CN108123228B - 一种曲面频率选择表面阵列的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及FSS天线罩制作技术领域，具体公开一种曲面频率选择表面阵列的制作方法。制作方法包括步骤：S1、通过三维建模软件对基底介质壳体及三维曝光掩膜壳体分别进行三维建模；S2、分别输入3D打印设备中成型；S3、基底介质壳体外表面涂覆光刻胶，将三维曝光掩膜壳体附于成型的基底介质壳体上，使两层壳体紧密贴合，通过曝光设备进行曝光处理；S4、对基底介质壳体进行显影处理，清洗、干燥；S5、在处理后的基底介质壳体表面制备金属膜层，用去胶液去除剩余的光刻胶，清洗、干燥。本发明的制作方法既可以制作开孔单元阵列，也可以制作贴片单元阵列，具有较好的通用性。

Description

一种曲面频率选择表面阵列的制作方法

技术领域

本发明涉及FSS天线罩制作技术领域，特别涉及一种曲面频率选择表面阵列的制作方法。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surfaces，简称FSS)是由周期排列的金属图形单元构成的新型人工电磁材料，它具有空间滤波的功能，最重要的应用领域是FSS天线罩。FSS天线罩能够对己方雷达工作频段透明，而对敌方探测雷达频段屏蔽，是武器装备雷达导引头舱对雷达隐身的首选技术途径。以美国为首的各军事强国已将该项技术应用于隐身战机、导弹和舰船上，但对核心技术均严格保密。而国内目前的应用则寥寥无几，复杂曲面FSS衬罩加工难是制约其工程应用的主要瓶颈，曲面FSS阵列制作尤为困难。

曲面FSS阵列壳体是FSS天线罩的重要组成部分，与介质基底罩随形复合在一起，其图形单元及排布的精度对FSS天线罩谐振频率、带宽等关键指标影响很大。对于简单直锥外形天线罩，采用柔性膜转移法即可获得曲面FSS阵列，即采用平面工艺在柔性薄膜上制作FSS阵列，再将其贴覆在曲面介质上。然而对于大多数不可展开成平面的天线罩外形如球形、椭球形及其它异形结构而言，这种方法则意味着更多的分片和褶皱，进而导致电性能劣化。研究者们还尝试了柔性膜热塑成型反贴法、机器人数字化加工法等，但效果均不理想，存在精度低、效率低及可靠性差等问题。

CN103395205B中公开了一种立体打印技术制作曲面频率选择表面的方法。该方法将曲面FSS模型输入到立体打印机，以非金属材料为打印材料进行快速成型，然后将表面进行金属化得到曲面FSS阵列壳体。该方法虽然在形成曲面FSS图形阵列时具有直接、快捷的优势，但只能够制作简单的开孔单元阵列，如Y孔、圆孔、方孔等，无法制作贴片型FSS曲面单元阵列，因此具有一定的局限性。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种新的曲面频率选择表面阵列的制作方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种曲面频率选择表面阵列的制作方法，所述制作方法包括步骤：

S1、通过三维建模软件对基底介质壳体及三维曝光掩膜壳体分别进行三维建模，基底介质壳体与三维曝光掩膜壳体的外形轮廓满足共形条件，得到基底介质壳体模型和三维曝光掩膜壳体模型；

S2、将所述基底介质壳体模型和所述三维曝光掩膜壳体模型分别输入3D打印设备中成型，得到所述基底介质壳体和所述三维曝光掩膜壳体；

S3、在成型的基底介质壳体外表面涂覆光刻胶，将成型的三维曝光掩膜壳体附于成型的基底介质壳体上，使两层壳体紧密贴合；通过曝光设备进行曝光处理；

S4、将所述三维曝光掩膜壳体取下，对所述基底介质壳体进行显影处理，清洗、干燥；

S5、在处理后的基底介质壳体表面制备金属膜层，用去胶液去除剩余的光刻胶，清洗、干燥，得到所述曲面频率选择表面阵列。

优选的，所述步骤S1中，所述三维曝光掩膜壳体为排布着镂空图形阵列的介质壳体；所述三维曝光掩膜壳体的厚度为0.2mm～10mm；所述基底介质壳体的厚度为0.5mm～40mm。

优选的，所述步骤S2还包括：对所述三维曝光掩膜壳体和所述基底介质壳体分别进行后续加工处理，所述后续加工处理包括对所述基底介质壳体的内表面和所述三维曝光掩膜壳体的外表面进行打磨。

