CN114336063A - 增材制造的网状喇叭天线 - Google Patents

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Abstract

增材制造的网状喇叭天线。公开了一种天线装置，包括增材制造的管状主体部分，其具有带多个孔的壁部分。管状主体部分被配置为在所选操作频率范围内传输电磁辐射，并且具有低于最大质量阈值的质量。多个孔将管状主体的质量减小至低于最大质量阈值，而不会显著不利地影响管状主体在所选操作频率范围内的电磁辐射传输能力。

Description

增材制造的网状喇叭天线
技术领域
本发明涉及增材制造的网状喇叭天线。
背景技术
天线是无线电通信技术的关键元件，用于发送和/或接收无线电信号。天线的导电材料用作通信器电路中的电流与辐射的电磁波之间的接口。天线的几何形状和材料决定了诸如阻抗、方向性和带宽的性质。优选性质取决于天线的预期位置和应用，其可广泛地变化。例如，消费者频率调制(FM)无线电可使用适合于接收来自任何方向的信号的单极全向天线，而全球定位系统(GPS)卫星可使用高定向天线以进行地球定向传输。对于许多应用，复杂几何形状必须具有高精度以生产有效天线。这些天线传统上通过手工组装多个单独机加工的零件来制造，是缓慢且昂贵的过程。
作为一种以相对低的成本快速生产的方法，增材制造(AM)在许多行业中迅速得以流行。AM(有时称为3D打印)可用于通过递增地构建对象来从3D模型创建实体对象。AM通常施加原料，然后将原料选择性地接合或熔融以创建期望的对象。通常按层施加原料，其中各个层的厚度可取决于所使用的特定技术。
原料常常是颗粒或粉末形式，作为层施加，然后通过热源选择性地熔融。在许多情况下，这种材料的床的上表面被熔融，然后使生长工件略微降低。然后将新的一层原料施加到床，并且下一层被熔融到前一层上。例如，颗粒状原料可包括热塑性聚合物、金属粉末、金属合金粉末或陶瓷粉末，其可使用计算机控制的热源(例如，扫描激光或扫描电子束)来熔融。示例性方法包括选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)和电子束熔化(EBM)等。
用于机加工或其它减材制造的传统零件设计对于AM而言可能效率低下或者甚至不可行。根据所使用的工艺和材料，无支撑的特征可能坍塌，精细特征可能呈现得不够清晰，和/或可能出现翘曲和开裂。需要在允许高效使用AM方法的同时维持传统零件的功能的新设计。
发明内容
本公开提供了与增材制造天线装置有关的系统、设备和方法。在一些示例中，一种天线装置可包括增材制造的管状主体部分，其具有带多个孔的壁部分。管状主体部分可被配置为在所选操作频率范围内传输电磁辐射，并且具有低于最大质量阈值的质量。多个孔可将管状主体的质量减小至最大质量阈值以下，而不会显著不利地影响管状主体在所选操作频率范围内的电磁辐射传输能力。
在一些示例中，一种天线装置可包括具有多个孔的增材制造的管状主体部分。该天线装置可具有操作频率范围，并且多个孔可被调整尺寸和布置为使得多个孔在操作频率范围内实际上不透明。
在一些示例中，一种增材制造天线的方法可包括接收传统制造天线的设计并且识别小于所选增材制造设备的最小可打印尺寸的设计部分。该方法还可包括修改设计，包括增大所识别的部分的尺寸并插入多个孔。该方法还可包括根据修改的设计来增材制造天线。
特征、功能和优点可在本公开的各种示例中独立地实现，或者可在其它示例中组合，其更多细节可参照以下描述和附图看到。
附图说明
图1是根据本公开的各方面的例示性天线装置的示意图。
图2A是图1的天线装置的孔的横截面的第一示例的示意图。
图2B是图1的天线装置的孔的横截面的第二示例的示意图。
图3是如本文所描述的例示性网状喇叭天线的等轴视图。
图4是图3的天线的正视图。
图5是图3的天线的侧视图。
图6是图3的天线的俯视图。
图7是图3的天线的多个孔中的一些的详视图。
图8是描绘了增材制造的例示性方法的步骤的流程图。
图9是例示性增材制造设备的示意图。
图10是描绘了根据本教导的制造天线的例示性方法的步骤的流程图。
具体实施方式
下面描述并在相关附图中示出增材制造的网状天线装置以及相关方法的各种方面和示例。除非另外指明，否则根据本教导的天线装置和/或其各种部件可(但不要求)包含本文中所描述、示出和/或包含的结构、部件、功能和/或变型中的至少一个。此外，除非具体地排除，否则本文中结合本教导描述、示出和/或包含的工艺步骤、结构、部件、功能和/或变型可被包括在其它类似装置和方法中，包括可在所公开的示例之间互换。各种示例的以下描述本质上仅是例示性的，绝非旨在限制本公开、其应用或用途。另外，下面描述的示例所提供的优点本质上是例示性的，并非所有示例均提供相同的优点或相同程度的优点。
