一種激光刻蝕制作圓柱形介質(zhì)天線的方法

周 洋，王德苗，金 浩，鄭小嬋

（浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，杭州310027）

一種激光刻蝕制作圓柱形介質(zhì)天線的方法

周 洋，王德苗*，金 浩，鄭小嬋

（浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，杭州310027）

圓柱形介質(zhì)加載四臂螺旋天線因?qū)挷ㄊ?、圓極化、體積小等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是微小衛(wèi)星天線的理想方案。為了解決介質(zhì)加載四臂螺旋天線制作的難點(diǎn)，提出了一種全新的磁控濺射金屬化加激光刻蝕的新工藝，采用計(jì)算機(jī)數(shù)控結(jié)合激光刻蝕的柔性加工技術(shù)，制作出3維立體的四臂螺旋結(jié)構(gòu)，制備了應(yīng)用于微小衛(wèi)星系統(tǒng)的介質(zhì)加載四臂螺旋天線，相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，大大提高了加工精度，并縮短了加工周期。結(jié)果表明，天線的電氣性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且具有良好的機(jī)械性能。該研究為以后此類(lèi)曲面共形天線的制作提供了參考。

激光技術(shù)；介質(zhì)天線；柔性加工；四臂螺旋；磁控濺射

引 言

四臂螺旋天線最早由KILGUS在1968年提出［1］，后因其寬波束、圓極化的特性被廣泛應(yīng)用于空間通訊中［2］。2001年，LEISTEN提出了介質(zhì)加載四臂螺旋天線［3］，實(shí)現(xiàn)了四臂螺旋天線的小型化，也為后面應(yīng)用于微小衛(wèi)星打下了基礎(chǔ)。相對(duì)于傳統(tǒng)的平面天線，介質(zhì)加載的四臂螺旋天線因其3維曲面結(jié)構(gòu)在制作上存在諸多難點(diǎn)。目前，對(duì)于此類(lèi)曲面共形天線的加工主要利用掩膜的方法。LEISTEN采用在介質(zhì)表面電鍍銅，然后涂覆光刻膠，再借助立體掩模套并紫外曝光的方法制備介質(zhì)加載四臂螺旋天線［4］，但是這種工藝存在諸多的不足：首先，電鍍的銅膜與介質(zhì)基底的結(jié)合力較差，在長(zhǎng)期使用尤其是高溫環(huán)境下銅膜極易脫落，不適應(yīng)微小衛(wèi)星惡劣的空間環(huán)境；其次，立體掩膜套加工不易，尺寸誤差較大，導(dǎo)致天線圓柱體表面加工成型的4條螺旋臂精度不高，從而使實(shí)際性能與設(shè)計(jì)指標(biāo)偏差較大，往往需要后期校調(diào)；再次，電鍍工藝對(duì)環(huán)境污染較大，也不是一個(gè)理想的金屬化（介質(zhì)表面形成金屬膜）方法。此外，WU等人提出了一種柔性微帶法［5］，通過(guò)光刻在柔性基底上腐蝕出天線的圖案，再將圖案卷繞在介質(zhì)上形成四臂螺旋天線，這種方法成本相對(duì)于掩膜法較低，工序也相對(duì)減少。但是同樣，這種工藝也存在工序復(fù)雜，加工精度難以掌握，且不適于微小衛(wèi)星惡劣的空間環(huán)境等缺點(diǎn)。

近幾年，隨著激光器質(zhì)量的提高，以及微機(jī)數(shù)控的完善，激光刻蝕技術(shù)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于各種天線加工［6］。因此，針對(duì)微小衛(wèi)星應(yīng)用，作者提出了一種全新的磁控濺射金屬化加激光刻蝕的新工藝，該工藝采用綠色環(huán)保且成膜質(zhì)量高的磁控濺射技術(shù)對(duì)介質(zhì)表面進(jìn)行金屬化，再利用計(jì)算機(jī)數(shù)控結(jié)合激光刻蝕的柔性加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)3維立體四臂螺旋結(jié)構(gòu)的制作，解決了印刷四臂螺旋天線加工難的問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)備

激光刻蝕主要是通過(guò)短脈沖、高峰值功率的激光束作用于材料表面，使得材料在吸收了激光能量后溫度升高，發(fā)生熔化乃至汽化，達(dá)到材料的精確去除。激光是以非機(jī)械式的“刀具”進(jìn)行加工，對(duì)材料不產(chǎn)生機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力，而且由于脈沖時(shí)間短，熱作用只限于激光光斑區(qū)域［7］，對(duì)材料附近不產(chǎn)生熱變形等影響，無(wú)“刀具”磨損、無(wú)毒、無(wú)環(huán)境污染，選擇合適的激光源和激光功率大小可以對(duì)絕大多數(shù)的金屬或非金屬材料進(jìn)行加工［8］。

