太赫茲極化柵網(wǎng)制造工藝進(jìn)展探討

陳澤宇 劉 亮 劉蘭波 柴艷紅 李 源

（1.海裝上海局駐上海地區(qū)第六軍事代表室，上海 201100；2.上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201108）

0.引言

太赫茲極化柵網(wǎng)是針對(duì)微波中毫米波波段的電磁波進(jìn)行計(jì)劃分離的專用器件。極化柵網(wǎng)可以針對(duì)極化狀態(tài)不同的電磁波進(jìn)行透射和反射，從而分離不同極化狀態(tài)的電磁波。電場(chǎng)方向與極化柵網(wǎng)金屬絲排列方向一致時(shí)，極化柵網(wǎng)進(jìn)行電磁波的反射，電場(chǎng)方向與極化柵網(wǎng)金屬絲排列方向垂直時(shí)，極化柵網(wǎng)進(jìn)行電磁波的透射。極化柵網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上是由不銹鋼絲、鉬絲或鎢絲等金屬絲平行排布形成等間距的金屬線柵組成，其電氣性能主要由金屬絲的間距以及金屬絲的直徑?jīng)Q定[1-2]。微波的波長(zhǎng)決定了制備極化柵網(wǎng)時(shí)金屬絲的直徑已經(jīng)金屬絲之間的距離。相關(guān)研究指出，極化柵網(wǎng)金屬絲直徑和間距之間的比值為0.33 并且金屬絲間距與電磁波波長(zhǎng)之間的比值為0.1 時(shí)極化柵網(wǎng)具有最好的極化性能，即如波長(zhǎng)λ 等于3mm，則所要制備的極化柵網(wǎng)的金屬絲直徑應(yīng)選擇100μm，相應(yīng)的金屬絲間距應(yīng)設(shè)置為300μm[3]。與此同時(shí)，用于制作極化柵網(wǎng)的絲材應(yīng)當(dāng)具有足夠的拉伸強(qiáng)度和較高的電導(dǎo)率。另外需要注意的是，為了使制備的極化柵網(wǎng)表面具有良好的平面度，在實(shí)際制備時(shí)要對(duì)極化柵網(wǎng)金屬絲施加上一定的預(yù)緊力，以使金屬絲保持固定的張力。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究文獻(xiàn)的查閱總結(jié)，目前，針對(duì)太赫茲極化柵網(wǎng)工藝的研究主要采用的技術(shù)方法包括腐蝕法、機(jī)床加工法、手工繞絲等。本文針對(duì)這些方法結(jié)合實(shí)例綜述了上述工藝研究工作進(jìn)展以及具體應(yīng)用案例，在此基礎(chǔ)上分析了這些方法在太赫茲極化柵網(wǎng)制備上的優(yōu)勢(shì)、局限性以及發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)極化柵網(wǎng)的固化方法作了總結(jié)，對(duì)于太赫茲極化柵網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工藝設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

1.腐蝕法

腐蝕法是極化柵網(wǎng)最常用的制備工藝之一，采用腐蝕法制作極化柵網(wǎng)金屬絲的材料需要有良好的電導(dǎo)率[4]，可供選擇的材料包括鎢、鉬等，典型實(shí)例介紹腐蝕法的一般步驟為：采用腐蝕工藝對(duì)于金屬薄片進(jìn)行加工從而獲得金屬線柵；腐蝕后的金屬線柵松弛且間距不均勻，因此需要對(duì)金屬線柵進(jìn)行拉伸，從而使得金屬絲間距均勻，并且具有良好的平面度。

國(guó)外許多研究人員也采用了腐蝕法制作極化柵網(wǎng)，如圖1 所示，日本志賀大學(xué)采用鍍層光刻腐蝕法制作了線柵直徑僅250nm，間距350nm 的極化柵網(wǎng)，線寬與周期的比例f 0.5。其方法為Y2O3（氧化釔）陶瓷（2mm 厚度）、SiO2、硅襯底基片上光刻膠，用激光器（325nm 波長(zhǎng)）雙光束干涉得到350nm 圖案。

