CN108134209B - 一种环形单元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，具体公开一种环形单元曲面频率选择表面阵列的制作方法。制作方法包括建模后3D打印成型，以及先形成外围开孔阵列，再形成中心贴片阵列等步骤。本发明的制作方法可以在任意复杂外形曲面介质上制作环形单元FSS阵列，如Y环、圆环、方环、十字环等。

Description

一种环形单元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，特别涉及一种环形单元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，无法制作相对复杂的环形单元单元FSS阵列，对应的如Y环、圆环、方环等，因此没有从根本上解决复杂曲面FSS阵列的加工难题。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种环形单元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，本发明提供一种环形单元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、第一掩膜壳体和第二掩膜壳体分别进行三维建模，设置基底介质壳体、第一掩模壳体和第二掩模壳体三者之间的对位靶标，得到基底介质壳体模型、第一掩膜壳体模型和第二掩膜壳体模型；

S2、将所述基底介质壳体模型、所述第一掩膜壳体模型和第二掩膜壳体模型分别输入3D打印设备中成型，得到基底介质壳体、第一掩膜壳体和第二掩膜壳体；

S3、在所述基底介质壳体外表面涂覆负性光刻胶，将所述第一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；曝光后，将第一掩膜壳体取下，对基底介质壳体进行显影处理，清洗、干燥；在处理后的基底介质壳体表面制备第一金属膜层，用去胶液去除剩余的负性光刻胶，清洗、干燥，形成外围开孔单元频率选择表面阵列；

S4、基底介质壳体外表面涂覆正性光刻胶，将第二掩膜壳体附于基底介质壳体上，使两层壳体紧密贴合，通过曝光设备进行曝光处理；曝光后，将第二掩膜壳体取下，对基底介质壳体进行显影处理，清洗、干燥；在处理后的基底介质壳体表面制备第二金属膜层，用去胶液去除剩余的正性光刻胶，清洗、干燥，形成环形单元频率选择表面阵列。

优选的，所述基底介质壳体的厚度为0.5mm～40mm。

优选的，所述第一掩膜壳体的厚度为0.2mm～10mm；所述第二掩膜壳体的厚度为0.2mm～10mm。

优选的，所述步骤S2还包括：对第一掩膜壳体、第二掩膜壳体以及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底介质壳体的外表面、第一掩膜壳体的内表面和第二掩膜壳体的内表面进行打磨。

优选的，将所述基底介质壳体模型、所述第一掩膜壳体模型和第二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中的至少一种。

优选的，所述第一掩膜壳体和第二掩膜壳体的材料均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，所述第一掩膜壳体和/或第二掩膜壳体的材料为透紫外光型材料时，在步骤S3之前，对第一掩膜壳体和/或第二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S3中制备第一金属膜层和步骤S4制备第二金属膜层采用的金属均选自Cu、Al、Au、Ag、Ni或Pt中的至少一种；制备第一金属膜层和第二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，所述环形单元曲面频率选择表面阵列为Y环、十字环、圆环、方环或六边环。

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，可以更好地制作任意复杂外形的曲面FSS阵列，尤其是制备任意外形的环形单元曲面FSS阵列；而且可以同时成型FSS衬罩中的基底介质壳体和掩膜壳体，使得二者匹配性更好。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为环形单元FSS壳体示意图。

图3为环形单元FSS壳体加工流程示意图。

1—掩膜壳体；2—介质基底壳体；3—金属层；4—圆孔单元；

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；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；

13—环形单元；14—基底壳上的对位靶标；15—第一掩膜壳体；

16—第一掩膜壳体上的对位靶标；17—第二掩膜壳体；

18—第二掩膜壳体上的对位靶标；

19—不透紫外光处理后的第一掩膜壳体；

20—不透紫外光处理后的第二掩膜壳体。

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。

本发明具体实施方式中提供一种基于3D打印技术制作环形单元曲面FSS阵列的方法，包括先形成外围开孔单元阵列，再形成中心贴片单元阵列，具体通过采用3D打印工艺方法成型基底介质壳体以及与基底介质壳体表面共形的三维曝光掩膜壳体，三维曝光掩膜壳体包括第一掩膜壳体和第二掩膜壳体，分别对应于FSS单元外围开孔阵列和FSS单元中心贴片阵列；然后采用光刻、镀膜、喷涂等工艺在基底介质壳体上形成周期排布的金属图形阵列，制备出环形单元曲面FSS阵列。

