一种细长矩形截面传输线成型工艺*

路 波，霍建东

(中国电子科技集团公司第四十一研究所， 山东 青岛 266555)

一种细长矩形截面传输线成型工艺*

路 波，霍建东

(中国电子科技集团公司第四十一研究所， 山东 青岛 266555)

定向耦合器是用来实现信号检测的无源微波组件，插入损耗是其一项重要性能指标，而矩形截面的传输线是低插入损耗同轴宽带定向耦合器的核心零件之一。为了提高该类传输线的表面状态特性，降低插入损耗，根据矩形截面传输线的结构特点，改变了以往采用精密慢走丝线切割加工的传统成型工艺方法，通过高速铣削的引入、工艺装夹方式的改进以及加工参数优化和后处理方式的改进等，实现了超细长矩形截面传输线高速铣削加工成型，在改善零件表面质量的同时，也较大幅度地提高了信号传输性能，取得了满意的效果。

定向耦合器；传输线；慢走丝线切割；高速铣削

引 言

定向耦合器作为具有方向性的功率耦合(分配)元件，在电子设备及测试系统中得到了广泛应用。其主要电性能指标有直通插入损耗、耦合频响、方向性、耦合度以及端口电压驻波比等。定向耦合器的结构形式有小孔耦合、微带线耦合、带状线耦合等[1]。在带状线耦合结构形式的定向耦合器，特别是可工作到微波毫米波频段的宽带定向耦合器中，带状耦合线的成型精度、表面状态对耦合器电性能影响巨大，因此带状耦合线的成型工艺是值得重点研究的内容之一。

定向耦合器中的带状传输线，基于其外形细长、尺寸和形位精度要求高等结构特征，在以往的生产中一直采用慢走丝线切割加工的成型方法，而线切割的成型原理决定所加工的零件表面不可避免地存在颗粒状的凹坑或凸起，对信号的传输具有较大影响。随着信号传输频率的不断提高，在提高传输线的尺寸等精度要求的同时，对成型表面质量也提出了更高的要求，仍采用原有的成型工艺已不能满足高频、高性能指标的要求，因此需要寻找更加适合的成型工艺方法。

1 矩形截面传输线的结构特性

考虑到实现的工艺性，带状线耦合结构形式的定向耦合器一般采用厚带侧耦合带状线结构，如图1所示，其所用矩形截面传输线(耦合线)如图2所示。

图1 厚带侧耦合带状线定向耦合器结构示意图

图2 矩形截面传输线示意图

从图2可看出，矩形截面传输线有以下6个特点：

1)典型的超细长结构；

2)非规则的平面特征结构；

3)成型后的零件强度低，容易产生形变；

4)变矩形截面，尺寸小，难以夹持，成型困难；

5)安装支撑孔径微小，成型困难；

6)在成型过程中，沿长度方向棱边的成型毛刺等多余物去除困难。

综合考虑电性能要求、加工工艺性和表面处理工艺性，一般选用铜合金材料来制作矩形截面的传输线。

2 矩形截面传输线的成型工艺

根据矩形截面传输线的结构特点和使用要求，可以设计出2种工艺方法的成型工艺路线：精密慢走丝线切割成型工艺法和高速低切削应力铣削工艺成型法。这2种工艺方法各有其优缺点，线切割法夹持容易，编程简单，成型过程中基本无内应力产生，但线切割表面状态不理想，需要后续的处理，且效率较低，耗时较长；高速铣削法的铣削表面状态可以非常理想，成型过程中产生的内应力极小，且加工效率较高(达到慢走丝线切割加工效率的6倍以上)，但因零件是形状不规则的细长结构，工艺过程的装夹困难。

