CN113644433B - 一种异形天线罩外表面耐高温fss结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异形天线罩外表面耐高温FSS结构的制备方法。该方法的步骤包括：根据天线罩的尺寸和结构，对天线罩的印刷区域进行分区，并确定所需印有FSS结构的网布的尺寸、形状和数量；根据天线罩的尺寸和结构，确定FSS结构的印刷顺序；利用印有FSS结构的网布并根据确定的印刷顺序，采用耐高温烧结型导电浆料印刷FSS结构，相邻网布的拼接缝轮廓几何互补；将印刷FSS结构后的天线罩进行烘干处理；将烘干后的天线罩进行烧结处理。本发明方法可适用于任意形状天线罩外表面FSS结构的制备，印刷得到的FSS结构的完整性好且精度高。
Description
技术领域
本发明涉及天线罩表面微结构制备技术领域，尤其涉及一种异形天线罩外表面耐高温FSS结构的制备方法。
背景技术
天线罩是保护内部天线能在恶劣环境条件下正常工作的一种设施，它既是飞行器的一部分，又是雷达系统的一部分，是一种集透波、防热、承载和抗蚀等多功能于一体的部件。天线罩作为一种观通窗口，既要最大限度地保证自身工作雷达的信号正常接收和发射，又要在非工作波段有效地缩减飞行器正前方的RCS(Radar Cross section，雷达散射截面)。常规的隐身措施(如飞行器外形隐身技术、雷达吸波材料技术等)都不能行之有效地解决这一问题。采用频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)这一空间滤波材料制备隐身天线罩已成为目前的最佳技术选择。
频率选择表面是指由介质基底上周期性排布的金属贴片单元或孔径单元组成的二维周期结构。当工作波长与谐振单元尺寸一致时，能够使电磁波全反射(贴片型频率选择表面)或全透过(孔径型频率选择表面)，是一种对电磁波频率和极化方式均有选择作用的空间滤波器，能够对电磁波的通带、阻带进行调谐，利用FSS透波材料有望实现天线罩(窗)的全向透波、宽频透波、选频透波、隐身等功能。
天线罩外表面的FSS结构是FSS天线罩的重要组成部分，其图形单元精度、厚度及电导率等参数对FSS天线罩的透波性率、谐振频率、带宽等指标影响很大。若天线罩外形为简单直锥形或柱面，采用曲面丝网印刷机通过旋转360°即可实现精度高、接缝少的FSS结构的制备。但是传统的尖锥回旋体以及近年来越来越多的升力体、乘波体外形天线罩是高马赫数飞行器用耐高温超材料构件的典型构件，这些构件外形面大多都是不可展开面。针对不可展开表面FSS结构的制备，目前国内主流的技术为激光刻蚀技术。它利用短脉冲、高峰值功率的激光脉冲使待刻蚀的材料表面局部迅速加热升温、熔化乃至汽化，可实现表层材料的精确去除。然而该项技术成本高、效率低、对设备依赖性强，不利于工程化应用。
丝网印刷技术常用于电子印刷及包装领域，在隐身透波构件中制备FSS结构的应用较少，并且丝印设备是实现高精度、高效丝印的基础，比较适用于简单直线圆锥形或者圆柱面式天线罩外表面FSS结构的制备，但是目前大部分天线罩为流线型且不可展开曲面，FSS随型制备于雷达罩上的工艺实现困难，无法通过曲面丝网印刷机实现。
专利CN108123228A发明了一种曲面频率选择表面阵列的制作方法，该方法是通过3D打印设备分别成型基底介质壳体及三维曝光掩膜壳体，在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进行曝光、显影、清洗、干燥，随后在处理后的基底介质壳体表面制备金属膜层，并除去多余的光刻胶即得到曲面频率选择表面阵列。该方法的不足：1)3D打印设备成型的三维曝光掩膜壳体精度较低，对于FSS阵列单元精度要求较高的无法满足要求；2)由于光刻胶的耐温性有限，该方法无法制作耐高温使用的FSS阵列单元。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，而提供一种异形天线罩外表面耐高温FSS结构的制备方法，适用于不可展开曲面表面低成本、高精度FSS结构的制备。