优选的，所述曲面频率选择表面阵列为开孔型曲面频率选择表面阵列，所述步骤S3中涂覆的光刻胶为负性光刻胶。

优选的，所述曲面频率选择表面阵列为贴片型曲面频率选择表面阵列，所述步骤S3中涂覆的光刻胶为正性光刻胶。

优选的，将所述基底介质壳体模型和所述三维曝光掩膜壳体模型分别输入3D打印设备中成型的方法包括熔融堆积成型、紫外光固化成型、喷射成型、激光选区熔融或激光选区烧结。

优选的，所述成型的三维曝光掩膜壳体的材料选自环氧类光敏树脂、环氧类光敏树脂改性材料、丙烯酸类光敏树脂、丙烯酸类光敏树脂改性材料、尼龙、尼龙改性材料、聚醚醚酮或聚醚醚酮改性材料中的至少一种；所述成型的基底介质壳体的材料选自环氧类光敏树脂、环氧类光敏树脂改性材料、丙烯酸类光敏树脂、丙烯酸类光敏树脂改性材料、尼龙、尼龙改性材料、聚醚醚酮或聚醚醚酮改性材料、ABS树脂、聚碳酸酯、橡胶类材料或金属中的至少一种。

优选的，所述成型的三维曝光掩膜壳体的材料为透紫外光型材料时，在步骤S3之前，对所述成型的三维曝光掩膜壳体进行不透紫外光处理；所述不透紫外光处理的方法包括在所述成型的三维曝光掩膜壳体外表面镀金属膜、喷涂对紫外光不透明的涂料或刷涂对紫外光不透明的涂料。

优选的，所述步骤S5中制备金属膜层采用的金属选自Cu、Al、Au、Ag、Ni或Pt中的至少一种；制备金属膜层的方法包括真空镀膜、喷涂或刷涂金属浆料。

优选的，所述曲面频率选择表面阵列为Y形、十字形、圆形、方形、六边形、雪花形或三角形。

本发明的有益效果在于：本发明的曲面FSS阵列制作方法与现有技术中，通过柔性膜转移、激光刻蚀等方法制作曲面FSS阵列相比，曲面FSS阵列加工不再受限于外形的复杂程度，可以制作任意复杂外形的曲面FSS阵列；FSS图形单元的选择也不再受限于开孔单元，可以制作贴片单元阵列，通用性更强；而且可以同时成型FSS衬罩中的介质基底壳体和三维曝光掩膜壳体，二者匹配性更好。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2开孔单元FSS壳体示意图。

图3为开孔单元FSS壳体加工流程图。

图4贴片单元FSS壳体示意图。

图5为贴片单元FSS壳体加工流程示意图。

1—三维曝光掩膜壳体；2—介质基底壳体；3—金属层；4—圆孔单元；

5—不透紫外光处理后的三维曝光掩膜壳体；6—负性光刻胶；

7—曝光显影后的负光刻胶；8—覆有薄金属层的负性光刻胶；

9—圆贴片单元；10—正性光刻胶；11—曝光显影后的正性光刻胶；

12—覆有薄金属层的正性光刻胶。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提供一种曲面FSS阵列的制作方法，具体提供一种基于3D打印技术制作复杂曲面FSS阵列的方法，即采用3D打印工艺方法成型曲面基底介质壳体以及与其外表面共形的三维曝光掩膜壳体，然后采用光刻、镀膜、喷涂等工艺在曲面基底介质壳体上形成周期排布的金属图形阵列，制备出曲面FSS阵列。

制作方法的具体步骤如下：

(1)以UG、AutoCAD、Solidworks等软件对基底介质壳体及三维曝光掩膜壳体进行三维建模，二者的外形轮廓满足共形条件，三维曝光掩膜壳体为基底介质壳体上按周期排布的镂空图形阵列，这些图形可以是任意一种FSS单元图形，包括但不限于Y孔、十字孔、圆孔、方孔、六边形孔、雪花孔、三角形孔等等。基底介质壳体的厚度优选在0.5mm～40mm范围内，三维曝光掩膜壳体的厚度优选在0.2～10mm范围内。

(2)将基底介质壳体模型文件输入3D打印设备进行成型，得到基底介质壳体。用于天线罩的3D打印材料对耐温、材料介电常数及损耗正切有一定要求，以工程塑料为主，优选的，可选自各种环氧类和丙烯酸类光敏树脂、尼龙、聚醚醚酮(PEEK)及其改性材料等。具体所采用的3D打印工艺可以是熔融堆积成型(FDM)，紫外光固化成型(SLA、DLP)、喷射成型(Polyjet)、激光选区熔融(SLM)、激光选区烧结(SLS)等。在一些情况下，优选的，可针对基底介质壳体进行适度的后续加工，如对外表面进行打磨以降低粗糙度，有利于和三维曝光掩膜壳体覆形。

