简析E面、H面多角度圆弧弯波导管的成形

文/彭威·广州市吉峰金属塑胶制品有限公司

导 语

波导管是雷达系统中的重要组成部分。在5G技术迅速发展下，尤其从微波到毫米波再到6G的太赫兹频段，E面、H面多角度圆弧弯波导管都将面临精度越来越高的要求。本文将简述E面、H面多角度圆弧弯波导管的成形工艺，对精密折弯机、弯管机提出新要求，起个抛砖引玉的作用。

在雷达的馈电网络中，有大量的弯波导，弯波导的加工质量，直接影响雷达系统的性能指标。传统的弯波导、扭拧波导、过渡波导加工方法主要有：刻纹加工法、刚性芯棒法、柔性芯棒法、内部填充法等。以上加工方法普遍存在加工效率低、成品率低、波导管弯曲处断面控制精度差、芯棒装卸困难、弯曲装置或机构通用性差等弊端。因此，迫切需要对系列弯波导的折弯工艺及制造技术难点进行研究，并设计制造专用的波导折弯设备，以满足弯波导的批生产需要。

采用直接弯制的弯波导代替弯头焊接件，可大大简化加工过程，缩短生产周期，降低生产成本，提高系统的可靠性。因此，研究系列波导管的成形与加工技术，开发专用的波导管自动弯曲设备，对弯波导的生产将具有重要意义和价值。

E面、H面多角度圆弧弯波导管

波导管弯曲成形加工要求

波导管是雷达系统、北斗卫星和地面接收站、5G基站、6G基站、轨道交通信号传输系统的核心组成部分，为了波导管产品能正常工作，对波导管产品内腔的精度要求极高，所以弯波导的加工质量，直接影响信号传输系统的性能指标。

波导管在弯曲加工时，不仅会产生横截面形状的改变，而且壁厚也会发生变化。管材弯曲时，其内侧面受压导致厚度增加，宽度增大；外侧面受拉导致壁厚减薄，侧面宽度减少。因此，波导管弯曲成形加工设备在加工过程中必须对截面畸变进行严格控制，减小内腔尺寸的变形量。

矩形E面折弯波导管

矩形E面（Elevation）折弯波导管从管壁尺寸方向定义，即与窄壁垂直的弯曲面是E面折弯；按电性能角度定义通常E面（窄面）是指与电场方向平行的方向图切面（窄面）如图1所示。

矩形H面折弯波导管

矩形H面（Horizontal）折弯波导管从管壁尺寸方向定义，即与宽壁垂直的弯曲面是H面；按电性能角度定义通常H面（宽面）是指与磁场方向平行的方向图切面（宽面），如图2所示。

E面、H面多角度圆弧弯波导管

如图3所示，E面折弯波导管和H面折弯波导生产成本和加工难度相对较低一些，通常可以组合使用于馈电系统中。但因为增加法兰连接数量会影响波导管电性能指标，同时还增加了法兰精密加工和焊接的生产成本。因此，E面、H面多角度圆弧弯波导管的需求应用应运而生，特别是在5G和6G大规模使用中电性能要求和成本控制将越来越被重视，因此多弯成形波导管生产越来越受到业界的青睐。

已制造成形的弯波导管产品，虽然在外观上符合设计的要求，但并不代表其就属于合格产品。因为该产品不仅需要机械性能的检测，还需要使用网络分析仪等相关仪器检测产品的电磁性能。所以，将该产品放至网络分析仪等相关仪器来检测产品的电磁性能。网络分析仪对此产品进行性能检测情况与结果如图4所示。

由图可知，该波导管产品的频率范围是8.2GHz～12.4GHz，且驻波比VSWR小于1.1525，小于设计值VSWR≤1.2的要求。由此说明该产品的电磁性能是比较接近理想状态下的数值，也说明了符合电性能指标要求。

E面、H面多角度圆弧弯波导管设计

弯波导管仿真设计

硬波导管在雷达馈电系统中的线路是固定的，因此要设计多个弯曲的空间波导管需要进行电磁仿真保证弯波导的电性能参数的同时，尽可能优化弯波导管的机械加工性能，做到容易加工，加工后的产品接近设计理论值，从而降低弯波导的生产成本。下面以BJ400波导管四次弯曲的空间尺寸波导管进行仿真设计。

由图5的E面、H面多角度圆弧弯波导管产品图和图6的产品图仿真结果可知，BJ400（5.69mm×2.845mm）波导管边缘圆角r=0.3mm，E面和H面折弯圆角均为R=19mm，波导管展开长度500mm时，上述E面和H面四次弯曲波导管，在频率范围32.9GHz至50.1GHz段内，驻波比VSWR≤1.03，满足设计要求和加工要求。

