[科普中国]-微波连接

微波连接（microwave jointing），利用材料吸收微波能、整体快速同时加热特性，使界面在一定压力、较低温度下快速扩散连接的方法。陶瓷材料导热差，辐射加热时间长，温度不均匀，微波连接热应力小，效率高，时间短，>500℃/min。可使Al2O3和Si3N4等制件扩散连接。Al2O3在0.6～2MPa和1650℃条件下，微波连接强度可达到原陶瓷的93%。

微波连接简介这是一种以内部产热作为加热手段的连接方法，该方法以材料在微波辐射场中的分子极化产热作为热源，在一定的压力作用下完成连接。主要分为间接微波连接和直接微波连接两种方法。所谓的间接微波连接，是指在所连接的陶瓷之间加入中间介质，利用中间介质与母材陶瓷对微波的吸收和产热能力的不同，通过中间介质熔化并润湿陶瓷基体来实现连接。1

作用直接微波连接是不加任何中间介质直接通过微波加热来连接陶瓷。一般来讲，除某些碳化物之外，大多数工程陶瓷绝缘体对于微波辐射是透明的，在室温下的微波场中很难被加热。但当加热超过一个临界温度后，则陶瓷吸收并把微波能量转变为热量的能力大幅升高。利用陶瓷这一特性，预先将陶瓷待焊接区域加热到临界温度以上，结合陶瓷本身低的热传导性，使得陶瓷待连接区域的温度高于周围其他区域，此时在微波的作用下，这一预先加热区域比周围较冷的区域更优先地吸收微波能量，使局部加热得以实现。当采用微波连接SiC-ZrO2以及Al2O3-Al2O3时，发现纯度为99.8%的Al2O3不能被加热到足够高的温度，而纯度为94%和85%的Al2O3则能被成功连接。同时发现，在陶瓷中玻璃晶界相的主要功能是增加材料的绝缘损失，使材料被加热。在Al2O3接头中获得了超过母材力学性能的连接强度，其连接机理是基于玻璃晶界相的粘性流动：被连接双方母材的玻璃相提供了跨越连接线的充分迁移和晶粒生长，观察到一个均匀的显微结构。在这种情况下，连接的机械强度比母材高，四点弯曲实验的连接试样从未在连接线处破坏。

采用微波加热方法将ZrO2增韧Al2O3（ZTA）与Y2O3稳定的四方相ZrO2（Y-TZP）进行连接，发现Al2O3与ZrO2具有相似的微波加热特性，即在一定温度下，微波吸收性很差，但超过某一温度（约500℃～600℃），随温度升高其微波吸收性急剧增加。在微波加热过程中，一旦升温至微波吸收性急剧增加的温度值后，由于其有效吸收微波能，从而实现体积加热。这项实验是在ZTA和Y-TZP生坯态之间直接连接，即将两种母材的粉体预压成型后，不经过烧结即进行连接，因此实际上是一个同时烧结与连接的过程。研究发现微波加热可以促进晶界空位移动，从而促进体积扩散或晶界扩散过程，因此微波加热时致密化过程比普通加热过程快。与常规加热方法相比，发现微波加热所得到接头的强度更高。造成这种差别的原因与母材的烧结致密化行为和显微组织变化有关。随着温度升高或时间延长，在表面能减小的驱动力作用下，固体颗粒相互键联，逐步减少气孔所占的体积，细小的颗粒之间可形成晶界，并且不断扩大晶界面积，使生坯致密化。在ZTA和Y-TZP之间的界面区域，是二者粉体相互混合的区域，通过微观的烧结过程，实现二者之间的宏观结合。由于微波加热可以在更低的温度或更短的时间内完成致密化过程，使ZTA与Y-TZP的组织比常规加热时更加均匀、细小，有助于抑制ZrO2由四方相向单斜相的转变，从而有利于获得较高的连接强度。对连接界面区的微观组织观察发现，微波连接时界面区两侧晶粒之间能实现良好的连接，而使用常规加热连接时，界面上则存在一些孔洞。1

