Features of the manufacturing process of flat spiral antennas with additional deceleration

Texto integral

Введение

В современных радиоэлектронных системах активно применяются плоские спиральные антенны с равномерным шагом намотки (ПСА). Они используются в качестве самостоятельной антенны, облучателя зеркальных антенн, а также в составе фазированных антенных решеток. По диапазонным свойствам они относится к квазичастотно-независимым антеннам [1–3].

С точки зрения приближенной теории описание процесса излучения в ПСА сводится к следующему [1]: на каждой частоте имеется рабочая группа витков, вносящая наибольший вклад в поле излучения. При увеличении частоты эта группа витков перемещается в сторону меньших радиусов, а при увеличении частоты – в сторону больших радиусов. Однако, как показывает строгое решение задачи о распределении тока на тонких спиральных проводниках [4–6], эти представления являются не совсем корректными. Ток в спиральном проводнике имеет вид смешанной волны, распространяющейся вдоль проводника, амплитуда которой экспоненциально уменьшается при удалении от точки питания.

Актуальной проблемой радиоэлектроники является необходимость миниатюризации радиоаппаратуры, в особенности бортовых станций самолетов, вертолетов и беспилотных летательных аппаратов, в том числе в части антенн и их излучающих структур. Новые конструктивные решения при проектировании антенных систем требуют дополнительной технологической проработки и инновационного развития технологических процессов производства.

В статье представлен технологический процесс изготовления плоской спиральной антенны с дополнительным замедлением в виде планарной замедляющей пластины (ЗП). Проведен сравнительный практикоориентированный анализ трех вариантов технологического процесса изготовления ЗП. Обозначены технологические трудности, возникающие в процессе производства подобных антенн. Показано, что конструкция диэлектрической замедляющей пластины является наиболее технологичной и серийнопригодной при массовом производстве, что подтверждается изготовленными образцами. В случае необходимости интеграции в конструкцию ЗП дополнительных замедляющих элементов более технологичным является вариант с металлизированными отверстиями.

1. Постановка задачи

В связи с тем, что нижняя граница рабочего диапазона плоской спиральной антенны преимущественно определяется таким ее волновым размером, при котором начинает преобладать режим бегущих волн тока, уменьшение ее волновых размеров ведет к образованию стоячих волн тока. Это усиливает зависимость характеристик излучения антенны и ее входного сопротивления от частоты. Поэтому решение задачи улучшения массогабаритных характеристик антенны путем прямого уменьшения размеров излучающего элемента приводит к значительному ухудшению функциональных параметров в нижней части рабочего диапазона частот.

Уменьшить диаметр спирали без ухудшения функциональных характеристик возможно в случае замедления скорости протекающей в проводнике электромагнитной волны. Минимизация отраженной от внешних концов излучателя волны тока будет способствовать ослаблению указанной ранее зависимости характеристик излучения структуры и ее входного сопротивления от частоты и приведет к расширению нижней границы рабочего диапазона частот. На высоких частотах энергия отраженной волны мала, так как при распространении прямой волны тока по спирали вследствие интенсивного излучения происходит быстрое уменьшение ее амплитуды, и на внешних витках спирали она существенно меньше, чем на внутренних. Происходит устранение источника обратных волн тока. Таким образом, для уменьшения нижней границы рабочего диапазона требуется тем или иным образом обеспечить приемлемую скорость снижения амплитуды прямой волны тока.

Известны следующие способы замедления электромагнитных волн в антеннах [7]:

• увеличение длины проводника (свертка);
• повышение сопротивления проводника (активной и реактивной составляющих);
• использование объемных диэлектрических резонаторов;
• использование многослойных структур;
• использование метаматериалов в подложке;
• применение гребенчатых структур;
• экранирование (плоские экраны, полостные отражатели);
• использование поглотителей энергии, в т. ч. ступенчатых;
• пропускание через среду с высокой диэлектрической проницаемостью, например стекло или металлодиэлектрик (в виде размещенных в пространстве пластин).

Одним из перспективных направлений замедления электромагнитных волн в плоских спиральных антеннах видится применение планарных диэлектрических и металлодиэлектрических ЗП. В целом использование диэлектрических и металлодиэлектрических пластин и линз, как объемных [8], так и плоских [9], позволяет улучшить параметры антенных систем.

Численное моделирование, проведенное на основе разработанных математических моделей [10; 11], и результаты натурных экспериментов показали значимое улучшение электрических параметров антенн в нижней части рабочего диапазона частот. В частности, улучшается согласование антенны и увеличивается КУ, при этом не оказывается существенного влияния на форму диаграммы направленности в интервале до 1,63 D_max\λ (где D_max – диаметр внешнего рукава спирали) в сравнении с эталонным образцом антенны.

