CN107196051B - 一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构，其天线子阵保护层覆盖在由天线子阵辐射单元层和天线子阵骨架组成的天线子阵阵列上，天线子阵TR组件层设置在天线子阵阵列下方；天线子阵阵列；天线子阵骨架由天线子阵单元骨架拼接而成；所述的天线子阵单元骨架呈长方形，其上设有用于安装天线辐射单元的凹槽，凹槽深度与天线辐射单元厚度一致；每个凹槽中心有一个通孔；天线子阵单元骨架两侧平行的长边边缘上各设有等间距的螺栓孔Ⅰ；在天线子阵单元骨架另外两侧平行的短边边缘上各设有等间距的螺栓孔Ⅱ。本发明通过天线子阵单元骨架的拼接来组成天线子阵骨架，满足天线阵列的多组合要求，灵活性高、重构性强，可提高利用率。

Description

一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构

技术领域

本发明涉及一种有源相控阵天线结构，具体涉及一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构，属于天线技术领域。

背景技术

随着航空、航天中飞机、火箭、卫星等各种飞行器的发展，近代无线电子设备大量在飞行器上使用，其中天线种类繁多，为了提高天线性能，增强天线的方向性及实用性，各式各样的天线阵接踵而至，大阵列平面天线本体庞大，天线单元数量繁多；共形承载天线工艺复杂，覆盖于飞行器大部分表面，增加了飞行器本体的重量，而且现有的天线阵一旦成型，几乎难以根据要求在现有阵列上增减天线单元的数量，其复合成本也较高，不利于天线单元的灵活使用和重复利用。同时，大型天线阵列在服役时受到外界载荷及内部应力的影响而会产生结构变形，影响天线的电性能。为此，20世纪80年代，美国空军研究机构提出“智能蒙皮”的创新技术构想，以提高天线的自适应性。

在相关研究中，中国电子科技集团公司第十研究所提出了一种嵌入式智能蒙皮天线的新构型，该构型将光纤传感网络层与重构子阵共体相连，并与薄膜TR子阵、可重构馈电网络顺次平行叠层排列，共同在端向并联控制与功能维护模块。该研究在公开发明专利“何庆强，何海丹，官正涛.一种嵌入式智能蒙皮天线，申请时间:2013-10-18,专利国别:中国，专利申请号:CN201310492003.7”中有所报道。

此外，西安电子科技大学的周金柱教授等人提出利用材料复合技术，将光纤传感器埋入复合薄膜中，作为感知层与天线的射频层结合在一起，来获取天线的变形信息，从而反馈给电补偿系统来修正天线的电性能。这种方法在公开发明专利“周金柱，李勋，段宝岩，黄进，王从思，李鹏.一种基于嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线电补偿方法.申请时间：2015.4.22，专利国别：中国，申请号：201510194075.2”中有所报道。此后，他又针对如何将光纤光栅传感器植入天线结构当中，进行了详细的研究和实验，提供了一种智能蒙皮天线的制作方法，详细描述了其制作过程和步骤，该方法降低了智能蒙皮天线的制作难度及工艺要求，这种方法在公开发明专利“周金柱，刘朝曦，李海洋，唐宝富，钟剑锋，黄进，王从思.一种智能蒙皮天线的制作方法,申请时间：2016-05-10，专利国别：中国，专利申请号：201610303788.2”中有所报道。

以上公开专利所涉及的智能蒙皮天线结构，其制作方式多采用传统制作方法，辐射单元载体为传统金属材质，且没有一种专利提出天线载体结构的技术性创新，本文提出一种新型天线载体结构，该方法与3D打印制造技术结合，不仅为智能蒙皮天线的载体模型提供新的思路，而且对于天线结构功能一体化以及天线电系统与结构的高度融合的研究，都提供了有效的新型载体，其具有巨大的市场潜力和工程应用价值。

目前较为成熟的3D打印工艺有七大类。分别是光固化打印(SLA)、材料喷射打印、粘结剂喷射打印、选择性激光烧结打印(SLS)、熔融沉积打印(FDM)、喷墨式3D打印以及片层压式打印。其中以SLA、SLS、FDM和喷墨式3D打印等为主。目前能够实现商品化的打印材料有光敏树脂、橡胶类材料、工程塑料、金属材料、陶瓷材料以及其他医用材料。