本发明采用的技术方案如下：
一种异形天线罩外表面耐高温FSS结构的制备方法，包括以下步骤：
根据天线罩的尺寸和结构，对天线罩的印刷区域进行分区，并确定所需印有FSS结构的网布的尺寸、形状和数量；
根据天线罩的尺寸和结构，确定FSS结构的印刷顺序；
利用印有FSS结构的网布并根据确定的印刷顺序，采用耐高温烧结型导电浆料印刷FSS结构，相邻网布的拼接缝轮廓几何互补；
将印刷FSS结构后的天线罩进行烘干处理；
将烘干后的天线罩进行烧结处理。
进一步地，所述根据天线罩的尺寸和结构，对天线罩的印刷区域进行分区，并确定所需印有FSS结构的网布的尺寸、形状和数量，包括：
(1)印有FSS结构的网布的形状依赖整个天线罩的形状，锥形天线罩的网布划分为扇形，矩形平板天线罩的网布划分为矩形；
(2)各印刷区域的划分要合理，尽量减少拼接缝；
(3)避免将拼接缝留在天线辐射区域从而影响电性能；
(4)拼接缝不切断FSS结构的金属单元，网布最外侧一行或一列周期单元邻近的拼接缝轮廓设置为与单元的形状相适应。
进一步地，所述印有FSS结构的网布的拼接缝为锯齿状。
进一步地，所述采用耐高温烧结型导电浆料印刷FSS结构，包括：
(1)对印有FSS结构的网布施加张力将其绷紧，并紧密铺至天线罩的外表面，网布不能有褶皱；
(2)将导电浆料放置在印刷的一端，对刮板施加一定的压力将导电浆料从前端刮至后端，即将FSS单元承印到罩体外表面；
(3)印刷结束后，将网布迅速撤离，避免浆料污染罩体；
(4)重复步骤(1)～(3)，直至所需的FSS结构全部印刷完成。
进一步地，所述耐高温烧结型导电浆料包含导电相、粘结相和有机载体，其中导电相为金属粉，粘结相材料为玻璃、金属氧化物或者两者的组合，有机载体是聚合物溶解在有机溶剂中的溶液。
进一步地，所述导电相是金、银、钯、铂、铜、锌、钨中的单一金属或其合金的金属粉。
进一步地，所述耐高温烧结型导电浆料的粘度范围为50Pa·s～200Pa·s。
进一步地，所述烘干处理是将印刷FSS结构后的天线罩放入鼓风干燥箱中，在120～150℃干燥20～30min。
进一步地，所述烧结处理是将烘干后的天线罩在750～850℃下进行烧结。
一种天线罩，所述天线罩的外表面含有FSS结构，所述FSS结构采用本发明的上述方法制备而成。
和现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明方法可适用于任意形状天线罩外表面FSS结构的制备，FSS图形单元可以是贴片型单元，也可以是孔径型单元，通用性强。
(2)本发明采用的钢丝网布即印有FSS结构的网布前期是松弛的，在与天线罩型面完全贴合的基础上，人工施加网布一定的张力，保证了印刷得到的FSS结构的完整性和精度。
(3)FSS结构可以在有氧环境下，耐受800℃以上的高温长时使用，发挥FSS的电磁调谐功能。
(4)与采用搭接或直接拼接的形式相比，分区印刷的拼接缝采用锯齿状方式，使FSS周期单元的连续性和电连接性得以保证，拼接缝轮廓处不连续性引起的反射更小。
(5)本发明制备方法工艺方法简单、对设备要求低、成本低、实用性较好，适于在科研生产中推广应用。
附图说明
图1是本发明所述的正方形周期单元在二维扇形网布展开自然形成的锯齿形拼接缝轮廓，网布两端的拼接缝轮廓几何互补。
图2是本发明所述的锥形天线罩中由扇形网布拼接后铺于天线罩外表面构成的FSS天线罩示意图。
图中：1一周期单元；2一扇形网布；3一拼接缝轮廓；4一锥形天线罩。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。
本发明的一种异形天线罩外表面耐高温FSS结构的制备方法，包括如下步骤：
