CN109755760A - 曲面共形微带天线阵面的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种曲面共形微带天线阵面的制备方法，旨在提供一种与金属结构件完全共形的微带天线的工艺方法。本发明通过下述技术方案予以实现：选用微带贴片作为天线共形阵单元，直接在金属结构件上打印曲面天线阵面，首先做喷砂粗化处理，采用直写笔A在金属载体的喷砂面按照微带天线阵面的介质层形状尺寸分层涂写聚酰亚胺前躯体溶液直至总厚度要求，待表干后通过加热基板升温脱水，在金属载体表面聚合形成微带天线阵面的共形介质层；在聚酰亚胺介质层的阵元位置采用脉冲激光烧蚀出垂直互联孔底孔，在孔内填充导电银浆作为垂直互联孔并烧结使其固化；在共形介质层上涂写导电银浆阵元图形，表干并固化到介质层表面上，形成曲面共形微带天线阵面。

Description

曲面共形微带天线阵面的制备方法

技术领域

本发明涉及一种采用异质材料3D打印工艺实现曲面微带天线阵面的制备方法。

背景技术

在天线的设计中，为增强天线的方向性、提高天线增益、经常要用到阵列天线。根据天线阵列单元的排列形式，阵列天线可以分为直线阵列、平面阵列和共形阵列等。直线阵列和平面阵列的结构简单，实际工程中得到了广泛的应用，许多技术都己成熟，但它们也存在一些不足之处。如实际应用中经常需要实现宽角域的阵列覆盖，而采用直线阵或平面阵往往难以实现以上角域覆盖的要求。共形天线或者共形阵列在与物体的表面共形时候不仅仅要考虑天线的电磁特性，同时更重要的是考虑空气动力学特性和水力学特性。传统共形天线是指附着于载体，完全与载体贴合的微带天线，即需要将阵列天线共形安装在一个固定形状的表面上，从而形成非平面的共形天线阵。因而共形表面的存在对天线的辐射特性和阻抗特性有着重要的影响。与直线阵和平面阵列相比，共形阵列的主要优点表现在：扩大波束扫描范围；具有低剖面特性，不影响载体的空气动力学性能；节约载体有限的空间；增加了可用口径，可以提供较窄的波束，并可以实现较高的天线增益；提高天线安装自由度，降低雷达散射截面积(RCS)。通常所指的共形阵列大都是一些简单的形状，如圆柱型，球型等，随着共形阵列天线以及搭载平台的发展和不断变化，共形阵列已经不仅仅局限于简单的形状，而是向着更复杂的弯曲表面拓展，其辐射单元安装在复杂的物体表面或集成在物体之中，由成千上万个分布在弯曲表面的单独的天线单元组成。圆柱型的共形天线已经基本成熟。而对于锥面共形微带天线阵，当天线尺寸进一步缩小时，它的方向图就会发生剧烈变化，极不稳定。作为无线通信系统中一个非常重要的部分，天线系统电性能的好坏直接影响着整个通信系统的工作性能和效率。随着现代无线通信的飞速发展，对于天线性能的要求也越来越高。对于天线单元及阵列的阻抗带宽、方向图、极化和增益特性都提出了更加严格的要求。