3D打印突破了传统加工模式，不需要机械加工设备即可快速制造各类形状复杂的工件，不仅缩短了新产品的研制周期，而且降低了新产品的开发成本，其工作效率远远大于数控机床。由于其本身具有降维制造、数字制造和堆积制造的特点，理论上可以打印任何复杂形状的工件并且不需要提前设计模具，使得制造过程更加柔性化。多种类型的材料商品化，使得3D打印具有制造各类领域产品的优势，尤其是SLS激光粉末烧结成型技术的不断改善，使得加工精度和强度不断提高，已经逐步应用于航空航天领域。

通过3D打印技术可以快速打印出各种材质的复杂天线辐射单元承载体，不仅可以满足天线阵列的刚度承载要求，也大大减轻天线结构的重量。此外，3D打印生产的天线阵列载体，有利于批量生产，降低制造成本。

利用以上优势，本文方法采用“化整为零”的思想，以单个单元线阵作为子阵，采用多种方式进行“拼图”式连接。由于天线子阵可采用多种形状，故可满足天线阵列的多种样式要求。最后利用3D打印技术便于加工微小结构的特点，设计内置光纤光栅传感器的安装位置，并保护其监测性能。

发明内容

针对以上问题本发明提供了一种基于3D打印的可拼接式集成微带天线阵列结构。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构，其特征在于，包括天线子阵和天线承载骨架，天线子阵固定在天线承载骨架上。所述的天线子阵包括天线子阵保护层、天线子阵阵列和天线子阵TR组件层；天线子阵保护层覆盖在天线子阵阵列上，天线子阵TR组件层设置在天线子阵阵列下方。

天线子阵阵列由天线子阵辐射单元层和天线子阵骨架组成。

天线子阵骨架由天线子阵单元骨架拼接而成。利用其边缘的等间距通孔既可从横向或纵向任意扩展子阵单元的数量，也可以错位拼接，形成平行四边形、三角形等多种天线阵列形状。通过介质螺栓相互连接的天线子阵单元骨架，可以反复进行拆卸和组装，以满足不同的工作要求，提高重复使用率。

天线子阵辐射单元层由天线辐射单元组成。

天线辐射单元和天线子阵单元骨架组成天线子阵阵列单元，天线辐射单元固定在天线子阵单元骨架上。

所述的天线子阵单元骨架呈长方形，其上设有用于安装天线辐射单元的凹槽，凹槽深度与天线辐射单元厚度一致；每个凹槽中心有一个通孔；天线子阵单元骨架两侧平行的长边边缘上各设有等间距的螺栓孔Ⅰ；在天线子阵单元骨架另外两侧平行的短边边缘上各设有等间距的螺栓孔Ⅱ。

在天线子阵单元骨架长边边缘上，且位于天线单元的上方或者下方刻有微型孔槽，该微型孔槽直径大于光纤直径0.3mm，且微型孔槽出口处填充有液体固化胶。

所述子阵单元骨架采用拼接式方案设计，其边缘连接部分采用两种方式设计：

所述的第一种方式，天线子阵单元骨架两侧平行的长边边缘及两侧平行的短边边缘均为呈阶梯状，两块骨架间边缘相互搭配通过粘接或者介质螺栓连接；

所述的第二种方式，天线子阵单元骨架两侧平行的长边边缘分别呈夹层、夹片状，两侧平行的短边边缘也分别呈夹层、夹片状；夹层一侧的上下边都设有的螺纹孔Ⅰ，且螺纹孔Ⅰ的位置及数量相同；两块骨架间边缘相互插接通过粘接或者介质螺栓连接。

所述的天线承载骨架上设有凹槽，每个凹槽中间部分全部打通，在凹槽底部边缘设有天线子阵固定螺栓孔；在凹槽侧边上开有光纤光栅通道微孔。

所述的天线辐射单元为微带天线单元或平面螺旋天线单元。

所述天线子阵单元骨架的制造工艺如下：将设计的天线子阵单元骨架3D模型转成STL文件；然后根据天线样件的工作环境，选用机械强度大，耐高温的尼龙或ABS树脂材料，对上述材料进行切片处理；采用SLS激光烧结技术上机打印；单元骨架成型后进行酒精浸泡，软化支撑体进行去除操作；最后对单元骨架进行打磨、涂漆。