第一步：根据天线罩的尺寸和结构，对印刷区域进行分区，并确定所需含FSS结构网布的尺寸、形状和数量，确定原则如下：
(1)印有FSS结构的网布(可以采用现有的印有FSS结构的钢丝网布)的大致形状依赖整个天线罩的形状。例如，锥形天线罩的子模块(即一个分区或一个网布)最好划分为扇形，矩形平板天线罩的子模块最好划分为矩形。
(2)拼缝最少原则。整罩各印刷区域的划分要合理，尽量减少拼缝。
(3)避免将接缝留在天线辐射区域，影响电性能。
(4)拼接缝不切断FSS结构的金属单元。若网布最外侧一行或一列周期单元邻近的拼接缝轮廓为直线时会出现周期单元截断的缺陷，则将网布最外侧一行或一列周期单元邻近的拼接缝轮廓设置为与单元的形状相适应。例如若单元为正方形，邻近边界即拼接缝轮廓可以设置为与正方形的边平行的线条；若单元为Y形，邻近边界可以设置为与Y形的边平行的线条。
第2步：根据天线罩的尺寸和结构，确定FSS结构的印刷顺序。例如，锥形罩可采用由上至下的印刷顺序。
第3步：分区手动印刷。根据上述确定的分片网布尺寸和印刷顺序，结合耐高温烧结型导电浆料开展手工印刷。相邻两个分区拼接缝轮廓须几何互补。印刷的具体步骤如下：
(1)对网布人工施加张力将其绷紧，并紧密铺至罩体外表面，网布不能有褶皱。
(2)首先将导电浆料放置在印刷的一端，对刮板施加一定的压力从前端刮至后端，即将FSS单元承印到罩体外表面。
(3)印刷结束后，将网布迅速撤离，避免浆料污染罩体。
(4)重复上述步骤，直至所需的FSS结构全部印刷完成。在印刷相邻区域时，两个分片印刷的接缝位置允许有一定的连接误差，缝宽小于1个单元尺寸。
所述耐高温烧结型导电浆料一般由三种主要成分组成：导电相、粘结相和有机载体。其中导电相为金属粉，可以是金、银、钯、铂、铜、锌、钨等导电性好的单一金属或是他们的合金。作为粘结相材料的通常为玻璃、金属氧化物或者两者的组合。有机载体是聚合物溶解在有机溶剂中的溶液，其主要作用是将导电相微粒和粘结相微粒进行均匀混合分散，使浆料具有适宜的粘度、挥发特性、触变性及流平性。
所述耐高温烧结型浆料的粘度范围为50Pa·s～200Pa·s。
第4步：烘干。印刷后将天线罩放入鼓风干燥箱中120～150℃干燥20～30min，得到烘干后的FSS天线罩。
第5步：烧结。将上述烘干后的FSS天线罩在合适的烧结温度下进行烧结，得到烧结后的FSS天线罩，具体的烧结制度需要根据使用的导电浆料性质进行决定。
本发明一个实施例所述的FSS天线罩为外形不可展开的锥形罩，FSS结构由正方形单元(贴片型单元)组成。所述天线罩外表面耐高温FSS结构的制备包括以下步骤：
第一步：根据天线罩的尺寸和结构，对印刷区域进行分区，并确定所需网布的尺寸和数量。锥形罩的分区网布基本外形为扇形，网布边界设置为台阶形。
例如图1所示的一个扇形的FSS网布2，周期单元1(即FSS单元)按设计要求排列，边界是台阶状拼接缝轮廓3，网布两端的拼接缝轮廓3几何互补，这样经印刷后即可形成一个完整的FSS网布。
第二步：根据天线罩的尺寸和结构，确定FSS结构的印刷顺序。锥形罩可采用由上至下的印刷顺序。
第三步：分区手动印刷。根据上述确定的分片网布尺寸和印刷顺序，结合银浆开展手工印刷。相邻两个分区拼接缝轮廓须几何互补。印刷具体步骤如下：
(1)对网布人工施加张力将其绷紧，并紧密铺至罩体外表面，网布不能有褶皱。
(2)首先将导电浆料放置在印刷的一端，对刮板施加一定的压力将导电浆料从前端刮至后端，即将FSS单元承印到罩体外表面。
(3)印刷结束后，将网布迅速撤离，避免浆料污染罩体。
(4)重复上述步骤，直至所需的FSS结构全部印刷完成。在印刷相邻区域时，两个分片印刷的接缝位置允许有一定的连接误差，缝宽小于1个单元尺寸。
本实施例中所述导电浆料采用银浆料，由75％银粉、3％玻璃粉以及22％有机载体(均为质量分数)组成，银浆料的粘度为130-150Pa·s。
第四步：烘干。印刷后将天线罩放入鼓风干燥箱中130℃干燥25min，得到烘干后的FSS天线罩。
