簡(jiǎn)析E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管的成形

文/彭威·廣州市吉峰金屬塑膠制品有限公司

導(dǎo) 語(yǔ)

波導(dǎo)管是雷達(dá)系統(tǒng)中的重要組成部分。在5G技術(shù)迅速發(fā)展下，尤其從微波到毫米波再到6G的太赫茲頻段，E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管都將面臨精度越來(lái)越高的要求。本文將簡(jiǎn)述E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管的成形工藝，對(duì)精密折彎?rùn)C(jī)、彎管機(jī)提出新要求，起個(gè)拋磚引玉的作用。

在雷達(dá)的饋電網(wǎng)絡(luò)中，有大量的彎波導(dǎo)，彎波導(dǎo)的加工質(zhì)量，直接影響雷達(dá)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。傳統(tǒng)的彎波導(dǎo)、扭擰波導(dǎo)、過(guò)渡波導(dǎo)加工方法主要有：刻紋加工法、剛性芯棒法、柔性芯棒法、內(nèi)部填充法等。以上加工方法普遍存在加工效率低、成品率低、波導(dǎo)管彎曲處斷面控制精度差、芯棒裝卸困難、彎曲裝置或機(jī)構(gòu)通用性差等弊端。因此，迫切需要對(duì)系列彎波導(dǎo)的折彎工藝及制造技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)制造專用的波導(dǎo)折彎設(shè)備，以滿足彎波導(dǎo)的批生產(chǎn)需要。

采用直接彎制的彎波導(dǎo)代替彎頭焊接件，可大大簡(jiǎn)化加工過(guò)程，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的可靠性。因此，研究系列波導(dǎo)管的成形與加工技術(shù)，開(kāi)發(fā)專用的波導(dǎo)管自動(dòng)彎曲設(shè)備，對(duì)彎波導(dǎo)的生產(chǎn)將具有重要意義和價(jià)值。

E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管

波導(dǎo)管彎曲成形加工要求

波導(dǎo)管是雷達(dá)系統(tǒng)、北斗衛(wèi)星和地面接收站、5G基站、6G基站、軌道交通信號(hào)傳輸系統(tǒng)的核心組成部分，為了波導(dǎo)管產(chǎn)品能正常工作，對(duì)波導(dǎo)管產(chǎn)品內(nèi)腔的精度要求極高，所以彎波導(dǎo)的加工質(zhì)量，直接影響信號(hào)傳輸系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

波導(dǎo)管在彎曲加工時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生橫截面形狀的改變，而且壁厚也會(huì)發(fā)生變化。管材彎曲時(shí)，其內(nèi)側(cè)面受壓導(dǎo)致厚度增加，寬度增大；外側(cè)面受拉導(dǎo)致壁厚減薄，側(cè)面寬度減少。因此，波導(dǎo)管彎曲成形加工設(shè)備在加工過(guò)程中必須對(duì)截面畸變進(jìn)行嚴(yán)格控制，減小內(nèi)腔尺寸的變形量。

矩形E面折彎波導(dǎo)管

矩形E面（Elevation）折彎波導(dǎo)管從管壁尺寸方向定義，即與窄壁垂直的彎曲面是E面折彎；按電性能角度定義通常E面（窄面）是指與電場(chǎng)方向平行的方向圖切面（窄面）如圖1所示。

矩形H面折彎波導(dǎo)管

矩形H面（Horizontal）折彎波導(dǎo)管從管壁尺寸方向定義，即與寬壁垂直的彎曲面是H面；按電性能角度定義通常H面（寬面）是指與磁場(chǎng)方向平行的方向圖切面（寬面），如圖2所示。

E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管

如圖3所示，E面折彎波導(dǎo)管和H面折彎波導(dǎo)生產(chǎn)成本和加工難度相對(duì)較低一些，通?？梢越M合使用于饋電系統(tǒng)中。但因?yàn)樵黾臃ㄌm連接數(shù)量會(huì)影響波導(dǎo)管電性能指標(biāo)，同時(shí)還增加了法蘭精密加工和焊接的生產(chǎn)成本。因此，E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管的需求應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生，特別是在5G和6G大規(guī)模使用中電性能要求和成本控制將越來(lái)越被重視，因此多彎成形波導(dǎo)管生產(chǎn)越來(lái)越受到業(yè)界的青睞。

