CN112670692B - 一种整体不可扭型太赫兹软波导结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种整体不可扭型太赫兹软波导结构及其制备方法，属于软波导加工技术领域。本发明提供的太赫兹软波导结构其核心部件金属管具有螺旋梯形凹槽，使得软波导具有良好的电气性能和弯曲性，对太赫兹电磁波能够进行有效的传输。本发明采用具有同心结构的金属作为牺牲模，通过机械加工过程获得软波导所需基础结构模板，并提出了缠绕金属丝防止压型过程中基础螺旋形结构的变形，去除金属丝后沉积功能层和防腐层，最后溶解牺牲芯模来制作软波导，降低了器件的加工难度；整体成型方法操作简单，成本低，易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于软波导加工技术领域，具体涉及一种整体不可扭型太赫兹软波导结构及其制备方法。
背景技术
太赫兹波通常是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波，因其低频区与毫米波相连，高频区与红外波相连，使得太赫兹波同时兼有微波和红外的优点，在光谱技术、成像技术与传感器领域以及高速通信等领域有着巨大的应用前景。但太赫兹波在空间中无线传输损耗较大，无法进行远距离传输，因此通常使用波导进行传输。开发低损耗、实用性的太赫兹波导结构成为太赫兹传输领域的重要研究方向。
软波导是具有波纹结构的波导，相较于硬波导结构，它具有优异的柔软性，即使在弯曲、扭曲的状态下仍能保持良好的电气性能。目前现有的加工方法制备的软波导结构的工作频率可以达到60GHz，被广泛地用于各类雷达中。但现有结构在太赫兹频段应用非常困难，因为太赫兹电磁波的频率更高，要求器件的尺寸较小，对加工精度提出了更高的要求，这一定程度上限制了太赫兹波技术的发展。
因此，如何实现通过一种新的工艺使得制备得到的软波导能够在太赫兹频段的传输就成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种整体不可扭型太赫兹软波导结构及其制备方法。本发明的软波导结构独特设计了具有螺旋形凹槽结构的软波导金属管，使得其在太赫兹频段仍具有良好的传输性能，并且制备工艺简便，易于工业化生产。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种整体不可扭型太赫兹软波导结构，包括具有空心结构的金属管、法兰组件和保护层，所述金属管两端分别与法兰组件连接，金属管的外侧设置保护层，其特征在于，所述金属管内外均为螺纹状凹槽，外管壁的凹槽截面为形状为三角形，内管壁的凹槽截面为形状为梯形，金属管轴向投影为跑道型，金属管包括功能层和防腐蚀层。
进一步地，所述凹槽结构的宽度、深度和间距均小于0.1λ，宽度深度和间距越小柔软性也好，但是电气性能表现就会较差，其中，λ为传输电磁波的波长。
进一步地，所述功能层材料为铜，厚度为10μm～100μm；所述防腐蚀层材料为金或者银，厚度为趋肤深度，其目的是用于降低插入损耗，提高传输效率。
进一步地，所述保护层从内至外依次为泡沫保护层、金属铠装保护层和橡胶保护层。
进一步地，所述法兰组件包括法兰盘、离心棒和匹配环，所述法兰盘上设置插孔，金属管两端采用焊接方式与插孔内部连接。
一种整体不可扭型太赫兹软波导结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.选取空心圆柱体作为牺牲金属芯，通过机械加工的方式在牺牲金属芯表面形成螺旋形凹槽结构；
步骤2.沿步骤1制备的螺旋形凹槽结构缠绕金属丝，得到螺纹被保护状态的牺牲金属芯模；
步骤3.通过机械加工的方式将步骤2得到的牺牲金属芯模进行压型，然后去除缠绕金属丝；
步骤4.在步骤3去除金属丝后的牺牲金属芯表面依次沉积功能层、防腐蚀层；
步骤5.采用腐蚀法溶解牺牲金属芯，得到空心结构的金属管；
步骤6.将步骤5制备的空心结构金属管的两端分别与法兰组件焊接，然后在金属管外侧制备保护层，即可得到所需太赫兹软波导结构。