(3)将三维曝光掩膜壳体模型文件输入3D打印设备进行成型，得到三维曝光掩膜壳体。三维曝光掩膜壳体材料的选择范围比基底介质壳体更广泛，除了成型基底介质壳体能够使用的上述材料外，还可以采用ABS树脂、PC、橡胶类材料以及金属粉末材料。采用的3D打印工艺与打印壳体的工艺基本相同，但由于FSS图形阵列对精度的要求比基底介质基底精度要求要高，因此优选选用成型精度相对高的3D打印工艺和设备。在一些情况下，优选的，也可针对三维曝光掩膜壳体的内表面进行适度的后续加工，如对其内表面进行打磨以降低粗糙度，有利于和介质基底壳体覆形。

如三维曝光掩膜壳体选用的材料是透紫外光的，则还需对其进行不透紫外光处理，可以在壳体外表面镀金属膜，或喷涂对紫外光不透明的涂料；如三维曝光掩膜壳体选用的材料对紫外光不透明，如金属材料等，则可以直接使用。

(4)根据FSS单元情况，在基底介质壳体外表面涂覆正性光刻胶或负性光刻胶，正性光刻胶或负性光刻胶涂覆的厚度优选为1um～20um；涂覆方式可采用喷涂、旋涂、刷涂等方式，需保证涂覆厚度适中且各处均匀，然后进行后续烘干处理。具体的，如制作开孔型FSS单元阵列，则在基底介质壳体外表面涂覆负性光刻胶；如制作贴片型FSS单元阵列，则在基底介质壳体外表面涂覆正性光刻胶；需保证涂覆厚度适中且各处均匀，然后进行后续曝光处理。

(5)将三维曝光掩膜壳体套在基底介质壳体外面，进行调整使两层壳体紧密贴合，然后进行曝光处理，具体通过曝光设备透过三维曝光掩膜壳体对基底介质壳体进行曝光处理，基底介质壳体上未被三维曝光掩膜壳体遮挡的光刻胶部分被曝光。

(6)将三维曝光掩膜壳体取下，对基底介质壳体进行显影处理，之后清洗烘干。对于正性光刻胶，基底介质壳体表面经紫外光照射的部分被去除；对于负性光刻胶，基底介质壳体表面未经紫外光照射的部分被去除。

(7)在处理后的基底介质壳体表面制备金属膜层，金属膜层的厚度优选为2um～18um；可用的金属材料有Cu、Al、Au、Ag、Ni、Pt等，可采取的工艺有真空镀膜、喷涂或刷涂金属浆料等。

(8)用去胶液将剩余的光刻胶去除，清洗烘干后即完成曲面FSS阵列的制作。具体的，去胶液可为浓度约为2％的氢氧化钠溶液。

以上制作方法同时适用于开孔型或贴片型FSS单元阵列的制作，制作开孔型FSS单元阵列时需使用负性光刻胶，制作贴片型FSS单元阵列时需使用正性光刻胶。

本发明的制作方法制作的曲面频率选择表面阵列可为Y形、十字形、圆形、方形、六边形、雪花形或三角形等。具体的，制作开孔型FSS单元阵列时可以制得Y孔型、十字孔型、圆孔型、方孔型、六边形孔型、雪花孔型或三角形孔型FSS单元阵列；制作贴片型FSS单元阵列时可以制得Y贴片型、十字贴片型、圆贴片型、方贴片型、六边形贴片型、雪花贴片型、三角形贴片型FSS单元阵列。

下面结合附图和两个实施例对本发明进行进一步说明，附图进行了简化处理，采用平面FSS单元阵列结构替代对应的曲面FSS阵列结构，可以起到同样的示意作用。

图1为本发明的原理性示意图，本发明的制作方法制作曲面FSS阵列的核心技术是将三维曝光掩膜壳体1随形附于介质基底壳体2外侧进行曝光。

直接通过3D立体打印成型的方法往往只能获得连续的自支撑壳体，形成开孔型单元阵列，但对于不连续的贴片型单元阵列制作却无法适用。本发明的制作方法既可以制作开孔型FSS单元阵列，也可以制作贴片型FSS单元阵列，具有较好的通用性。