适用于共形相控阵天线的单元形式一般有微带天线和缝隙天线。微带天线的常见形式有三种：微带贴片天线、微带缝隙天线以及微带行波天线。微带贴片天线由介质基片、在基片一面上有任意平面几何形状的导电贴片和基片另一面上的地板构成；微带贴片天线的贴片辐射单元的形状可以是矩形、圆形、梯形或其它任何形状，其馈电方式分为侧馈和底馈两种。所谓侧馈是指馈线(通常为微带传输线)从辐射单元的侧面馈入。底馈是指馈线从微带天线接地板同轴线馈入。同轴线内导体穿过接地板和基板，与辐射单元相连接。外导体直接连到接地板上。微带缝隙天线由微带馈线和开在地板上的缝隙组成；而行波天线是由基片、在基片一面上的链形周期结构或普通的长TEM波传输线(也维持一个TE模)和基片的另一面上的地板组成。比较两种天线的特性，缝隙天线在用同轴馈电时存在困难，必须采用相应的匹配措施；而微带天线具有很多天线所没有的特点：电性能上便于获得圆极化，容易实现双频段和双极化，尺寸小、重量轻、价格低，结构上有很小的剖面高度，易附着于任何金属物体表面，最适于某些高速运转的物体，微带相控阵曲面共形天线以其剖面低、易于成型、重量轻、体积小、成本低等特点，逐渐成为共形天线研究和发展的主要方向。不仅如此，微带天线还具有结构紧凑、性能稳定的特点，能和有源器件、电路集成为统一的组件，易于用印刷电路技术大批量生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。但是和其它天线相比，它也有一些缺点：相对带宽较窄，主要是谐振式微带天线；损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路，而且微带天线在匹配负载上有较大损耗；单个微带天线的功率容量较小；介质基片对微带天线的性能影响大。由于工艺条件的限制，批量生产的介质基片的均匀性和一致性还有欠缺，这影响了微带天线的批量生产和大型天线阵；微带天线的主要缺点是它的相对带宽较窄；微带天线在地面设备应用上也有其优势方面，特别是较低功率的各种军用民用设备，例如医用探头，卫星天线等，由于微带天线能集成化，它在毫米波段的优势是明显的。微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线。它采用微带线或同轴线等馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。导体贴片一般是铜材料，可以采用任意形状。通常，采用微带相控阵曲面共形天线，首先面临的就是微带天线阵面的曲面共形制备问题。在设计中还要考虑共形载体以及单元问互耦效应对阵列及阵列单元的谐振频率、带宽以及极化等问题的影响。因此，共形阵列的综合问题是一个复杂的系统问题。存在着不同的曲面形状、曲率等制造要求。微带天线阵面结构上主要包含金属结构件和微带印制板，其中微带印制板安装在金属结构件表面后，天线阵面表面呈曲面共形状态。根据目前传统的印制电路板制造工艺，只能制造平面微带电路板、再通过预成型等工艺实现印制板的曲面化，最后再采用焊接、胶结等工艺技术将印制板装配到金属结构件上以形成曲面共形的微带天线阵面。该工艺一方面印制电路板生产周期长、效率低，影响生产周期；另一方面平面电路板曲面化后会造成天线阵元图形精度的损失，将直接导致电性能的恶化；最后采用传统的焊接、胶接等装配工艺技术，存在印制板与金属结构件曲面间有装配空洞、有助焊剂残留、短路等技术和质量风险，不利于产品长期可靠性。

在相关的专利文献中，中国专利公开号为CN97110945.4公开了“一种曲面微带天线的制作方法”为直接在介质基体上在计算机控制下采用激光曲面蚀刻、再用电镀工艺制作螺旋天线图形，该工艺只能用于在已有的介质上制作曲面表面图形，一方面无法解决曲面印制板的介质板制造这一最核心的基础问题，另一方面也无法实现垂直互联。

发明内容

本发明目的是针对传统工艺技术的不足，本发明提供一种可以利用3D打印优势所采取的新的工艺方案，在金属结构件上直接进行微带天线阵面的曲面共形制备方法，该方法生产效率高、成本低、质量可靠，还能有效避免由于传统工艺技术带来的质量和长期可靠性等问题。以解决传统印制板工艺无法实现曲面天线电路板制造、以及曲面天线电路板与金属结构件共形装配的工艺问题。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供一种微带天线阵面曲面共形的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

选用微带贴片作为天线共形阵单元，直接在金属结构件上打印曲面天线阵面，首先对天线阵面金属载体1表面做喷砂粗化处理，再将天线阵面金属载体1固定在加热基板5上预热；采用直写笔A在金属载体1的喷砂面按照微带天线阵面的介质层2形状尺寸分层涂写聚酰亚胺前躯体溶液直至总厚度要求，待聚酰亚胺前躯体溶液表干后通过加热基板5升温，使聚酰亚胺前躯体溶液脱水、在金属载体1表面聚合形成微带天线阵面的共形介质层2；在聚酰亚胺介质层2的阵元位置采用脉冲激光烧蚀出垂直互联孔3底孔、再采用直写笔B在孔内填充导电银浆作为垂直互联孔3，垂直互联孔3的导电银浆采用连续激光烧结使其固化；最后采用直写笔B在共形介质层2上按微带天线阵面的天线阵元4形状、尺寸涂写导电银浆阵元图形，表干后采用激光烧结导电银浆、使银浆阵元图形熔融并固化到介质层2表面上，形成曲面共形微带天线阵面。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明针对介质材料的介电常数、损耗等电性能进行天线阵元、介质厚度以及相应的容差设计；对金属结构件即天线阵面金属载体1表面做喷砂粗化处理，再将天线阵面金属载体1固定在加热基板5上预热；采用以增材制造为主、减材制造为辅的解决思路，直接在金属结构件上打印曲面天线阵面，不仅解决了上述各项问题，同时还拓展了3D打印的实际应用，解决了传统印制板工艺无法实现的曲面电路板的制造问题。