介質(zhì)基體上高質(zhì)量的金屬薄膜對(duì)天線的電氣性能有著重大影響，薄膜的均勻度和厚度都會(huì)對(duì)后面的激光刻蝕造成影響，因此作者采用工藝環(huán)保、成膜質(zhì)量高、且膜厚精確可控的磁控濺射技術(shù)對(duì)陶瓷基體進(jìn)行鍍銅。磁控濺射主要是利用真空中高能粒子在電場(chǎng)作用下轟擊靶材表面，使靶材粒子發(fā)生濺射，從而使濺射粒子沉積在工件上。磁控濺射可通過(guò)不同靶材來(lái)沉積不同材料，所得的膜層細(xì)膩、均勻、結(jié)合力好［9］。

介質(zhì)加載四臂螺旋天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的主體為一個(gè)圓柱形基體，布上4條螺旋金屬線作為輻射體［10］，利用同軸線通過(guò)圓柱體軸心在頂部饋電，底部為一個(gè)巴倫。考慮到圓柱體側(cè)面是一個(gè)曲面，如果通過(guò)單一控制激光束來(lái)刻蝕形成螺旋圖形有一定的難度，所以采用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，將圓柱體基體置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)軟件系統(tǒng)控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)配合激光束沿圓柱體軸向線性掃描，利用兩者的合運(yùn)動(dòng)形成螺旋線圖案。其加工示意圖如圖2所示。

Fig.1 Dielectric-loaded quadrifilar helix antenna

Fig.2 Laser etching process

實(shí)驗(yàn)中用的激光器為深圳大族激光生產(chǎn)的EP-12A半導(dǎo)體抽運(yùn)激光器，激光波長(zhǎng)為1064nm，激光模式為T(mén)EM00模，激光脈寬為納秒級(jí)。它可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)控制器發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)x軸、y軸振鏡來(lái)控制激光束的掃描方向，同時(shí)利用旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)工件，兩者配合就能將平面圖形刻蝕在圓柱體上。其整體示意圖如圖3所示，只需在計(jì)算機(jī)CAD控制界面上繪制出圓柱曲面的平面展開(kāi)圖，系統(tǒng)就能按照所繪的圖形在圓柱體上進(jìn)行刻蝕。激光掃描速率最高可達(dá)7000mm／s，最小掃描線寬為0.01mm，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)矢量圖形提取掃描路徑，可以制作出精細(xì)的圖案，利用這種動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的掃描方式，可使圖形在圓弧面上線條順滑、無(wú)斷點(diǎn)、無(wú)拼接，所得圖形精度可達(dá)0.01mm，達(dá)到常規(guī)工藝所不能達(dá)到的效果。

Fig.3 Experiment system formaking antenna

用于陶瓷基體金屬化的磁控濺射系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室自制的多靶磁控濺射儀。天線S參量的測(cè)量采用Agilent5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，方向圖的測(cè)量在浙江大學(xué)應(yīng)用電磁波實(shí)驗(yàn)室的微波暗室中進(jìn)行，仿真設(shè)計(jì)采用CSTMicrowave STUDIO軟件，天線金屬化銅膜與陶瓷基體的結(jié)合力強(qiáng)度采用福州艾普儀器有限公司生產(chǎn)的K-50H型拉力計(jì)測(cè)得。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 介質(zhì)金屬化

為保證磁控濺射鍍膜的質(zhì)量，先對(duì)陶瓷基體進(jìn)行超聲清洗，確保所鍍的銅膜具有良好的結(jié)合力。

本實(shí)驗(yàn)中的主要條件為本底氣壓5×10－3Pa，濺射氣壓5×10－1Pa，濺射電流1A，濺射時(shí)間2h，靶材為工業(yè)純銅。同時(shí)為保證圓柱基體上銅膜均勻沉積，在濺射過(guò)程中利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)基體勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 激光刻蝕

對(duì)于完成鍍銅的陶瓷基體，必須去除多余的銅層，形成四臂螺旋的結(jié)構(gòu)，這里主要有兩種方式。

第1種方法利用激光器按上述方法直接對(duì)銅層進(jìn)行刻蝕［11］，因?yàn)殂~的融限比較低，因此激光束對(duì)銅膜能直接消除，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工序簡(jiǎn)單，一次加工就能成形，缺點(diǎn)是需要準(zhǔn)確控制激光的功率，功率過(guò)小，銅膜就會(huì)殘留，過(guò)率過(guò)大，激光就會(huì)損傷陶瓷基體，無(wú)論何種結(jié)果都會(huì)對(duì)天線性能造成一定影響，因此實(shí)施的時(shí)候需要多次試驗(yàn)來(lái)確定合適的激光功率。

