～+2μm，可保证加工和重复装卡精度，然后采用辅助去毛刺工艺实现结构的初成型，需要注意的是加工方法要避免材质变形；
(3)成型后的PTFE结构采用复合激光直接成型技术涂敷镀金属层，镀层厚度设为L。激光直接成型技术利用计算机按照导电图形的轨迹控制激光的运动，将激光投照到模塑成型的三维塑料器件上，活化出电路图案，把导电金属层镀到成型的PTFE结构上，为了达到软波导管的H面与E面弯曲度，镀层厚度为0.015mm，得镀金属层结构；
(4)对镀有导电金属层的PTFE结构两端5mm长度进行保护后，进行氟橡胶的包络，可采用手工成型模具的方法，也可以采用3D打印护套的方法等多种方法，实现对镀有导电金属层的PTFE结构进行厚度在3mm以上的物理结构的保护，得包络结构；
(5)镀有导电金属层的PTFE结构两端金属层与波导法兰盘进行连接，PTFE结构两端预留的金属区域涂敷带有银导电介质粘接剂，通过紫外线固化的方式，实现粘接，即得太赫兹软波导管。
实施例2
本实施例提出一种基于PTFE材料的太赫兹软波导管的成型方法，包括如下步骤：
(1)经过电磁特性仿真分析，获取工作频率为50～500GHz、腔体为PTFE作为介质的软波导管理论结构图；
(2)依照所述的太赫兹软波导管结构，经过分析和调研，采用PTFE棒料为基体，可采用频秒激光切割或者CNC加工，本发明采用了德中技术发展公司的频秒激光加工设备，激光器波长为355nm，功率32W，加工轴X/Y/Z轴分辨率1.2μm，本设备的重复定位精度为-2μm～+2μm，可保证加工和重复装卡精度，然后采用辅助去毛刺工艺实现结构的初成型，需要注意的是加工方法要避免材质变形；
(3)成型后的PTFE结构采用复合激光直接成型技术涂敷镀金属层，镀层厚度设为L。激光直接成型技术利用计算机按照导电图形的轨迹控制激光的运动，将激光投照到模塑成型的三维塑料器件上，活化出电路图案，把导电金属层镀到成型的PTFE结构上，为了达到软波导管的H面与E面弯曲度，镀层厚度为0.025mm，得镀金属层结构；
(4)对镀有导电金属层的PTFE结构两端5mm长度进行保护后，进行氟橡胶的包络，可采用手工成型模具的方法，也可以采用3D打印护套的方法等多种方法，实现对镀有导电金属层的PTFE结构进行厚度在3mm以上的物理结构的保护，得包络结构；
(5)镀有导电金属层的PTFE结构两端金属层与波导法兰盘进行连接，PTFE结构两端预留的金属区域涂敷带有银导电介质粘接剂，通过紫外线固化的方式，实现粘接，即得太赫兹软波导管。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于PTFE材料的太赫兹软波导管的成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)经过电磁特性仿真分析，获取腔体为PTFE作为介质的太赫兹软波导管结构；
(2)依照所述的太赫兹软波导管结构，采用频秒激光切割或者CNC进行加工，实现结构的初成型；
(3)对已实现初成型的结构采用复合激光直接成型技术涂敷镀金属层，得镀金属层结构；
(4)对镀金属层结构外层进行包络，实现物理保护，得包络结构；
(5)对包络结构两端的金属层与波导法兰盘进行连接，结构两端预留的金属区域涂敷带有银导电介质粘接剂，通过固化，实现粘接，即得太赫兹软波导管。
2.根据权利要求1所述基于PTFE材料的太赫兹软波导管的成型方法，其特征在于，步骤(2)中，采用频秒激光切割或者CNC进行加工之后，再采用辅助去毛刺工艺，实现结构初成型。
3.根据权利要求1所述基于PTFE材料的太赫兹软波导管的成型方法，其特征在于，步骤(2)中，所述频秒激光切割中，激光器波长为355nm，功率为28～32W。
4.根据权利要求1所述基于PTFE材料的太赫兹软波导管的成型方法，其特征在于，步骤(2)中，所述频秒激光切割中，加工轴X/Y/Z轴分辨率为1～1.2μm。
5.根据权利要求1所述基于PTFE材料的太赫兹软波导管的成型方法，其特征在于，步骤(2)中，所述频秒激光切割中，重复定位精度为-2μm～+2μm。
6.根据权利要求1所述基于PTFE材料的太赫兹软波导管的成型方法，其特征在于，步骤(3)中，所述镀金属层厚度为0.015～0.025mm。
7.根据权利要求1所述基于PTFE材料的太赫兹软波导管的成型方法，其特征在于，步骤(4)中，所述包络采用氟橡胶。
8.根据权利要求1所述基于PTFE材料的太赫兹软波导管的成型方法，其特征在于，步骤(5)中，所述固化采用紫外光固化方式。
9.权利要求1～8任一所述成型方法得到的太赫兹软波导管。
10.根据权利要求9所述太赫兹软波导管，其特征在于，所述太赫兹软波导管的工作频率为50～500GHz。
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