已制造成形的彎波導(dǎo)管產(chǎn)品，雖然在外觀上符合設(shè)計(jì)的要求，但并不代表其就屬于合格產(chǎn)品。因?yàn)樵摦a(chǎn)品不僅需要機(jī)械性能的檢測(cè)，還需要使用網(wǎng)絡(luò)分析儀等相關(guān)儀器檢測(cè)產(chǎn)品的電磁性能。所以，將該產(chǎn)品放至網(wǎng)絡(luò)分析儀等相關(guān)儀器來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品的電磁性能。網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)此產(chǎn)品進(jìn)行性能檢測(cè)情況與結(jié)果如圖4所示。

由圖可知，該波導(dǎo)管產(chǎn)品的頻率范圍是8.2GHz～12.4GHz，且駐波比VSWR小于1.1525，小于設(shè)計(jì)值VSWR≤1.2的要求。由此說(shuō)明該產(chǎn)品的電磁性能是比較接近理想狀態(tài)下的數(shù)值，也說(shuō)明了符合電性能指標(biāo)要求。

E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管設(shè)計(jì)

彎波導(dǎo)管仿真設(shè)計(jì)

硬波導(dǎo)管在雷達(dá)饋電系統(tǒng)中的線路是固定的，因此要設(shè)計(jì)多個(gè)彎曲的空間波導(dǎo)管需要進(jìn)行電磁仿真保證彎波導(dǎo)的電性能參數(shù)的同時(shí)，盡可能優(yōu)化彎波導(dǎo)管的機(jī)械加工性能，做到容易加工，加工后的產(chǎn)品接近設(shè)計(jì)理論值，從而降低彎波導(dǎo)的生產(chǎn)成本。下面以BJ400波導(dǎo)管四次彎曲的空間尺寸波導(dǎo)管進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

由圖5的E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管產(chǎn)品圖和圖6的產(chǎn)品圖仿真結(jié)果可知，BJ400（5.69mm×2.845mm）波導(dǎo)管邊緣圓角r=0.3mm，E面和H面折彎圓角均為R=19mm，波導(dǎo)管展開(kāi)長(zhǎng)度500mm時(shí)，上述E面和H面四次彎曲波導(dǎo)管，在頻率范圍32.9GHz至50.1GHz段內(nèi)，駐波比VSWR≤1.03，滿足設(shè)計(jì)要求和加工要求。

E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管加工

彎波導(dǎo)管加工要求

波導(dǎo)彎曲時(shí)，可以在E面上進(jìn)行，也可以在H面上進(jìn)行。其彎曲半徑R，彎曲角度可以是任意值。一般彎曲90°應(yīng)用較多，主要根據(jù)其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而定。對(duì)高精度彎頭的技術(shù)要求如下：(1)彎曲后截面尺寸的公差一般在±0.05范圍內(nèi)。(2)波導(dǎo)管內(nèi)表面光潔，無(wú)損傷、皺折等現(xiàn)象。(3)半徑R準(zhǔn)確，并能達(dá)到盡可能小的彎曲半徑。(4)提高生產(chǎn)率、降低成本。

彎波導(dǎo)管加工填料

在彎曲前波導(dǎo)管內(nèi)必需裝入填料，主要目的是保證彎曲后的波導(dǎo)任意內(nèi)截面的尺寸，目前主要用的填料有三種：(1)低熔點(diǎn)合金。鉍、錫、鉛的合金，熔化溫度為92℃。(2)彈簧鋼片。通常選用彈性好的65Mn冷軋鋼帶，厚度一般為0.2～0.3mm。(3)撓性芯軸。又稱為鏈狀式芯軸。

彎曲方法

常用的方法有四種。

(1)成形彎曲法。這是目前采用最多的工藝方法，是用凸模和凹模使波導(dǎo)管彎曲成形。而由于彎曲半徑和彎曲角度的不同，就必須制造不同的凸模和凹模，一般叫專用成形彎模。 另外，還有一種通用彎模。

(2)滾壓彎曲法。波導(dǎo)管裝好填料后，一端壓在型模上（相當(dāng)于凸模），另一端沿型模彎曲部分進(jìn)行彎曲，此端用壓力板或滾輪沿著型模旋轉(zhuǎn)。此種方法適用于新品試驗(yàn)階段，模具簡(jiǎn)單，周期短，但彎波導(dǎo)的精度低，有折皺現(xiàn)象。