本发明采用直写笔A在金属载体1的喷砂面按照微带天线阵面的介质层2形状尺寸分层涂写聚酰亚胺前躯体溶液直至总厚度要求，待聚酰亚胺前躯体溶液表干后通过加热基板 5升温，使聚酰亚胺前躯体溶液脱水、在金属载体1表面聚合形成微带天线阵面的共形介质层2；在聚酰亚胺介质层2的阵元位置采用脉冲激光烧蚀出垂直互联孔3底孔、再采用直写笔B在孔内填充导电银浆作为垂直互联孔3，垂直互联孔3的导电银浆采用连续激光烧结使其固化；避免了传统工艺采用形变实现平面电路板的曲面这一方法带来的天线阵元图形精度损失导致的电性能恶化的质量风险。

本发明采用直写笔B在聚酰亚胺共形介质层2上按微带天线阵面的天线阵元4形状、尺寸涂写导电银浆，表干后采用激光烧结导电银浆、使银浆熔融并共形固化到介质层2表面上，缩短了天线的尺寸，实现了天线水平面辐射方向图的全向，避免了传统工艺采用形变实现平面电路板的曲面这一方法带来的微带天线阵面电路板基材受损带来的长期可靠性问题；实现了微带天线阵面与金属结构件的无缝共形装配，解决了传统焊接、胶结装配工艺带来的局部不共形、局部有气孔等装配缺陷。

简化工序。本发明采用低剖面微带天线作为阵列单元实现共形，对天线单元进行较小间距的组阵,获得较好的方向图不圆度，通过对每个单元进行旋转使得各单元极化方向在水平面上投影平行,解决了极化抵消问题,并在布阵面积不大的情况下,对旋转角度进行简化。根据项目指标要求对单元间距,将繁杂的印制电路板制造工序、后期的共形装配工序进行有机集成，布阵范围进行布阵,得到最优阵面,大大简化了生产流程，缩短生产周期。测量结果表明，天线阵驻波性能良好，方向图实现了水平全向覆盖，达到了工程要求指标。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，现将通过本发明实施例，同时参照附图，来描述本发明，其中：

图1显示的是本发明微带天线阵面曲面共形制备流程框图。

图2显示的是曲面共形微带天线阵面的结构示意图。

图2中：1金属载体，2介质层，3垂直互联孔，4天线阵元，5加热基板。

具体实施方式

参阅图1-图2。根据本发明，选用微带贴片作为天线共形阵单元，直接在金属结构件上打印曲面天线阵面，首先对天线阵面金属载体1表面做喷砂粗化处理，再将天线阵面金属载体1固定在加热基板5上预热；采用直写笔A在金属载体1的喷砂面按照微带天线阵面的介质层2形状尺寸分层涂写聚酰亚胺前躯体溶液直至总厚度要求，待聚酰亚胺前躯体溶液表干后通过加热基板5升温，使聚酰亚胺前躯体溶液脱水、在金属载体1表面聚合形成微带天线阵面的共形介质层2；在聚酰亚胺介质层2的阵元位置采用脉冲激光烧蚀出垂直互联孔3底孔、再采用直写笔B在孔内填充导电银浆作为垂直互联孔3，垂直互联孔3的导电银浆采用连续激光烧结使其固化；最后采用直写笔B在共形介质层2上按微带天线阵面的天线阵元4形状、尺寸涂写导电银浆阵元图形，表干后采用激光烧结导电银浆、使银浆阵元图形熔融并固化到介质层2表面上，形成曲面共形微带天线阵面。