优势由微波加热的特点可知这种连接方法应用于陶瓷连接的优势在于：在微波场内被焊工件是内外部同时加热，内应力较低，对于陶瓷这种脆性材料可以快速加热而不开裂；可通过使焊接区具有高峰电场或使用介电损耗大的中间层材料，使接合区局部选择性加热，充分利用能量，并使焊件的其他部分不受高温作用。但该方法难于准确控制温度，对介电损耗小的陶瓷还需采用耦合剂来提高产热。由于产热机制的制约，目前这种方法仅限于同种或异种陶瓷之间的连接，还未见到陶瓷与金属连接的报道。1

计算微波吸收功率P =λtgσeffEint2V，升温速度v =Δt/t =λtgσeffEint2f/ρCp

式中λ为导热性，tgσeff为介电损耗，Eint为材料内部电场强度，f为微波频率，V为试样体积，ρ和Cp为密度和比热。2

微波连接元件微波连接元件（Microwave Connector）的作用是将不同功能的微波元器件按一定要求连接起来，微波连接元件是二端口互易元件，散射矩阵为

其中S12=S21。主要指标要求：接触损耗小、驻波系数小、功率容量大、频带宽。

微波连接元件是微波系统中应用最为广泛的元件之一，连接相同类型器件的连接元件统称为接头，连接不同类型器件的连接元件称为转接器或转换接头。

（1）连接接头

常用的有波导接头和同轴线接头，这里介绍波导接头。

①平法兰接头和扼流法兰接头

用于波导之间的连接。下图为平法兰接头，是波导直接连接的一种机械接触方法，优点是结构简单、体积小、加工方便、频带宽、驻波比可以做到1.002以下，缺点是对接触表面光洁度要求较高．否则接触不严易产生电磁辐射。图中b为扼流法兰接头，由一个刻有扼流槽的法兰和一个平法兰对接构成，通常扼流槽的深度为λg/4。扼流槽至波导宽壁的长度也是λg/4。故槽底距波导内表面为λg/2，连接时对接处形成电流波腹点，使波导连接处即使接触不良也有良好的电接触。扼流法兰接头的特点是功率容量大，接触表面光洁度要求不高，但工作频带较窄，驻波比的典型值是1.02。平接头常用于低功率、宽频带场合，扼流接头一般用于高功率、窄频带的场合。

②扭转和弯陆接头

当需要改变电磁波的极化方向不改变传输方向时，用波导扭转元件（下图中a），当需要改变电磁波的方向时，可用波导弯曲。有E面弯曲（图中b）和H弯曲（图中c）。为使反射最小，扭转长度取（2n+1）λg/4，E面波导弯曲的曲率半径应满足R≥1.5b，H面波导弯曲的曲率半径应满足R≥1.5a。3

（2）转换接头

转换接头要实现不同形状器件转换时阻抗的匹配，保证信号有效传送，还因为不同形状器件的主模不同，因此还要保证工作模式的转换。

①同轴线一波导转接器

将同轴线的一端插入波导中，结构如图所示。当同轴线的另一端加入信号时，波导中的同轴线产生的TEM模将激发波导中的TE10模，实现从同轴线到波导的转换；反之，波导中产生的TE10模也会激发波导内的同轴线产生TEM模，实现从波导到同轴线的转换。

通过调整同轴线的插入深度h和插入位置d，可以进行同轴线与波导间的阻抗匹配。

②同轴线一微带线转接器

将同轴线内导体延伸一小段（1.5～2 mm），切成平面后与微带线中心导带搭接，同轴线外导体与微带线的接地平面相连。同轴线中心导体电流可以在微带线上激励出准TEM模；反之，微带线的准TEM波也会在同轴线中心导体上激励出电流，实现转接。

为了实现同轴线与微带线的特性阻抗匹配，同轴线内导体的直径应等于微带线中心导带的宽度。

③波导一微带线转接器

波导的等效阻抗一般为100～500 Ω，微带线的特性阻抗一般为50 Ω ，波导的高度比微带线的介质基片的厚度大得多，故通常在波导与微带线之间加一段特性阻抗80～90 Ω的阶梯式脊波导过渡段，使微带线与波导问结构渐变，减小不连续性带来的反射；然后再在脊波导与微带线连接处加一段空气微带线，实现阻抗匹配和波导TE10模与微带线准TEM模的相互转换。3

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学