具体制作过程如下：

(1)以UG、AutoCAD、Solidworks等软件对基底介质壳体、第一掩膜壳体和第二掩膜壳体分别进行三维建模，基底介质壳体、第一掩膜壳体和第二掩膜壳体外形轮廓需满足共形条件，第一掩膜壳体和第二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Y孔、十字孔、圆孔、方孔形、六边形孔等。基底介质壳体的厚度优选在0.5mm～40mm范围内，第一掩膜壳体和第二掩膜壳体的厚度优选在0.2～10mm范围内。

(2)将所建立的基底介质壳体模型输入3D打印设备进行成型。可用于天线罩的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)、激光选取熔融(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，有利于与第一掩膜壳体和第二掩膜壳体覆形。

(3)将所建立的第一掩膜壳体模型和第二掩膜壳体模型文件输入3D打印设备进行成型。掩膜壳体成型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，也可针对第一掩膜壳体和第二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。

如第一掩膜壳体和第二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；如第一掩膜壳体和第二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)在基底介质壳体外表面涂覆负性光刻胶，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。将第一掩膜壳体附于基底介质壳体上，进行调整使两层壳体紧密贴合，然后采用曝光设备进行曝光处理；曝光后，将第一掩膜壳体取下，对基底介质壳体进行显影处理，之后清洗烘干。

(5)将处理后的基底介质壳体表面制备第一金属膜层，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，第一金属膜层的厚度优选为2um～18um。用去胶液将剩余的光刻胶去除，清洗烘干后得到外围开孔单元曲面FSS阵列制作。

(6)在基底介质壳体外表面涂覆正性光刻胶，正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。将第二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，然后采用曝光设备对壳体各处进行曝光处理；曝光后，将第二掩膜壳体取下，对基底介质壳体进行显影处理后清洗烘干。

(7)将处理后的基底介质壳体表面制备第二金属膜层，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，第二金属膜层的厚度优选为2um～18um。用去胶液将剩余的光刻胶去除，清洗烘干后即完成环形单元曲面FSS阵列的制作。优选的实施方式中，第一金属膜层和第二金属膜层所选用的金属材料相同；去胶液可为浓度为2％的氢氧化钠溶液。

通过本发明的制作方法能够制作出Y环、十字环、圆环、方环或六边环等各种环形单元曲面频率选择表面阵列。

下面结合附图和具体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掩膜壳体1随形附于介质基底壳体2外侧进行曝光。

如图2和图3所示，制作环形单元曲面频率选择表面阵列主要步骤是先形成外围开孔单元阵列，再形成中心贴片单元阵列，从而得到环形单元阵列；具体实施例的环形单元曲面频率选择表面阵列通过以下步骤制得：

(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，基底介质壳体2的厚度为2mm；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FDM 3D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，得到基底介质壳体2。

(2)用Solidworks软件对三维曝光掩膜壳体进行建模，包括对第一掩膜壳体15和第二掩膜壳体17两个掩膜壳体的加工处理，其中，第一掩膜壳体15对应外围开孔单元阵列，第二掩膜壳体17对应中心贴片单元阵列，两个掩膜壳体均为开孔型且与基底介质壳体覆形。

在建模过程中需要设置两个掩膜壳体与基底介质壳体之间的对位靶标，即基底介质壳体上的对位靶标14、第一掩膜壳体15上的对位靶标16以及第二掩膜壳体17上的对位靶标18，用以保障外围开孔单元和中心贴片单元同心。具体本实施例中两个掩膜壳体的厚度均为0.5mm。

(3)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成型后的第一掩膜壳体15和第二掩膜壳体17。

(4)分别在第一掩膜壳体15和第二掩膜壳体17的外表面镀镍金属膜得到不透紫外光处理后的第一掩膜壳体19和不透紫外光处理后的第二掩膜壳体20，使壳体非镂空部分对紫外光不透明。

(5)先在基底介质壳体2上喷涂负性光刻胶6，喷涂的负性光刻胶6膜层厚度约为10um，烘干后待用。

(6)将不透紫外光处理后的第一掩膜壳体19对准附于基底介质壳体2的外表面，使两层壳体紧密贴合，然后采用曝光设备进行曝光处理。

(7)曝光后，将不透紫外光处理后的第一掩膜壳体19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；在处理后的基底介质壳体2的外表面镀制金属层(铜膜)3，膜层厚度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；将镀膜后的基底介质壳体2进行去胶处理，即用去胶液将基底介质壳体2上覆有的薄金属层的负性光刻胶8去除，清洗烘干后形成外围开孔单元FSS阵列。