两个实施例分别针对开孔型FSS单元阵列和贴片型FSS单元阵列的制作方法予以详细介绍，由于无论是哪种类型的FSS单元阵列，其基底介质壳体的制作流程都是一致的，因此先对基底介质壳体的加工流程做统一描述。

基底介质壳体的加工

(1)用Solidworks软件依据天线罩外形结构要求进行基底介质壳体的三维建模，该实施例中，介质基底壳体厚度为2mm。

(2)以PEEK丝材为模型材料，采用熔融沉积工艺(FDM)打印模型。将模型输入FDM3D打印设备，设置适当的摆放角度和支撑结构，进行模型的逐层切片、逐层成型；

(3)去除支撑材料并清洗烘干；对模型进行表面打磨等后续处理；则基底介质壳体2加工完毕。

实施例1

本实施例是在上述基底介质壳体2上形成圆形开孔型(简称圆孔)曲面FSS阵列，如图2所示，在基底介质壳体2上附着金属层3，在金属层3上形成圆孔单元4排布的阵列，主要制作工艺流程如图3所示，具体包括以下步骤：

(1)用Solidworks软件对三维曝光掩膜壳体1进行建模，三维曝光掩膜壳体1分布着镂空圆孔，该圆孔尺寸与最终形成的圆孔单元4尺寸一致；三维曝光掩膜壳体1与基底介质壳体2的外表面覆形，本实施例中三维曝光掩膜壳体1的厚度为0.5mm；

(2)以光敏树脂为原材料，采用立体光固化(SLA)工艺打印掩膜壳体。将模型文件输入SLA打印设备，设置适当的摆放角度和支撑结构，进行模型的逐层切片、逐层成型；去除支撑材料并清洗烘干；对模型进行表面打磨等后续处理得到三维曝光掩膜壳体1；

(3)在三维曝光掩膜壳体1的外表面镀制镍膜，获得不透紫外光处理后的三维曝光掩膜壳体5，该壳体非镂空部分对紫外光不透明；

(4)在基底介质壳体2上喷涂负性光刻胶6，喷涂的负性光刻胶6的胶层厚度约为10um，烘干处理后待用；

(5)将不透紫外光处理后的三维曝光掩膜壳体5附于基底介质壳体2的外表面，通过调整使两层壳体紧密贴合，然后采用曝光设备对壳体各处进行曝光；

(6)将不透紫外光处理后的三维曝光掩膜壳体5取下，对基底介质壳体2进行显影处理，基底介质壳体2表面未经紫外光照射的部分被显影液去除，基底介质壳体2上还有曝光显影后的负光刻胶7；

(7)在处理后的基底介质壳体2表面镀制铜膜3，控制铜膜3的膜层厚度为6um，在基底介质壳体2上还有覆有薄金属层的负性光刻胶8；

(8)针对镀铜膜3后的基底介质壳体2进行去胶处理，即用去胶液将剩余的光刻胶去除，清洗烘干后即完成曲面圆孔FSS阵列制作。

实施例2

本实施例是在上述基底介质壳体2上形成圆形贴片型(简称圆贴片)FSS阵列，如图4所示，在基底介质壳体2上制备圆贴片单元9排布的阵列，主要工艺流程如图5所示，具体包括以下步骤：

(1)用Solidworks软件对三维曝光掩膜壳体1进行建模，三维曝光掩膜壳体1分布着镂空圆孔，该圆孔尺寸与最终形成的圆贴片单元9尺寸一致；三维曝光掩膜壳体1与基底介质壳体2的外表面覆形，本实施例中三维曝光掩膜壳体1的厚度为0.5mm；

(2)以光敏树脂为原材料，采用立体光固化(SLA)工艺打印掩膜壳体。将模型文件输入SLA打印设备，设置适当的摆放角度和支撑结构，进行模型的逐层切片、逐层成型；去除支撑材料并清洗烘干；对模型进行表面打磨等后续处理得到三维曝光掩膜壳体1；

(3)在三维曝光掩膜壳体1的外表面镀制镍膜，不透紫外光处理后的三维曝光掩膜壳体5，该壳体非镂空部分对紫外光不透明；

(4)在基底介质壳体2上喷涂正性光刻胶10，喷涂的正性光刻胶10的胶层厚度约为10um，烘干处理后待用；

(5)将不透紫外光处理后的三维曝光掩膜壳体5附于基底介质壳体2的外表面，通过调整使两层壳体紧密贴合，然后采用曝光设备对壳体各处进行曝光；

(6)将不透紫外光处理后的三维曝光掩膜壳体5取下，对基底介质壳体2进行显影处理，基底介质壳体2表面未经紫外光照射的部分被显影液去除，基底介质壳体2上还有显影后的正性光刻胶11；