有益效果：本发明采用3D打印技术中的SLS激光烧结成型工艺生产天线载体，生产效率高，成本低，载体单元强度大，物理性能优越。本发明通过天线子阵单元骨架的拼接来组成天线子阵骨架，满足天线阵列的多组合要求，灵活性高、重构性强，可提高利用率。本发明所用的天线子阵骨架体积小，节约空间资源，便于安置，降低载体重量。

附图说明

图1是本发明应用于机翼的整体效果图；

图2是图1中所示天线整体结构的示意图；

图3是图2中的天线整体结构的爆炸示意图；

图4是图3中的天线子阵的爆炸示意图；

图5是图3中的天线子阵阵列结构的示意图；

图6是图5中天线子阵阵列结构的爆炸示意图；

图7是图6中天线子阵骨架的装配示意图；

图7-1与7-2分别是图7的变形组合形式之一；

图8是图7中的第一类子阵单元骨架连接方式示意图；

图9是图8中的第一类子阵单元骨架的示意图；

图10是图7中的第二类子阵单元骨架连接方式示意图；

图11是图10中的第二类子阵单元骨架示意图；

图12是图3中的天线承载骨架的示意图；

图13是图12中的天线承载骨架的局部示意图；

图14是本发明所述天线结构中天线子阵单元骨架的制造工艺流程图。

图中附图标记的含义：1-天线子阵，1-1-天线子阵保护层，1-2-天线子阵辐射单元层，1-3-天线子阵骨架，1-4-天线子阵TR组件层，2-天线子阵阵列单元，3-天线辐射单元，4-天线子阵单元骨架，4-1-子阵单元骨架横向连接螺栓孔，4-2-子阵单元骨架纵向连接螺栓孔，4-3-天线辐射单元固定螺栓孔，4-4-子阵单元骨架微型孔槽，4-5-子阵单元骨架方形通孔，5-天线承载骨架，5-1-天线子阵的固定螺栓孔，5-2-光纤光栅通道孔(微孔)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1、2所示，本发明提供了一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构，包括天线子阵1和天线承载骨架5，天线子阵1固定在天线承载骨架5上。

如图3、4所示，所述的天线子阵1包括天线子阵保护层1-1、天线子阵阵列和天线子阵TR组件层1-4；作为天线子阵保护层1-1的蒙皮覆盖在天线子阵阵列上方，用以保护天线子阵辐射单元和加固天线子阵单元骨架间的连接，采用一体化复合工艺进行复合加工。天线子阵TR组件层1-4设置在天线子阵阵列下方。

如图5、6、7、7-1、7-2所示，天线子阵阵列由天线子阵辐射单元层1-2和天线子阵骨架1-3组成；天线子阵骨架1-3由天线子阵单元骨架4拼接而成。天线子阵辐射单元层1-2由天线辐射单元3(微带天线单元或平面螺旋天线单元)组成。天线辐射单元和天线子阵单元骨架4组成天线子阵阵列单元，天线辐射单元3固定在天线子阵单元骨架4上。

如图7、7-1、7-2所示，天线子阵骨架由16块天线子阵单元骨架组成。构成8×8的天线子阵骨架，此外根据所要求的m×n的天线阵列面可以自由组合天线子阵骨架，用以承载天线单元以及植入光纤光栅。