进一步地，步骤1所述牺牲金属芯的材料为易腐蚀金属，优选为铝或者铝合金。
进一步地，步骤1所述空心圆柱体其横截面大小等于所需成型的软波导横截面积，其外圆半径由最终成型的软波导结构的螺纹深度确定。
进一步地，步骤3中所述机械加工压型的程度根据实际所需软波导的横截面积确定。
进一步地，步骤4中沉积功能层后可以先进行精细加工，优选为电化学加工，使软波导的尺寸更加精准，再沉积防腐蚀层。
进一步地，步骤5中采用腐蚀法溶解牺牲金属芯模的具体过程为：从牺牲金属芯模的空心空灌注化学试剂，使牺牲金属芯模快速溶解。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明提供了一种整体不可扭型太赫兹软波导结构，该结构的核心部件金属管具有螺旋梯形凹槽，使得软波导具有良好的电气性能和弯曲性，对太赫兹电磁波能够进行有效的传输。
2.本发明提供的制备软波导结构的方法，通过在牺牲芯模表面制备凹槽结构然后电镀铜层再溶解牺牲芯模来制作软波导，降低了器件的加工难度；采用具有同心结构的金属作为牺牲模，通过机械加工过程获得软波导所需基础结构模板，并提出了缠绕金属丝防止压型过程中基础螺旋形结构的变形，整体成型方法操作简单，成本低，易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明太赫兹软波导的整体结构示意图。
图2为本发明牺牲金属芯模压型后的结构示意图。
图3为本发明太赫兹软波导的结构示意图，
其中，(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为左视图，(d)为剖面图。
图4为本发明金属铠装保护层的整体结构示意图。
图5为本发明法兰盘的结构示意图，
其中，(a)为左视图，(b)为右视图。
图中所示：1为第一法兰，2为护套保护层，3为第二法兰盘，4为牺牲芯模，5为铜层，6为镀金层，11为匹配环，12为离心棒，13为插孔，41为螺旋凹槽，42为空心通孔。
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，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种整体不可扭型太赫兹软波导结构，其整体结构如图1所示，包括具有空心结构的软波导金属管，主体为铜层5(功能层)；铜层表面还有一层镀金层6(防腐蚀层)，用于降低插入损耗，所述金属管内外均为螺纹状凹槽，外管壁的凹槽截面形状为三角形，内管壁的凹槽截面形状为梯形，金属管轴向投影为跑道型。软波导金属外侧有三层保护层，从内到外依次为第一保护层泡沫保护层、第二保护层金属铠装保护层(图4)和第三保护层橡胶护套保护层2，软波导金属管两侧分别与两个法兰组件(1、3)相连接，法兰组件包括匹配环11和离心棒12结构。
图2为本发明牺牲金属芯模压型后的结构示意图。本发明选取空心圆柱体作为牺牲金属芯，通过机械加工的方式在牺牲金属芯表面形成螺纹状凹槽结构41得到牺牲金属芯模4，其中，空心圆柱体的空心通孔为42。图3为本发明太赫兹软波导的结构示意图，剖面图(d)中，在牺牲金属芯模4的表面沉积镀铜层5，该层即为软波导的空心金属管；然后在镀铜层表面沉积镀金层6。图4为本发明金属铠装保护层的整体结构示意图，金属铠装层与镀铜层5之间填充有泡沫保护层。图5为本发明法兰盘的结构示意图，其中，(a)为左视图，左端面为法兰盘为标准件接口，(b)为右视图，右端面为软波导接口，从左到右使用阶梯结构进行过渡。所述金属管的左端与第一法兰1的插孔13焊接连接，所述金属管的右端与第二法兰3的插孔13焊接连接，第一法兰盘1和第二法兰盘3均设有匹配环11和离心棒12。
一种整体不可扭型太赫兹软波导结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.选取空心圆柱体作为牺牲金属芯，通过机械加工的方式在牺牲金属芯表面形成螺旋形凹槽结构；