(7)在处理后的基底介质壳体2表面镀制铜膜3，控制铜膜3的膜层厚度为6um，在基底介质壳体2上还有覆有薄金属层的正性光刻胶12；

(8)针对镀铜膜3后的基底介质壳体2进行去胶处理，即用去胶液将剩余的光刻胶去除，清洗烘干后即完成曲面圆贴片FSS阵列制作。

本发明的曲面FSS阵列制作方法与现有技术中，通过柔性膜转移、激光刻蚀等方法制作曲面FSS阵列相比，曲面FSS阵列加工不再受限于外形的复杂程度，可以制作任意复杂外形的曲面FSS阵列；FSS图形单元的选择也不再受限于开孔单元，可以制作贴片单元阵列；而且可以同时成型FSS衬罩中的介质基底壳体和三维曝光掩膜壳体，使二者匹配性更好。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种曲面频率选择表面阵列的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括步骤：

S1、通过三维建模软件对基底介质壳体及三维曝光掩膜壳体分别进行三维建模，基底介质壳体与三维曝光掩膜壳体的外形轮廓满足共形条件，得到基底介质壳体模型和三维曝光掩膜壳体模型；

S2、将所述基底介质壳体模型和所述三维曝光掩膜壳体模型分别输入3D打印设备中成型，得到所述基底介质壳体和所述三维曝光掩膜壳体；

S3、在所述基底介质壳体外表面涂覆光刻胶，将所述三维曝光掩膜壳体附于所述基底介质壳体上，使两层壳体紧密贴合；通过曝光设备进行曝光处理；

S4、将所述三维曝光掩膜壳体取下，对所述基底介质壳体进行显影处理，清洗、干燥；

S5、在处理后的基底介质壳体表面制备金属膜层，用去胶液去除剩余的光刻胶，清洗、干燥，得到所述曲面频率选择表面阵列；

所述成型的三维曝光掩膜壳体的材料为透紫外光型材料时，在步骤S3之前，对所述成型的三维曝光掩膜壳体进行不透紫外光处理；所述不透紫外光处理的方法包括在所述成型的三维曝光掩膜壳体外表面镀金属膜、喷涂对紫外光不透明的涂料或刷涂对紫外光不透明的涂料。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述三维曝光掩膜壳体为排布着镂空图形阵列的介质壳体；所述三维曝光掩膜壳体的厚度为0.2mm～10mm；所述基底介质壳体的厚度为0.5mm～40mm。

3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：对所述三维曝光掩膜壳体和所述基底介质壳体分别进行后续加工处理，所述后续加工处理包括对所述基底介质壳体的内表面和所述三维曝光掩膜壳体的外表面进行打磨。

4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述曲面频率选择表面阵列为开孔型曲面频率选择表面阵列，所述步骤S3中涂覆的光刻胶为负性光刻胶。

5.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述曲面频率选择表面阵列为贴片型曲面频率选择表面阵列，所述步骤S3中涂覆的光刻胶为正性光刻胶。

6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，将所述基底介质壳体模型和所述三维曝光掩膜壳体模型分别输入3D打印设备中成型的方法包括熔融堆积成型、紫外光固化成型、喷射成型、激光选区熔融或激光选区烧结。

7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述成型的三维曝光掩膜壳体的材料选自环氧类光敏树脂、环氧类光敏树脂改性材料、丙烯酸类光敏树脂、丙烯酸类光敏树脂改性材料、尼龙、尼龙改性材料、聚醚醚酮或聚醚醚酮改性材料中的至少一种；所述成型的基底介质壳体的材料选自环氧类光敏树脂、环氧类光敏树脂改性材料、丙烯酸类光敏树脂、丙烯酸类光敏树脂改性材料、尼龙、尼龙改性材料、聚醚醚酮或聚醚醚酮改性材料、ABS树脂、聚碳酸酯、橡胶类材料或金属中的至少一种。

8.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S5中制备金属膜层采用的金属选自Cu、Al、Au、Ag、Ni或Pt中的至少一种；制备金属膜层的方法包括真空镀膜、喷涂或刷涂金属浆料。

9.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述曲面频率选择表面阵列为Y形、十字形、圆形、方形、六边形、雪花形或三角形。

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