圖1 在SiO2襯底上的WSi光柵掃描電子顯微圖

2.機(jī)床加工法

機(jī)床加工法，是在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件機(jī)床加工方法上進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的極化柵網(wǎng)制作方法，傳統(tǒng)的利用機(jī)床加工極化柵網(wǎng)主要存在下面的技術(shù)難點(diǎn)：（1）極化柵網(wǎng)口面平面度要求高；（2）應(yīng)用在極化柵網(wǎng)上的金屬絲非常纖細(xì)，給安裝固定帶來(lái)困難；（3）極化柵網(wǎng)的金屬絲難以保持均勻的等距離分布；（4）極化柵網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景一般為深空探測(cè)，所處環(huán)境溫差變化極大容易產(chǎn)生明顯的熱脹冷縮，因此，很難保持柵網(wǎng)的金屬絲的張緊力及整個(gè)柵網(wǎng)的平整度。在解決上述幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)的方法方面，文獻(xiàn)[5]開發(fā)了用于極化柵網(wǎng)制造的模具法，首先利用高精度數(shù)控線切割機(jī)床在極化柵網(wǎng)模具上刻出等間距的金屬凹槽然后采用傳統(tǒng)繞絲方法在金屬凹槽中放置金屬絲，這樣既可以保留傳統(tǒng)繞絲法的優(yōu)勢(shì)又可以克服傳統(tǒng)繞絲法無(wú)法保證絲間距等間距及整個(gè)柵網(wǎng)平面度要求極高的問(wèn)題。應(yīng)用模具法生產(chǎn)的極化柵網(wǎng)實(shí)物如圖2 所示（其中A 代表350mm×350mm口面極化柵網(wǎng)；B 代表350mm×40mm 口面極化柵網(wǎng)；C:210mm×190mm 口面極化柵網(wǎng)）。

圖2 應(yīng)用模具生產(chǎn)的三種口面極化柵網(wǎng)

NASA（美國(guó)航空航天局）也采用了車床加工的方法制作極化柵網(wǎng)。如圖3 和圖4 所示，其步驟是首先通過(guò)機(jī)床加工出一個(gè)表面具有高精度等間距螺紋槽的空心圓柱體，螺紋槽的間距和槽深槽寬等由極化柵網(wǎng)的金屬絲直徑和間距決定；然后通過(guò)纏繞裝置把金屬絲纏繞到加工好的空心圓柱體上，纏繞的時(shí)候保證金屬絲準(zhǔn)確地落入螺紋槽中，其原理的就是根據(jù)圓柱體表面螺紋槽之間的間距來(lái)確保金屬絲的間距均勻。

圖3 NASA 極化柵網(wǎng)制作方法

圖4 NASA 極化柵網(wǎng)粘接工藝

金屬絲全部纏繞完畢之后，沿軸方向進(jìn)行膠水的涂抹，因?yàn)榻饘俳z是落在螺紋槽中的，所以膠水固化之后能保證金屬絲的間距不變，膠水固化后從圓柱體上整體取下金屬絲平面，通過(guò)預(yù)緊力的施加將金屬絲拉成距離均勻固定的平面，最后將金屬絲面整體放到極化柵網(wǎng)框架上完成極化柵網(wǎng)的制備。

3.手工繞絲法

手工繞絲法具有裝置簡(jiǎn)單易加工，不需要額外設(shè)備投入等優(yōu)勢(shì)，上海航天電子技術(shù)研究所的蘇興華等[6]發(fā)明了一種低頻段極化柵網(wǎng)制備方法，該方法對(duì)應(yīng)的裝置由極化底板平臺(tái)、環(huán)形結(jié)構(gòu)外圈固定槽、凸起平臺(tái)、引線槽、擋線槽等組成，在手工纏繞金屬絲的過(guò)程中，通過(guò)S 形的繞線方式，逐漸使完成極化柵網(wǎng)金屬絲的繞制，繞制完成后，通過(guò)螺釘固定金屬絲，完成極化柵網(wǎng)的制備。

該方法的優(yōu)勢(shì)在于：（1）極化柵網(wǎng)的制備裝置成本低、易加工，不用進(jìn)行另外的機(jī)械繞絲裝備的投入。（2）可以實(shí)現(xiàn)手工繞絲，繞絲完成后不需要借助膠固，克服了膠固容易造成粘絲及金屬絲間距不均勻的問(wèn)題。缺點(diǎn)在于手工繞絲速度較慢，且產(chǎn)品質(zhì)量依賴于完成人員的繞絲熟練程度，適合單個(gè)或者小批量極化柵網(wǎng)的制作。