如图8至11所示，是两类天线子阵单元骨架和拼接方式。

两类天线子阵单元骨架相同点是呈长方形，其上有四个方形凹槽，凹槽深度与天线子阵辐射单元厚度一致，可以放置1×4个天线单元，其表面平整，便于布置光栅。每个凹槽中心有一个方形通孔4-5，用以通过控制线路。每个凹槽四个角方位上有四个螺栓孔Ⅲ4-3，当用粘接方式固定天线子阵辐射单元时，四个螺栓孔Ⅲ可以用以定位，当使用介质螺栓固定天线子阵辐射单元时，四个螺栓孔Ⅲ用以通过螺栓对天线子阵辐射单元进行固定。两类天线子阵单元骨架两侧平行的长边边缘均有8个等间距螺栓孔Ⅰ4-2，另外两侧平行的短边边缘均有两个等间距螺栓孔Ⅱ4-1，这些螺栓孔用以天线子阵单元骨架的纵向或者横向连接，等间距打孔设计的优势是天线子阵单元骨架进行拼接时，相邻天线子阵单元骨架的上下边缘及左右边缘的螺栓孔间距恒等不变，这样可以进行交错式拼接，重构而成的天线子阵骨架既可以满足矩形形状，也可以满足平行四边形、不规则图形等多种形状(见附图7-1和7-2)。与天线子阵单元骨架长边平行(顺应变形主方向，适合传感器布局)，位于天线单元的上方或者下方刻有微型孔槽4-4，该微型孔槽直径接近且大于光纤直径(0.265mm)约0.3mm，用于植入光纤光栅传感器，可以限制光纤光栅传感器的位移，并对植入光纤的天线子阵单元骨架连接边缘的孔槽出口处进行密封处理(填充液体固化胶)，加强光纤约束，该孔槽位置依据实际情况可在不同位置刻画，本发明只展示一种位置(见附图9、11)。

两类天线子阵单元骨架的不同点是上下边缘及左右边缘形状不同：

第一类天线子阵单元骨架如图9，天线子阵单元骨架4两侧平行的长边边缘呈阶梯状，另外两侧平行的短边边缘也呈阶梯状，两块天线子阵单元骨架拼接方式如图8，其优点是连接处刚度强。

第二类天线子阵单元骨架如图11所示，天线子阵单元骨架4两侧平行的长边边缘一侧呈夹层状、另一侧呈夹片状；天线子阵单元骨架4另外两侧平行的短边边缘一侧呈夹层状、另一侧呈夹片状；两块天线子阵单元骨架拼接方式如图10所示。其优点是连接稳固。

如图12、13所示，是天线承载骨架5的结构示意图。该骨架外形可以取决于天线安置空间，用以安置天线阵列和引出光纤光栅信号线路。本天线承载骨架5呈矩形，其上有六个凹槽，用以放置成型的天线子阵，每个凹槽中间部分全部打通，用以通过天线子阵的天线辐射单元控制线路。其局部细节如图13，凹槽底部边缘四边均布有天线子阵固定螺栓孔5-1用以固定天线子阵，侧面的光纤光栅通道孔(微孔)5-2用来引出光纤光栅信号线。

如图14所示，是本发明所述天线子阵单元骨架的制造工艺流程图。将设计的天线子阵单元骨架3D模型转成STL文件；然后根据天线样件的工作环境，选用机械强度大，耐高温的尼龙或ABS树脂材料，对上述材料进行切片处理；采用SLS激光烧结技术上机打印；单元骨架成型后进行酒精浸泡，软化支撑体进行去除操作；最后对单元骨架进行打磨、涂漆。

一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构的制作过程如下：

采用尼龙或尼龙碳纤维材料，选用SLS激光烧结成型工艺制造天线子阵单元骨架，天线辐射单元可通过铆接或者粘接的方式嵌入在天线子阵单元骨架的安置槽内；

所述的天线子阵骨架由前述的子阵单元骨架拼接而成，依靠定位通孔，可使用拼接或者粘接方式连接；

光纤光栅传感器通过植入天线子阵单元骨架的微型孔槽的方式布置，再对天线子阵单元骨架两端的微型孔槽密封处理；

所述的天线子阵保护层采用透波材料制作，耐磨损，用固体胶复合在天线子阵阵列表面，保护天线子阵阵列单元，提高结构稳固性。

所述的光纤光栅传感器植入天线子阵单元骨架的微型孔槽的具体方式如下：所述的微型孔槽通过3D打印技术在天线子阵单元骨架内部刻画，该微型孔槽直径接近且大于光纤直径(0.265mm)约0.3mm；

所述的微型孔槽轴线与天线子阵单元骨架长边平行(顺应变形主方向，适合传感器布局)，可根据传感器布局情况确定刻画孔槽的位置，附图中展示其中一种位置，随天线子阵单元骨架的扩展可连续布置；