2.1 精密慢走丝线切割成型工艺

精密慢走丝线切割成型工艺的工艺路线如下：铜合金板材下料—热处理—加工标称厚度(对应图2，图样为0.9 mm)的、尺寸和形位公差以及表面状态符合要求的板料—热处理—排样—加工穿丝孔(包括微小支撑孔的穿丝孔)—装夹板料—找正位置—线切割成型—去除毛刺—表面处理—电镀。下料和厚度成型后，根据需要增加热处理工序，以去除残余应力，降低形变可能。在此工艺流程中，加工穿丝孔、切割成型、去除毛刺和表面处理存在难度，特别是毛刺去除和表面处理，在零件成型完工后进行，极易产生形变。图3为慢走丝线切割加工排样示意图。

图3 慢走丝线切割加工排样示意图

传输线零件上支撑孔孔径微小，为保证孔的位置精度，避免多次装夹引入误差，最终零件的支撑孔需要与外型在线切割工序一次装夹过程中完成。穿丝孔需要尽可能小，以留给线切割足够的工艺余量来保证孔径和位置精度。

传输线零件细长特点突出，排样方式和线切割的切入点选择比较重要，应尽量降低加工过程中悬臂梁现象的影响。切割参数的选择同样重要，丝线的规格品种、放电电流、进给速度等需要综合优化考虑和选择。在理论上，慢走丝线切割加工可以通过多次微量切割，获得很高的加工表面粗糙度效果。但因传输线零件形状以及夹持的限制，无法实现对传输表面的多次切割，以进一步提高表面粗糙度，同时又受铜合金金属材料“软”特性的限制，因而最终获得的加工面的表面粗糙度并不十分理想。

成型后的零件细长特征显著，截面积微小，其棱边处的毛刺，特别是线切割过程中迸溅附着的细微颗粒，采用传统机械方法很难去除。另外，线切割加工面不理想的表面状态，直接影响定向耦合器的直通插损等电性能，需要进行表面改良处理。针对矩形截面传输线的结构特点和用途，采取化学的或电化学抛光光饰工艺来进行表面改良处理，均可获得明显的表面状态改善效果。进一步的试验表明，经表面改良处理后的矩形传输线的插入损耗改善效果明显。虽然精密慢走丝线切割的加工表面可以达到Ra0.8以上的程度，但其微观特性仍然不利于高频信号的传输，经过表面改良后，则接近切削加工表面的性能。表面改良前后状态如图4和图5所示。

图4 慢走丝线切割加工面表面状态图(放大80倍)

图5 表面光饰处理后的状态图(放大80倍)

2.2 高速铣削成型工艺

随着高速铣削技术的发展，矩形截面传输线采用铣削加工成为可能。对于铜合金、铝合金类 “软”有色金属材料，采用刀具切削加工，其表面状态较电火花加工有一定优势，特别是采用高速铣削加工，容易获得比较理想的表面状态[2]。但在刀具加工的加工过程中不可避免地存在切削力和切削热，容易引起机械应力变形或热应力变形，尤其对于矩形截面传输线这种细长结构特征突出、成型后强度低的零件，是必须予以考虑的。对于矩形截面传输线来说，采用铣削加工的另外一个工艺难点是坯料的夹持问题，需要充分考虑好落料方式，以保证成型零件的加工质量。

高速铣削成型工艺的工艺路线如下：铜合金板材下料—热处理—加工标称厚度(对应图2，图样为0.9 mm)的、尺寸和形位公差以及表面状态符合要求的板料—热处理—排样—装夹—加工微小支撑孔—铣削成型—去除毛刺—去除装夹—电镀。下料及厚度方向加工后根据需要增加热处理工序，以去除残余应力，降低形变可能。在此工艺流程中，装夹和铣削成型存在难度。

规划和设计装夹方式是非常关键的一步，必须充分考虑好落料对成型零件的影响。成型零件尺寸微小，无法采用真空吸盘的方式进行板坯料装夹，铜合金材料也无法采用磁力吸盘装夹。因为高速铣削的切削力可以控制得很小，所以可以考虑采用胶接工艺将板坯料粘接到一块工装板上，再按常规装夹到工作台上进行加工，如图6所示。胶的选择以及胶接工艺比较重要，既要保证加工过程中不会出现板坯料松动或位移，又要方便铣削完成后成型件的脱离。