В целях повышения серийнопригодности и технологичности конструкции, а также сохранения конформных свойств антенны целесообразно использовать для создания планарных ЗП высокочастотные материалы, применяемые для изготовления печатных плат. В этом случае ЗП представляет собой композицию из нескольких слоев диэлектрических подложек с разной диэлектрической проницаемостью, расположенных по мере ее убывания. Подложка с большей диэлектрической проницаемостью прилегает к излучающему элементу, подложка с наименьшей диэлектрической проницаемостью контактирует с внешней средой.

2. Технология производства

В проведенных исследованиях замедляющий элемент выполнен трехслойным с диэлектрической проницаемостью слоев, равной 10; 5 и 2,2 соответственно (рис. 1). В качестве базовых материалов выбрана линейка фольгированных диэлектриков ФД СВЧ ТУ РЦНГ.22.21.110.01.82541694.2022. Такой выбор материалов обусловлен задачами импортозамещения, а также повышения технологичности и серийнопригодности антенн: указанные материалы производятся серийно, активно применяются промышленностью и доступны к приобретению.

 

Рис. 1. Схема рсположения ЗП относительно платы спиральной антенны

Fig. 1. The layout of the LP relative to the spiral antenna board

 

Также были рассмотрены варианты конструктивной модификации ЗП. В первом варианте модификации в диэлектрических слоях предусмотрены металлизированные отверстия, расположенные вдоль витков спирального излучающего элемента, имитирующих металлические «штырьки». Количество и расположение элементов определено в соответствии с результатами моделирования. Диаметр отверстий перед металлизацией составлял 0,3 мм. Во втором варианте модификации «штырьки» выполнены в виде проволоки, монтированной в отверстия. Диаметр отверстий в этом варианте конструкции составляет 0,5 мм. Координаты отверстий соответствуют первому варианту.

Изготовление плат плоского спирального излучателя, фидера и отдельных слоев ЗП осуществляется комбинированным позитивным методом (рис. 2). В общем виде топология каждого слоя формируется последовательным выполнением операций фрезерования заготовки, нанесения фоторезиста, формирования топологического рисунка и его проявления, наращивания меди, удаления фоторезиста, травления меди, лазерного фрезерования паза под питающий трансформатор.

 

Рис. 2. Блок-схема технологического процесса изготовления плат трансформатора и спиральной антенны

Fig. 2. Block diagram of the technological process of manufacturing transformer and spiral antenna boards

 

Слои ЗП выполняются путем удаления металла с подложек, сборки пакета, при этом диэлектрические подложки прокладываются слоями препрега. Затем следует прессование, сверление сквозных отверстий, заполнение отверстий металлом. При этом в первом варианте модификации заполнение осуществляется методом химико-гальванической металлизации отверстий, а во втором в отверстия монтируется медная проволока (рис. 3).

 

Рис. 3. Блок-схемы технологических процессов изготовления ЗП (А – диэлектрические пластины для Образца II; Б – диэлектрические пластины с металлизированными отверстиями для Образца III; В – диэлектрические пластины с заполненными отверстиями для образца IV)

Fig. 3. Block diagrams of technological processes for manufacturing LP (A – dielectric plates for Sample II; B – dielectric plates with metallized holes for Sample III; C – dielectric plates with filled holes for sample IV)

 

Очевидно, что технологический процесс А проще, стабильнее, менее требовательный к технологической точности оборудования, соответственно, конструкция ЗП без дополнительных замедляющих элементов наиболее технологичная из представленных. Однако с точки зрения функциональных параметров такие пластины при определенных условиях обладают меньшим коэффициентом усиления.

Конструкции металлодиэлектрических пластин с металлизированными и заполненными металлом отверстиями позволяют добиться лучших электрических параметров. Но интеграция таких элементов приводит к усложнению производственного цикла. В случае технологического процесса Б добавляются операции сверления, химико-гальванической металлизации отверстий, а также повышаются требования по точности выполнения операции совмещения заготовок при сборке пакета. При наличии автоматизированного оборудования и стабильного технологического процесса изготовления печатных плат трудности носят локальный характер, технологию следует считать в достаточной мере масштабируемой и серийнопригодной.

Напротив, технологический процесс В, хоть и не требует дополнительных химико-гальванических операций для металлизации отверстий, в большей степени завязан на человеческий фактор – операция монтажа проволоки в отверстия выполняется вручную. Кроме того, в подобной конструкции металлодиэлектрической пластины из-за технологических ограничений минимальный диаметр отверстий составляет 0,5 мм, что в 2 раза превышает теоретически рассчитанное значение.

Для единичной заготовки длительность технологического цикла изготовления по процессам Б и В практически идентична и составляет 16 часов, что в два раза превышает длительность цикла по технологическому процессу А. В случае серийного производства операция монтажа проволоки в отверстия приведет к увеличению длительности цикла на 2 часа за каждый экземпляр ЗП.