在以下可选的实施例中，微带天线阵面曲面共形主要包括了一体化打印、成型两个组成部分。

结构组成方面，相控阵微带天线阵面主要包含天线阵面的金属载体1，金属载体曲面共形面上的聚酰亚胺介质层2，介质层2内部的垂直互联孔3，介质层2表面上的天线阵元4，以及整个方案实施所用的加热基板。金属载体1为铝合金或其他金属材料，作为整个微带天线阵面的大面积地、与微带天线阵面的各个阵元共同实现天线的发射接收功能，其外表面为与载机共形的曲面、由预先采用传统数控工艺加工成型；介质层2为微带天线阵面的阵元与金属载体之间的非金属介电层，与金属载体1的曲面无缝贴合，其厚度根据具体电路工作频率、电性能指标等进行仿真设计后确定；垂直互联孔3为微带天线阵面的阵元与后端TR等模块的电气互联接口；天线阵元4为聚酰亚胺介质层2上表面的金属图形，各阵元具有相同尺寸、形状，并按一定间距均匀分布；加热基板5为温控式加热基板，提供聚酰亚胺、导电银浆打印过程中的预热和表干，避免打印过程中的流淌。

一体化打印成型方面，首先采用直写笔在预热的金属载体1喷砂面分层直写聚酰亚胺前躯体溶液直至形状及总厚度要求，表干后通过加热升温，使聚酰亚胺前躯体溶液脱水、在金属载体1表面聚合形成微带天线阵面的共形介质层2；在聚酰亚胺介质层2的馈电位置采用激光烧蚀制出垂直互联孔底孔、再在孔内填充导电银浆制成垂直互联孔3；再在聚酰亚胺共形介质层2上的馈电孔位置按微带天线阵元4形状、尺寸直写导电银浆图形，导电银浆表干后采用激光烧结使其熔融并共形固化到介质层2表面上，形成曲面共形微带天线阵面的阵元4，由此制备出具备曲面共形特点的微带天线阵面。

在可选的实施例中：

A.设计上针对介质材料的介电常数、损耗等电性能进行天线阵元、介质厚度以及相应的容差设计。以微带贴片为单元设计曲面共形天线阵面，采用直写笔在预热的金属载体曲面上分层直写聚酰亚胺前躯体溶液，直至形状及总厚度要求，表干后通过加热升温，使聚酰亚胺前躯体溶液脱水，在金属载体表面聚合形成微带天线阵面的共形介质层；

B.采用数控加工工艺加工天线阵面金属载体1的曲面成型，再行对其曲面表面采用金刚砂做喷砂粗化处理，喷砂后采用酸洗处理去除表面杂质和多余物；

C.将做好前处理的天线阵面金属载体1定位并装夹在加热基板5上，进行80℃以下预热；

D.金属载体1受热均匀后，采用可控直写笔A在金属载体1的喷砂面，按照微带天线阵面设计的介质层2形状和尺寸，按固定参数分层涂写聚酰亚胺前躯体溶液成需要的图形以及总厚度要求，待聚酰亚胺前躯体溶液表干后，通过加热基板5阶段升温，使聚酰亚胺前躯体溶液脱水，并在金属载体1表面聚合形成微带天线阵面的共形介质层2；

E.在聚酰亚胺介质层2的阵元位置，采用脉冲激光烧蚀出垂直互联孔3底孔、再采用直写笔B在孔内填充导电银浆作为垂直互联孔3，垂直互联孔3的导电银浆，采用连续激光烧结使其固化；

F.最后采用可控直写笔B，在聚酰亚胺共形介质层2上，按微带天线阵面设计的天线阵元4 形状、尺寸涂写导电银浆，表干后采用激光烧结导电银浆、使银浆熔融并共形固化到介质层 2表面上，并逐层打印、烧结的方法实现天线阵元总厚度的打印成型。

本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种曲面共形微带天线阵面的制备方法，其特征在于包括下列步骤：选用微带贴片作为天线共形阵单元，直接在金属结构件上打印曲面天线阵面，首先对天线阵面金属载体(1)表面做喷砂粗化处理，再将天线阵面金属载体(1)固定在加热基板(5)上预热；采用直写笔A在金属载体(1)的喷砂面按照微带天线阵面的介质层(2)形状尺寸分层涂写聚酰亚胺前躯体溶液直至总厚度要求，待聚酰亚胺前躯体溶液表干后通过加热基板(5)升温，使聚酰亚胺前躯体溶液脱水、在金属载体(1)表面聚合形成微带天线阵面的共形介质层(2)；在聚酰亚胺介质层(2)的阵元位置采用脉冲激光烧蚀出垂直互联孔(3)底孔、再采用直写笔B在孔内填充导电银浆作为垂直互联孔(3)，垂直互联孔(3)的导电银浆采用连续激光烧结使其固化；最后采用直写笔B在共形介质层(2)上按微带天线阵面的天线阵元(4)形状、尺寸涂写导电银浆阵元图形，表干后采用激光烧结导电银浆、使银浆阵元图形熔融并固化到介质层(2)表面上，形成曲面共形微带天线阵面。