(8)向基底介质壳体2上喷涂正性光刻胶10，喷涂的正性光刻胶10的膜层厚度约为10um，烘干处理后待用。

(9)将进行不透紫外光处理后的第二掩膜壳体20对准附于基底介质壳体2外表面，使两层壳体紧密贴合，然后采用曝光设备进行曝光处理；曝光后，将不透紫外光处理后的第二掩膜壳体20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正性光刻胶11；将处理后的基底介质壳体2表面镀制铜膜，膜层厚度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；将镀膜后的基底介质壳体2进行去胶处理，即用去胶液将剩余的正性光刻胶10去除，清洗烘干后形成环形单元曲面频率选择表面阵列。

结合本发明的环形单元曲面频率选择表面阵列的制作方法，实际包括很多种实施方式，图3中的流程示意图只是针对其中一种实施例的示意，并不能代表全部。具体制作过程中，可以按照图3所示的流程一步一步进行，也可以先成型第一掩膜壳体，对第一掩膜壳体进行不透紫外光处理后，再成型第二掩膜壳体，对第二掩膜壳体进行不透紫外光处理；还可以针对第一掩膜壳体和/或第二掩膜壳体选用不透紫外光的相应材料进行打印，则无需进行不透紫外光处理的步骤。

通过本发明的制作方法能够方便地制作得到环形单元曲面频率选择表面阵列，而且能够制作出任意外形的环形单元曲面FSS阵列，而且可以同时成型FSS衬罩中的基底介质壳体和掩膜壳体，使得二者匹配性更好。

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 (8)

1.一种环形单元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、第一掩膜壳体和第二掩膜壳体分别进行三维建模，设置基底介质壳体、第一掩模壳体和第二掩模壳体三者之间的对位靶标，得到基底介质壳体模型、第一掩膜壳体模型和第二掩膜壳体模型；

S2、将所述基底介质壳体模型、所述第一掩膜壳体模型和第二掩膜壳体模型分别输入3D打印设备中成型，得到基底介质壳体、第一掩膜壳体和第二掩膜壳体，基底介质壳体、第一掩膜壳体和第二掩膜壳体外形轮廓需满足共形条件，第一掩膜壳体和第二掩膜壳体为基底介质壳体上按周期排布的镂空图形阵列；

S2还包括：对第一掩膜壳体、第二掩膜壳体以及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底介质壳体的外表面、第一掩膜壳体的内表面和第二掩膜壳体的内表面进行打磨；

S3、在所述基底介质壳体外表面涂覆负性光刻胶，将所述第一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；曝光后，将第一掩膜壳体取下，对基底介质壳体进行显影处理，清洗、干燥；在处理后的基底介质壳体表面制备第一金属膜层，用去胶液去除剩余的负性光刻胶，清洗、干燥，形成外围开孔单元频率选择表面阵列；

S4、基底介质壳体外表面涂覆正性光刻胶，将第二掩膜壳体附于基底介质壳体上，使两层壳体紧密贴合，通过曝光设备进行曝光处理；曝光后，将第二掩膜壳体取下，对基底介质壳体进行显影处理，清洗、干燥；在处理后的基底介质壳体表面制备第二金属膜层，用去胶液去除剩余的正性光刻胶，清洗、干燥，形成环形单元频率选择表面阵列；

其中，所述第一掩膜壳体和/或第二掩膜壳体的材料为透紫外光型材料时，在步骤S3之前，对第一掩膜壳体和/或第二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；如第一掩膜壳体和第二掩膜壳体选用的材料对紫外光不透明，则直接使用。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，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，所述第一掩膜壳体的厚度为0.2mm～10mm；所述第二掩膜壳体的厚度为0.2mm～10mm。

4.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、所述第一掩膜壳体模型和第二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。

5.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述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中的至少一种。

6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一掩膜壳体和第二掩膜壳体的材料均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。

7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中制备第一金属膜层和步骤S4制备第二金属膜层采用的金属均选自Cu、Al、Au、Ag、Ni或Pt中的至少一种；制备第一金属膜层和第二金属膜层的方法包括真空镀膜、喷涂或刷涂金属浆料。

8.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述环形单元曲面频率选择表面阵列为Y环、十字环、圆环、方环或六边环。

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