(3)引伸彎曲法。這種方法與滾壓彎曲法很相似，模具差不多一樣，主要區(qū)別是波導(dǎo)管中裝入的是撓性芯軸，而不是彈簧鋼片。

(4)刻紋彎曲法。就是通常說(shuō)的打彎法，此法要有專用的打彎?rùn)C(jī)。波導(dǎo)管中不用填料，而且不受波導(dǎo)管長(zhǎng)度的限制。對(duì)雷達(dá)中饋線的彎曲波導(dǎo)最適用，但彎曲半徑較大。彎曲半徑的尺寸精度主要決定于操作工人對(duì)凸模進(jìn)給量的控制，因此難于保證質(zhì)量穩(wěn)定。

加工設(shè)備的展望

彎波導(dǎo)管生產(chǎn)現(xiàn)狀

隨著通訊領(lǐng)域技術(shù)不斷的迭代發(fā)展，復(fù)雜的E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管的需求量將越來(lái)越大，而生產(chǎn)周期也將越來(lái)越短 。目前，一套衛(wèi)星用的彎波導(dǎo)管的生產(chǎn)周期至少需要3個(gè)月，已經(jīng)嚴(yán)重不能滿足行業(yè)研發(fā)速度。同時(shí)，依賴精密機(jī)加工、高級(jí)焊工和高級(jí)鉗工等人工單件生產(chǎn)，不僅效率低下，廢品率也非常高，導(dǎo)致單件彎波導(dǎo)器件成本居高不下。這不僅僅影響了波導(dǎo)器件在先進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用，更加阻礙了波導(dǎo)器件在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的大規(guī)模應(yīng)用。因此，促使我們必須研發(fā)新的生產(chǎn)工藝和先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備來(lái)滿足復(fù)雜的生產(chǎn)需求。

彎波導(dǎo)管的多規(guī)格性

在商業(yè)化高度發(fā)達(dá)的今天，單單靠規(guī)則、少數(shù)形狀的波導(dǎo)產(chǎn)品已經(jīng)無(wú)法滿足市場(chǎng)的需求，市場(chǎng)越來(lái)越傾向個(gè)性化、定制化的產(chǎn)品，對(duì)企業(yè)發(fā)展與生產(chǎn)能力提出了更高的要求。彎波導(dǎo)按照折彎方向分為E面和H面兩種，標(biāo)準(zhǔn)扭轉(zhuǎn)角度是30°、45°、60°與90°等以及這些角度組合成的彎波導(dǎo)管，還有一些非標(biāo)角度組合的整體E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管，種類繁多而復(fù)雜。

彎波導(dǎo)管的前景

作為在毫米波通信領(lǐng)域、太赫茲通信領(lǐng)域、衛(wèi)星和雷達(dá)領(lǐng)域廣泛使用的一種電子元器件，我們既需要考慮通訊領(lǐng)域和萬(wàn)物互聯(lián)需要的大批量低成本生產(chǎn)方式，同時(shí)也要考慮一款適用性強(qiáng)、靈活性高、高精度、高穩(wěn)定性的折彎?rùn)C(jī)床來(lái)保證多樣性產(chǎn)品加工的質(zhì)量和生產(chǎn)周期。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，復(fù)雜的E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管具有加工精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。目前主要依賴高技術(shù)人員小批量手工作業(yè)的方式進(jìn)行生產(chǎn)，具有以下局限性：(1)生產(chǎn)周期長(zhǎng)。(2)產(chǎn)品一致性差。(3)生產(chǎn)過(guò)程中廢品率高。(4)高額的生產(chǎn)成本。(5)生產(chǎn)效能阻礙了行業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展進(jìn)程。(6)產(chǎn)品的市場(chǎng)適應(yīng)能力差。(7)因高生產(chǎn)成本影響波導(dǎo)產(chǎn)品在更多領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)一款具有高精度、高穩(wěn)定性、適應(yīng)多種角度調(diào)整的復(fù)雜的E面、H面多角度圓弧彎波導(dǎo)管自動(dòng)折彎?rùn)C(jī)來(lái)滿足市場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)是迫切需要的，以解決以往微波器件生產(chǎn)中的一個(gè)“瓶頸”問(wèn)題，為彎波導(dǎo)管的批量生產(chǎn)打下良好基礎(chǔ)。