2.根据权利要求1所述的曲面共形微带天线阵面的制备方法，其特征在于：微带天线阵面曲面共形主要包括了一体化打印、成型两个组成部分。

3.根据权利要求3所述的曲面共形微带天线阵面的制备方法，其特征在于：结构组成方面，相控阵微带天线阵面主要包含天线阵面的金属载体(1)，金属载体曲面共形面上的聚酰亚胺介质层(2)，介质层(2)内部的垂直互联孔(3)，介质层(2)表面上的天线阵元(4)，以及整个方案实施所用的加热基板。

4.根据权利要求1所述的曲面共形微带天线阵面的制备方法，其特征在于：金属载体(1)为铝合金或其它金属材料，作为整个微带天线阵面的大面积地、与微带天线阵面的各个阵元共同实现天线的发射接收功能，其外表面为与载机共形的曲面，由预先采用传统数控工艺加工成型；介质层(2)为微带天线阵面的阵元与金属载体之间的非金属介电层，与金属载体()(1)的曲面无缝贴合，其厚度根据具体电路工作频率、电性能指标进行仿真设计后确定。

5.根据权利要求1所述的曲面共形微带天线阵面的制备方法，其特征在于：垂直互联孔(3)为微带天线阵面的阵元与后端TR等模块的电气互联接口；天线阵元()4为聚酰亚胺介质层(2)上表面的金属图形，各阵元具有相同尺寸、形状，并按一定间距均匀分布；加热基板(5)为温控式加热基板，提供聚酰亚胺、导电银浆打印过程中的预热和表干，避免打印过程中的流淌。

6.根据权利要求(1)所述的曲面共形微带天线阵面的制备方法，其特征在于：天线阵面金属载体(1)定位并装夹在加热基板(5)上进行80℃以下预热。

7.根据权利要求1所述的曲面共形微带天线阵面的制备方法，其特征在于：以微带贴片为单元设计曲面共形天线阵面，采用直写笔在预热的金属载体曲面上分层直写聚酰亚胺前躯体溶液，直至形状及总厚度要求，表干后通过加热升温，使聚酰亚胺前躯体溶液脱水，在金属载体表面聚合形成微带天线阵面的共形介质层。

8.根据权利要求1所述的曲面共形微带天线阵面的制备方法，其特征在于：采用数控加工工艺加工天线阵面金属载体(1)的曲面成型，再行对其曲面表面采用金刚砂做喷砂粗化处理，喷砂后采用酸洗处理去除表面杂质和多余物；将做好前处理的天线阵面金属载体(1)定位并装夹在加热基板(5)上，进行80℃以下预热；金属载体(1)受热均匀后，采用可控直写笔A在金属载体(1)的喷砂面，按照微带天线阵面设计的介质层(2)形状和尺寸，按固定参数分层涂写聚酰亚胺前躯体溶液成需要的图形以及总厚度要求，待聚酰亚胺前躯体溶液表干后，通过加热基板(5)阶段升温，使聚酰亚胺前躯体溶液脱水，并在金属载体(1)表面聚合形成微带天线阵面的共形介质层(2)。

9.根据权利要求1所述的曲面共形微带天线阵面的制备方法，其特征在于：在聚酰亚胺介质层(2)的阵元位置，采用脉冲激光烧蚀出垂直互联孔(3)底孔、再采用直写笔B在孔内填充导电银浆作为垂直互联孔(3)，垂直互联孔(3)的导电银浆，采用连续激光烧结使其固化。

10.根据权利要求1所述的曲面共形微带天线阵面的制备方法，其特征在于：最后采用可控直写笔B，在聚酰亚胺共形介质层(2)上，按微带天线阵面设计的天线阵元(4)形状、尺寸涂写导电银浆，表干后采用激光烧结导电银浆、使银浆熔融并共形固化到介质层(2)表面上，并逐层打印、烧结的方法实现天线阵元总厚度的打印成型。