步骤2.沿步骤1制备的螺旋形凹槽结构缠绕金属丝，得到螺纹被保护状态的牺牲金属芯模；
步骤3.通过机械加工的方式将步骤2得到的牺牲金属芯模进行压模，然后去除缠绕金属丝；
步骤4.在步骤3去除金属丝后的牺牲金属芯表面依次沉积功能层、防腐蚀层；
步骤5.采用腐蚀法溶解牺牲金属芯，得到空心结构的金属管；
步骤6.将步骤5制备的空心结构金属管的两端分别与法兰组件焊接，然后在金属管外侧制备保护层，即可得到所述太赫兹软波导结构。
实施例1
本实施例以0.1THz软波导为例，具体说明加工方式。
一种整体不可扭型太赫兹软波导结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.选取空心圆柱体铝合金作为牺牲金属芯，其外圆半径为1.2mm，内圆半径为0.5mm，然后通过机械加工的方式在牺牲金属芯表面形成M2.5的标准螺旋形凹槽结构；
步骤2.沿步骤1制备的螺旋形凹槽结构缠绕直径为0.2mm的金属镍丝，得到螺纹被保护状态的牺牲金属芯模；
步骤3.通过机械加工的方式将步骤2得到的牺牲金属芯模进行压模，然后去除缠绕金属丝，得到轴向投影为跑道型的牺牲金属芯，其横截面为2.54*1.27mm2；
步骤4.在步骤3去除金属丝后的牺牲金属芯表面依次沉积厚度为300μm的功能铜层，5μm的防腐蚀Ag层；
步骤5.利用碱性化学试剂NaOH溶液溶解牺牲金属芯，得到空心结构的金属管；特别地，使用NaOH溶液从牺牲金属芯模的一端通过空心长孔至另一端循环流动，使芯模充分快速溶解；
步骤6.将步骤5制备的空心结构金属管的两端采用银焊的方式分别与两个法兰组件焊接；
步骤7.通过机械加工的方式制备金属铠装层，将空心金属管与金属铠装层组合，并在两者中间填充泡沫层，然后通过模压工艺在金属铠装层外成型硅橡胶保护套，即可得到所需的太赫兹软波导结构。
对本实施例制备的软波导进行加工测试，其电气性能指标满足电压驻波比VSWR≤1.30，插入损耗IL≤1.90dB/200mm，具有良好的电气性能。
本发明技术方案设计了软波导的新型结构，并改进了成型工艺，主要克服了太赫兹整体型软波导结构成型难的问题,简化了软波导的生产工艺，节约了软波导生产成本，并且通过本发明工艺制作的软波导的稳定可靠。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (5)
1.一种整体不可扭型太赫兹软波导结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.选取空心圆柱体作为牺牲金属芯模，通过机械加工的方式在牺牲金属芯表面形成螺旋形凹槽结构；
步骤2.沿步骤1制备的螺旋形凹槽结构缠绕金属丝，得到螺纹被保护状态的牺牲金属芯模；
步骤3.通过机械加工的方式将步骤2得到的牺牲金属芯模进行压型，然后去除缠绕金属丝；
步骤4.在步骤3去除金属丝后的牺牲金属芯表面依次沉积功能层、防腐蚀层；
步骤5.采用腐蚀法溶解牺牲金属芯模，得到空心结构的金属管；
步骤6.将步骤5制备的空心结构金属管的两端分别与法兰组件焊接，然后在金属管外侧制备保护层，即可得到所需太赫兹软波导结构。
2.如权利要求1所述整体不可扭型太赫兹软波导结构的制备方法，其特征在于，步骤1所述牺牲金属芯的材料为易腐蚀金属；所述空心同心圆柱体的外圆半径由最终成型的软波导结构的螺纹深度确定。
3.如权利要求1所述整体不可扭型太赫兹软波导结构的制备方法，其特征在于，步骤3中所述机械加工压型的程度根据实际所需软波导的横截面积确定。
4.如权利要求1所述整体不可扭型太赫兹软波导结构的制备方法，其特征在于，步骤4中沉积功能层后可以先进行精细加工，再沉积防腐蚀层。
5.如权利要求1所述整体不可扭型太赫兹软波导结构的制备方法，其特征在于，步骤5中采用腐蚀法溶解牺牲金属芯模的具体过程为：从牺牲金属芯模的空心空灌注化学试剂，使牺牲金属芯模快速溶解。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20220125 |