Сборка антенного прибора (рис. 4) выполнена по традиционной технологии: плата трансформатора установлена в корпусе в пазы и распаяна ПОиН-52, для механической прочности проклеена клеем ВК-9. Центральная жила соединителя паяется ПОСК 50-18. Плата спирали опаивается по контуру и распаивается на трансформатор ПОиН-52.

 

Рис. 4. Трехмерная модель макета плоской спиральной антенны с замедляющей пластиной

Fig. 4. Three-dimensional model of a layout of a flat spiral antenna with a planar loading plate

 

3. Технологические особенности производственных операций

При отработке режимов резания и пайки были выявлены следующие дефекты и отклонения: задиры, расслоение материала при механической обработке, потемнение (плавление) диэлектрика при пайке, деформация (коробление) подложки после травления (рис. 5).

 

Рис. 5. Дефекты при обработке материала ФД СВЧ

Fig. 5. Defects in the processing of the FD SVCH material

 

Ввиду того что указанный материал не содержит в себе тканевую стеклооснову, было установлено, что режимы сверления должны быть более щадящими по величине оборотов шпинделя и подаче по сравнению с обычными стеклопластиками.

Информация по выявленным дефектам была передана разработчику материала. Разработчик оперативно внес изменения в состав материала ФД СВЧ и передал образцы для повторной отработки.

Для обработки материала были подобраны специализированные фрезы для мягких диэлектриков. Отработка режимов сверления и фрезерования проводилась как с использованием тестовых программ сверления и фрезерования, которые имеются в станках, так и в более широком диапазоне режимов резания.

Отдельная сложная задача при изготовлении плоских спиральных антенн связана с контролем качества изготовления самого спирального излучателя. Технология должна обеспечивать равномерность ширины проводника и ширины зазора между рукавами спирали. Дефекты изготовления (рис. 6) оказывают влияние на электрические параметры антенного прибора, ухудшают согласование, вносят неравномерности в верхней части рабочего диапазона частот. Системы автоматизированной оптической инспекции, применяемые при контроле печатных плат, осуществляют перевод изображения топологии в графические примитивы, однако в случае со спиралью в качестве примитива используется «точка». Обработка массива «точек» требует значительных вычислительных мощностей, что приводит к «зависанию» системы контроля. Ручной визуальный контроль не обеспечивает приемлемой точности измерения размеров топологии плоской спиральной антенны. Этот аспект накладывает дополнительные требования к стабильности технологического процесса производства, обеспечению параметров микроклимата в производственных помещениях и квалификации персонала.

 

Рис. 6. Дефекты топологии при изготовлении спиральных антенн

Fig. 6. Topology defects in the manufacture of spiral antennas

 

При проектировании и изготовлении ЗП также следует учитывать технологические ограничения, связанные с трудностью обеспечения равномерной металлизации отверстий малого диаметра на всю глубину.

Заключение

Как видно, технологический процесс изготовления ЗП для модификации ПСА может в значительной степени увеличить длительность производственного цикла, требует наличия освоенной базовой технологии изготовления многослойных печатных плат (как минимум – прессования фольгированных диэлектрических материалов), повышает требования к квалификации персонала.

Диэлектрические ЗП наиболее просты в производстве, но использвание дополнительных замедляющих элементов (металлические «штырьки», металлизированные отверстия) позволяет улучшить согласование и электрические параметры антенного прибора на определенных частотах. Технологический процесс изготовления ЗП с металлизированными отверстиями имеет большую степень автоматизации, чем процесс с ручным монтированием проволоки в отверстия, кроме того, позволяет реализовать замедляющие элементы с меньшими габаритными размерами. Это делает процесс более гибким и приближает практические результаты к теоретическим расчетам.

Дальнейшие работы по развитию технологии изготовления ЗП планируется вести в двух основных направлениях.

Во-первых, целесообразно разработать технологию изготовления комбинированной ЗП, включающей диэлектрические и металлодиэлектрические области с разными типами дополнительных замедляющих элементов. Это позволит улучшить параметры антенн на отдельных участках частотного диапазона наиболее подходящим способом.

Во-вторых, следует проработать вопрос объединения платы спиральной антенны и ЗП и изготовления их в едином цикле по технологии многослойных печатных плат. Основной трудностью здесь видится обеспечение качественного и надежного соединения излучающей структуры с платой фидера.

Sobre autores

Mikhail Malakhov

Samara State Technical University; JSC «Research Institute “Ekran”»

Autor responsável pela correspondência
Email: m.malakhov.2020@bk.ru
Código SPIN: 4942-1762

chief technologist of JSC «Research Institute “Ekran”»; postgraduate student, associate professor of the Department of Electronic Systems and Information Security, Samara State Technical University

Research interests: microwave devices and antennas and their production technology

Rússia, 244, Molodogvardeyskaya Street, Samara, 443100; 24, Kirov Avenue, Samara, 443022

Bibliografia

Arquivos suplementares