所述的光纤光栅传感器通过前述的微型孔槽，用以限制位移，并对植入光纤的天线子阵单元骨架连接边缘的孔槽出口处进行密封处理(采用液体固化胶填充)，加强光纤约束；

所述的光纤光栅传感器的信号传输线沿着天线承载骨架的边缘微孔伸出，连接外部的信息处理装置。

利用3D打印技术对天线载体进行加工制造，由于天线载体需要满足较大的承载能力，并且可能在恶劣环境中服役，所以其必须具备高强度、韧性好、耐高温以及高精度等特点。通过市场观察和反复试验，尼龙材料物理性能佳，可以承受179℃高温，抗弯曲强度大，对天线单元辐射干涉小，适用于实验。SLS激光烧结成型技术的打印精度为0.1mm，满足子阵单元装配精度，并且已经在航空航天领域得到广泛应用。最终确定采用尼龙或尼龙碳纤维材料，通过SLS激光烧结成型技术打印制造子阵单元骨架。该天线阵列结构不仅能够满足大天线阵列的多种形状、尺寸要求，而且能够自由增加、减少子阵单元的数量，多次重构新的天线阵列，同时能够嵌入光纤光栅应变传感器以实现天线阵列振动和变形的实时监测。

Claims (7)

1.一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构，其特征在于，包括天线子阵和天线承载骨架，天线子阵固定在天线承载骨架上；

所述的天线子阵包括天线子阵保护层、天线子阵阵列和天线子阵TR组件层；天线子阵保护层覆盖在天线子阵阵列上，天线子阵TR组件层设置在天线子阵阵列下方；

天线子阵阵列由天线子阵辐射单元层和天线子阵骨架组成；

天线子阵骨架由天线子阵单元骨架拼接而成；

天线子阵辐射单元层由天线辐射单元组成；

天线辐射单元和天线子阵单元骨架组成天线子阵阵列单元；天线辐射单元固定在天线子阵单元骨架上；

所述的天线子阵单元骨架呈长方形，其上设有用于安装天线辐射单元的凹槽，凹槽深度与天线辐射单元厚度一致；每个凹槽中心有一个通孔；天线子阵单元骨架两侧平行的长边边缘上各设有等间距的螺栓孔Ⅰ；在天线子阵单元骨架另外两侧平行的短边边缘上各设有等间距的螺栓孔Ⅱ;

所述的天线子阵单元骨架制作时：

将设计的天线子阵单元骨架3D模型转成STL文件；

然后根据天线样件的工作环境，选用机械强度大，耐高温的尼龙或ABS树脂材料，对上述材料进行切片处理；

采用SLS激光烧结技术上机打印；

单元骨架成型后进行酒精浸泡，软化支撑体进行去除操作；

最后对单元骨架进行打磨、涂漆。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构，其特征在于，所述的天线子阵单元骨架（4）上的凹槽为n个方形凹槽，可以放置1×n个天线单元，n≥4；每个凹槽四个角方位上有螺栓孔Ⅲ。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构，其特征在于，在天线子阵单元骨架（4）长边边缘上，且位于天线辐射单元的一侧刻有微型孔槽，该微型孔槽直径为0.3mm，且微型孔槽出口处填充液体胶完成密封状态。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构，其特征在于，所述的天线子阵单元骨架两侧平行的长边边缘

呈阶梯状，另两侧平行的短边边缘也呈阶梯状。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构，其特征在于，所述的天线子阵单元骨架两侧平行的长边边缘分别呈夹层、夹片状，另两侧平行的短边边缘也分别呈夹层、夹片状；夹层一侧的上下边缘都设有螺纹孔Ⅰ，且螺纹孔Ⅰ的位置及数量相对。

6.根据权利要求1所述的一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构，其特征在于，天线承载骨架上设有凹槽，每个凹槽中间部分全部打通，在凹槽底部边缘设有天线子阵固定螺栓孔；在凹槽侧边上开有光纤光栅通道微孔。

7.根据权利要求1所述的一种基于三维打印的智能蒙皮天线结构，其特征在于，所述的天线子阵辐射单元层为微带天线单元或平面螺旋天线单元。

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