第五步：烧结。将上述烘干后的FSS天线罩在750℃-850℃下进行烧结，得到烧结后的FSS天线罩。
以上公开的本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书的实施例所公开的内容，本发明的保护范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种异形天线罩外表面耐高温FSS结构的制备方法，其特征在于，所述异形天线罩外表面包含不可展开曲面；该方法包括以下步骤：
根据天线罩的尺寸和结构，对天线罩的印刷区域进行分区，并确定所需印有FSS结构的网布的尺寸、形状和数量；
根据天线罩的尺寸和结构，确定FSS结构的印刷顺序；
利用印有FSS结构的网布并根据确定的印刷顺序，采用耐高温烧结型导电浆料印刷FSS结构，相邻网布的拼接缝轮廓几何互补；
将印刷FSS结构后的天线罩进行烘干处理；
将烘干后的天线罩进行烧结处理；
所述根据天线罩的尺寸和结构，对天线罩的印刷区域进行分区，并确定所需印有FSS结构的网布的尺寸、形状和数量，包括：避免将拼接缝留在天线辐射区域从而影响电性能；
所述采用耐高温烧结型导电浆料印刷FSS结构，包括：
(1)对印有FSS结构的网布施加张力将其绷紧，并紧密铺至天线罩的外表面，网布不能有褶皱；
(2)将导电浆料放置在印刷的一端，对刮板施加一定的压力将导电浆料从前端刮至后端，即将FSS单元承印到罩体外表面；
(3)印刷结束后，将网布迅速撤离，避免浆料污染罩体；
(4)重复步骤(1)-(3)，直至所需的FSS结构全部印刷完成；在印刷相邻区域时，两个分片印刷的接缝位置允许有一定的连接误差，缝宽小于1个单元尺寸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据天线罩的尺寸和结构，对天线罩的印刷区域进行分区，并确定所需印有FSS结构的网布的尺寸、形状和数量，还包括：
(1)印有FSS结构的网布的形状依赖整个天线罩的形状，锥形天线罩的网布划分为扇形，矩形平板天线罩的网布划分为矩形；
(2)各印刷区域的划分要合理，尽量减少拼接缝；
(3)拼接缝不切断FSS结构的金属单元，网布最外侧一行或一列单元邻近的拼接缝轮廓设置为与单元的形状相适应。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述印有FSS结构的网布的拼接缝为锯齿状。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耐高温烧结型导电浆料包含导电相、粘结相和有机载体，其中导电相为金属粉，粘结相材料为玻璃、金属氧化物或者两者的组合，有机载体是聚合物溶解在有机溶剂中的溶液。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述导电相是金、银、钯、铂、铜、锌、钨中的单一金属或其合金的金属粉。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耐高温烧结型导电浆料的粘度范围为50Pa·s～200Pa·s。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烘干处理是将印刷FSS结构后的天线罩放入鼓风干燥箱中，在120～150℃干燥20～30min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烧结处理是将烘干后的天线罩在750～850℃下进行烧结。
9.一种天线罩，其特征在于，所述天线罩的外表面含有FSS结构，所述FSS结构采用权利要求1～8中任一权利要求所述方法制备而成。
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