E面、H面多角度圆弧弯波导管加工

弯波导管加工要求

波导弯曲时，可以在E面上进行，也可以在H面上进行。其弯曲半径R，弯曲角度可以是任意值。一般弯曲90°应用较多，主要根据其设计结构而定。对高精度弯头的技术要求如下：(1)弯曲后截面尺寸的公差一般在±0.05范围内。(2)波导管内表面光洁，无损伤、皱折等现象。(3)半径R准确，并能达到尽可能小的弯曲半径。(4)提高生产率、降低成本。

弯波导管加工填料

在弯曲前波导管内必需装入填料，主要目的是保证弯曲后的波导任意内截面的尺寸，目前主要用的填料有三种：(1)低熔点合金。铋、锡、铅的合金，熔化温度为92℃。(2)弹簧钢片。通常选用弹性好的65Mn冷轧钢带，厚度一般为0.2～0.3mm。(3)挠性芯轴。又称为链状式芯轴。

弯曲方法

常用的方法有四种。

(1)成形弯曲法。这是目前采用最多的工艺方法，是用凸模和凹模使波导管弯曲成形。而由于弯曲半径和弯曲角度的不同，就必须制造不同的凸模和凹模，一般叫专用成形弯模。 另外，还有一种通用弯模。

(2)滚压弯曲法。波导管装好填料后，一端压在型模上（相当于凸模），另一端沿型模弯曲部分进行弯曲，此端用压力板或滚轮沿着型模旋转。此种方法适用于新品试验阶段，模具简单，周期短，但弯波导的精度低，有折皱现象。

(3)引伸弯曲法。这种方法与滚压弯曲法很相似，模具差不多一样，主要区别是波导管中装入的是挠性芯轴，而不是弹簧钢片。

(4)刻纹弯曲法。就是通常说的打弯法，此法要有专用的打弯机。波导管中不用填料，而且不受波导管长度的限制。对雷达中馈线的弯曲波导最适用，但弯曲半径较大。弯曲半径的尺寸精度主要决定于操作工人对凸模进给量的控制，因此难于保证质量稳定。

加工设备的展望

弯波导管生产现状

随着通讯领域技术不断的迭代发展，复杂的E面、H面多角度圆弧弯波导管的需求量将越来越大，而生产周期也将越来越短 。目前，一套卫星用的弯波导管的生产周期至少需要3个月，已经严重不能满足行业研发速度。同时，依赖精密机加工、高级焊工和高级钳工等人工单件生产，不仅效率低下，废品率也非常高，导致单件弯波导器件成本居高不下。这不仅仅影响了波导器件在先进领域的应用，更加阻碍了波导器件在基础设施建设中的大规模应用。因此，促使我们必须研发新的生产工艺和先进的生产设备来满足复杂的生产需求。

弯波导管的多规格性

在商业化高度发达的今天，单单靠规则、少数形状的波导产品已经无法满足市场的需求，市场越来越倾向个性化、定制化的产品，对企业发展与生产能力提出了更高的要求。弯波导按照折弯方向分为E面和H面两种，标准扭转角度是30°、45°、60°与90°等以及这些角度组合成的弯波导管，还有一些非标角度组合的整体E面、H面多角度圆弧弯波导管，种类繁多而复杂。

弯波导管的前景

作为在毫米波通信领域、太赫兹通信领域、卫星和雷达领域广泛使用的一种电子元器件，我们既需要考虑通讯领域和万物互联需要的大批量低成本生产方式，同时也要考虑一款适用性强、灵活性高、高精度、高稳定性的折弯机床来保证多样性产品加工的质量和生产周期。

结束语

综上所述，复杂的E面、H面多角度圆弧弯波导管具有加工精度要求高，结构复杂等特点。目前主要依赖高技术人员小批量手工作业的方式进行生产，具有以下局限性：(1)生产周期长。(2)产品一致性差。(3)生产过程中废品率高。(4)高额的生产成本。(5)生产效能阻碍了行业产品的发展进程。(6)产品的市场适应能力差。(7)因高生产成本影响波导产品在更多领域的发展和应用。因此，开发一款具有高精度、高稳定性、适应多种角度调整的复杂的E面、H面多角度圆弧弯波导管自动折弯机来满足市场的实际生产是迫切需要的，以解决以往微波器件生产中的一个“瓶颈”问题，为弯波导管的批量生产打下良好基础。