第2種方法對(duì)第1種方法進(jìn)行了改進(jìn)，先對(duì)鍍銅基體進(jìn)行表面噴漆處理，利用油漆覆蓋銅膜，然后用激光器根據(jù)設(shè)定的圖形對(duì)油漆進(jìn)行刻蝕，將最后要去除的銅膜暴露出來(lái)，接著通過(guò)濕法腐蝕將暴露出來(lái)的銅膜腐蝕掉，而天線圖形部分的銅膜由于受到油漆的保護(hù)得到保留，最后用丙酮去除油漆，完成天線主體的制作。由于油漆的融限更低，因此激光器對(duì)其刻蝕更容易，而且因?yàn)榈紫麓嬖谝粚鱼~膜，所以不會(huì)因激光功率過(guò)大而損傷陶瓷，最后的濕法腐蝕也保證了銅膜能去除地更干凈。因激光刻蝕的精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)掩膜套的機(jī)械加工精度，因此本方法獲得的天線的螺旋臂具有良好的線條精度。

完整的工藝流程如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

Fig.5 Finished antenna

通過(guò)磁控濺射鍍膜加激光刻蝕得到的天線如圖5所示。本天線圓柱體高度17.8mm，直徑為10mm，金屬螺旋線寬僅為1.5mm，天線圖形邊緣整齊、尺寸精確，對(duì)于這種微小尺寸的介質(zhì)天線而言，傳統(tǒng)的掩膜法無(wú)法制作精度很高的立體掩膜來(lái)符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，本工藝對(duì)于天線圖形一次成型，與柔性微帶法相比，不存在拼接錯(cuò)位和螺旋線定位不精確的不足，也省去了后期卷繞，粘接成形等一系列步驟。針對(duì)電鍍天線存在金屬層易脫落的現(xiàn)象，采用點(diǎn)焊的方式并用拉力計(jì)對(duì)天線金屬層與陶瓷基體的結(jié)合力進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)合力達(dá)到了31.4N／mm2，表現(xiàn)出良好的機(jī)械特性，滿(mǎn)足天線在惡劣環(huán)境下工作的條件。最后，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與微波暗室對(duì)天線的電氣性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖6所示，天線諧振在2.03GHz，且具有較寬的波束，考慮到加工和測(cè)試過(guò)程中的誤差，與仿真結(jié)果基本相符，微小衛(wèi)星天線要求工作頻率在2GHz，波束寬度大于120°，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，本天線在誤差范圍內(nèi)符合設(shè)計(jì)要求。

Fig.6 a—S11curve of the antenna b—normalized radiation pattern

4 結(jié) 論

通過(guò)磁控濺射加激光刻蝕的方法制作了介質(zhì)加載四臂螺旋天線，相比傳統(tǒng)的方法，大大簡(jiǎn)化了工藝，提高了加工精度，為大規(guī)模生產(chǎn)提供了可能，所制作的天線符合微小衛(wèi)星系統(tǒng)的電氣性能要求，且具有良好的機(jī)械特性。同時(shí)，這種計(jì)算機(jī)數(shù)控與激光刻蝕相結(jié)合的系統(tǒng)也可以推廣到制作其它圓柱體曲面共形天線的應(yīng)用中。

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Fabrication method of cylindrical dielectric-loaded antenna by means of laser etching

ZHOU Yang，WANG Demiao，JIN Hao，ZHENG Xiaochan
（Department of Information Science＆Electronic Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Cylindrical dielectric-loaded quadrifilar helix antenna is an ideal choice for small satellite antenna owing to its advantages ofwide beam，circular polarization and small volume.In order to solve the difficulty of themanufacture of dielectric-loaded quadrifilar helix antenna，a novel manufacture method combing magnetron sputtering metallization and laser etching was introduced.Computer control system with laser etching technology was used to produce three-dimensional quadrifilar helix structure，which is suitable for small satellite systems.The novel process can greatly improve the machining accuracy and shorten the processing cycle compared with traditional process.The results show that the manufactured antenna has good electrical performance，whichmeets the design requirements of a small satellite system，as well as good mechanical properties.It offers amethod ofmanufacture of the cylindrical conformal antenna.

laser technique；dielectric-load antenna；flexiblemanufacture；quadrifilar helix；magnetron sputtering

TN249

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.001

1001-3806（2014）03-0289-04

浙江省教育廳科研資助項(xiàng)目（Y200805433）

周 洋（1986-），男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事微小衛(wèi)星天線的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：iseewdm＠zju.edu.cn

2013-07-10；

2013-08-30