4.極化柵網(wǎng)固化封裝方法

極化柵網(wǎng)的封裝固定方法通常有金屬環(huán)直接固定、502膠水固定、環(huán)氧樹脂AB 膠固定與環(huán)氧樹脂AB 膠+橡膠墊混合固定等方式。

4.1 金屬環(huán)直接固定

金屬環(huán)直接固定的方法通常采用機(jī)加工方式加工一個(gè)跟柵環(huán)尺寸一樣的金屬環(huán)，在完成好繞絲的夾具上直接用螺絲將對(duì)準(zhǔn)好的金屬環(huán)與柵環(huán)緊固在一起，然后用剪刀裁剪掉柵環(huán)外部多余的金屬絲，完成太赫茲極化柵網(wǎng)封裝。由于金屬絲線比較細(xì)，使金屬絲容易不穩(wěn)定，導(dǎo)致金屬絲卸下之后發(fā)生松動(dòng)，因此，對(duì)于太赫茲等高頻段的極化柵網(wǎng)金屬絲線比較細(xì)的情況下，不適用于金屬環(huán)直接固定的方法。

4.2 502 膠水固定

502 膠水流動(dòng)性很強(qiáng)，而極化柵網(wǎng)的金屬絲之間間隙很小，在黏合膠的張力作用下會(huì)形成沿著金屬絲發(fā)生滲透現(xiàn)象。因此，要想得到較好的黏合效果，減少黏合膠金屬絲網(wǎng)的滲透現(xiàn)象，使用502 膠水固定金屬絲網(wǎng)適于處于水平狀態(tài)進(jìn)行黏合。在實(shí)際使用中，502 膠水固化時(shí)會(huì)對(duì)纏繞好的金屬絲產(chǎn)生較大的沖擊，導(dǎo)致其間距發(fā)生較大變化。因此，502 膠水固定方案只適用于對(duì)金屬絲間距均勻性要求不高的極化柵網(wǎng)的固定。

4.3 環(huán)氧樹脂AB 膠水固定

由于環(huán)氧樹脂AB 膠水具有一定的流動(dòng)性，因此，在涂膠需要將柵環(huán)表面處于水平狀態(tài)，然后將AB 膠水混合后進(jìn)行涂覆及固化。在實(shí)際使用中，AB 膠水固化時(shí)會(huì)對(duì)金屬絲沖擊程度比較低，金屬絲間距基本不會(huì)發(fā)生大的變化，因此，AB 膠水固定方式可以實(shí)現(xiàn)高頻極化柵網(wǎng)絲環(huán)精密封裝。

4.4 環(huán)氧樹脂AB 膠+橡膠墊混合固定

環(huán)氧樹脂AB 膠+橡膠墊混合固定方式是在AB 膠水固定方式上延伸出的，具體實(shí)施過(guò)程一般為：將極化柵網(wǎng)柵環(huán)表面處于水平狀態(tài)，然后將AB 膠水混合后進(jìn)行涂覆，將與柵環(huán)相同尺寸的橡膠墊環(huán)覆蓋在已涂覆好AB 膠水的金屬絲網(wǎng)上，并施加一定壓力以防止金屬絲因AB 膠固化產(chǎn)生的沖擊而出現(xiàn)偏移，固化后將柵環(huán)外部多余的金屬絲裁剪掉，便可將完成極化柵網(wǎng)的封裝制備。

5.結(jié)語(yǔ)

隨著微波技術(shù)向太赫茲頻段的發(fā)展，相關(guān)應(yīng)用在衛(wèi)星、載荷及深空探測(cè)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。作為針對(duì)微波進(jìn)行極化分離的關(guān)鍵部件，極化柵網(wǎng)的制備工藝技術(shù)研究成為精密加工及制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)太赫茲極化柵網(wǎng)的制造工藝的研究進(jìn)展展開了探討，結(jié)合實(shí)例分類介紹了腐蝕法、機(jī)床加工法、手工繞絲法在太赫茲極化柵網(wǎng)制造中的應(yīng)用，并對(duì)極化柵網(wǎng)的固化方法作了總結(jié)。對(duì)于后續(xù)太赫茲極化柵網(wǎng)與其他準(zhǔn)光饋電核心組件的加工制造具有一定的指導(dǎo)意義。