图6 板坯料胶接装夹及铣削示意图

由于受成型零件结构特征以及装夹力的限制，因而对铣削参数的选取和控制要求非常苛刻，必须保证产生的切削力极小。在高速切削时，刀尖的温度通常会达到900 ℃，若刀具选择不当，刀具磨损就会很严重，因此选择适宜的刀具是必须的。下刀位置和方式、进给方向和铣削方向、进给速度和铣削速度等都会影响加工精度和加工表面的表面状态[3]。经过多次试验，主轴转速不低于30 000 r/min，采用小进刀多次侧刃铣削方式，最终可获得理想的矩形截面传输线零件，尺寸及形位精度、表面状态都比较理想，棱边清晰、均匀，且刀痕纹理方与信号传输方向相同。经过对高速铣削试验件的测量，零件侧表面粗糙度能达到Ra0.8以上，如图7所示。零件成型后非装夹面的毛刺，可在装夹撤销前方便去除，同时由于高速铣削的高速进给、微进刀的特点，装夹面的毛刺极微小，甚至可以不用处理，在电镀过程的前处理工序过程中即可被除去。

图7 高速铣削加工面示意图(放大100倍)

3 工艺效果

采用精密慢走丝线切割成型工艺和高速铣削成型工艺，均能获得比较理想的矩形截面传输线零件，但总体来说，采用高速铣削成型工艺可以获得更为理想的加工表面状态，更有利于电性能的提高。

实验表明，若不进行适宜的后表面处理工艺，改良线切割加工表面状态，将对定向耦合器的插入损耗等产生明显的影响。测试结果证明，在频率为40 GHz时，采用高速铣削成型工艺的矩形截面传输线，与采用线切割成型工艺但未经表面光饰处理的矩形截面传输线相比，其插入损耗在频率高段处可以降低约0.5 dB，插损改善25% ，效果相当明显，如图8 所示。而采取适宜的表面改良处理后，二者的差值可以明显缩小，甚至相当，这说明表面粗糙度的影响相当明显。但光饰表面处理极易影响成型零件的形状和尺寸精度,控制难度大，操作上存在较大困难。

图8 高速铣削内导体定向耦合器插入损耗测试结果

4 结束语

对于定向耦合器等无源微波组件，成型零件精度和表面状态质量很大程度上决定了组件的性能指标，因此，在充分了解各零件的用途和使用状态的基础上，根据零件的特点以及所具备的工艺能力，分析和确定工艺难点、合理规划工艺路线是非常重要的。矩形截面传输线只是其中的一个典型示例，如何采取更高效的成型工艺方法和工艺路线，以更加经济的方式获得理想的最终零件，是需要不断深入开展的工艺研究课题之一。

[1] 廖承恩. 微波技术基础[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1982.

[2] 陈日曜. 金属切削原理[M]. 北京：机械工业出版社, 1993.

[3] 李华. 机械制造技术[M]. 北京：机械工业出版社, 1997.

路 波 (1971-)，男，高级工程师, 主要从事电子测量仪器结构工艺工作。

Machining Process of Long-thin Rectangular Section Transmission Line

LU Bo，HUO Jian-dong

(The41stResearchInstituteofCETC，Qingdao266555,China)

The directional coupler is a passive microwave component applied to detecting signals. And the insertion loss is the key parameter of directional coupler. The rectangular section transmission line is one of the critical components in low insertion loss coaxial broadband directional coupler. In order to increase surface properties and reduce insertion loss, a high-speed milling method based on structural features of transmission line in machining supper long-thin rectangular section transmission line is demonstrated in this paper. This new machining method is better than traditional fine low-speed wire-cutting method in signal transmission quality and surface quality through improving clamping technique, machining parameters and post-treatment process.

directional coupler； transmission line； low-speed wire-cutting; high-speed milling

2012-10-29

TN811+.2

A

1008-5300(2013)02-0055-03