本具体实施方式包括紧跟在下面的以下节：(1)概述；(2)示例、部件和替代方案；(3)例示性组合和附加示例；(4)优点、特征和益处；以及(5)结论。“示例、部件和替代方案”节被进一步分成A至C小节，各个小节相应地标记。
概述
通常，一种天线装置可包括增材制造的结构，其包括导电材料。天线装置也可被称为天线部件。该天线装置可被配置为方便发送和/或接收无线电信号，并且可用作诸如指挥喇叭天线、杯状偶极天线或波导天线的传统天线的一部分。另外地或另选地，天线装置可用作天线而没有附加部件。
图1是天线装置(指示为110)的示意图，其具有带有壁部分113和多个网状通孔114的主体部分112。主体部分可以是管状的、细长的和/或中空的。主体部分可被配置为形成用于发送或接收射频信号的通道，和/或可被配置为在操作频率范围内引导电磁辐射。例如，卫星天线可被配置为在射频上(例如，大约8到18GHz之间)操作。
天线装置110还可包括具有被配置为方便传输和/或接收射频电磁波的几何形状的一个或更多个内部结构。结构可被配置用于所选极化、谐振频带、辐射图案和/或任何功能天线性质。示例包括(但不限于)隔膜、虹膜、偶极子、调谐螺钉、后滤波器和/或其任何组合。壁部分113也可具有配置用于所选极化、谐振频带，辐射图案和/或任何功能天线性质的内部几何形状。
天线装置110包括导电材料，其可以是激光烧结金属。在一些示例中，部件可包括铝、铜、钛和/或其合金。部件可包括多种材料，或者可由单一材料制成。在为天线装置110选择材料或材料组合时可考虑导电性、弹性、密度和温度灵敏度以及其它因素。适当或可取的材料可取决于天线装置的预期应用和所选增材制造方法。
天线装置110具有由构建轴线限定的制造取向，其可与主体部分112的细长轴线一致。天线装置可包括多个层，各个层大致垂直于构建轴线。各个层可薄且为平面的，并且融合到相邻层或以其它方式与相邻层内聚。
从一个层到相邻层的变化可受到限制。即，天线装置110的尺寸可沿着构建轴线逐渐改变。天线装置可不包括突兀悬垂，其中突兀悬垂可被描述为与构建轴线形成大于大约45度或大于大约50度的角度的任何面向下的表面。因此，可打印天线装置110的所有特征而无需辅助支撑。
在一些示例中，天线装置110可从增材制造的坯料后处理。可机加工水平孔、螺纹和/或不适合增材制造的其它特征。在这些示例中，增材制造的坯料可不包括突兀悬垂并且可在不使用辅助支撑的情况下打印。
天线装置110的任何结构的厚度可受到用于生产部件的增材制造方法和/或设备限制。更具体地，厚度可具有下限。低于此极限的结构可能不一致，可能偏离期望的规格，和/或可能在例如打印或后续冷却期间经受开裂。
传统天线设计可能包括比有效制造极限更薄的壁或其它结构。因此，可修改这种设计以允许增材制造。更具体地，可增加比有效制造极限更薄的任何结构的厚度。然而，这种加厚可增加天线装置的总质量。增加的质量可继而增加材料成本和打印时间，对于卫星或其它航天器上使用的天线可能特别不利。
天线装置110的多个孔114可部分地或完全地抵消与必要厚度增加关联的质量增加。换言之，多个孔114可被配置为减小天线装置110的质量而不会显著影响天线装置的功能。
对传统设计的所需更改(包括加厚和引入孔)可取决于与特定所选增材制造方法和/或设备关联的打印分辨率极限。在一些示例中，天线装置110可根据传统设计增材制造，而很少或无需加厚结构。在这些示例中，相对于对应设计的传统制造天线装置，多个孔114可减小天线装置110的重量。
多个孔114中的孔124被描绘为按规则的重复图案布置，其可被描述为形成阵列。通常，孔124可按任何适当的规则或不规则图案布置。孔124也可被描述为开口、圆形孔隙和/或空隙，和/或孔之间的材料可被描述为形成网。天线装置110可包括孔的单个连续阵列、多个离散阵列和/或孔124的任何有效分组。孔可均匀且相同，或者可在尺寸和/或形状上变化。
孔124的尺寸和/或形状可允许在不使用辅助支撑的情况下增材制造。在所描绘的示例中，孔124为六边形，但足够小以允许在没有翘曲的情况下打印。在一些示例中，孔可具有自支撑形状和取向，例如边相对于构建轴线成不超过45度角的矩形或菱形。
各个孔124具有最大尺寸126，并且在一些示例中可具有最小尺寸127。最大尺寸也可被描述为孔的最大开口宽度，并且最小尺寸也可被描述为孔的最小开口宽度。对于所描绘的六边形开口，最大尺寸126在相对角之间，最小尺寸127在相对边之间。对于圆形开口，最大尺寸和最小尺寸将均是圆的直径。最大尺寸126可受到可制造性和/或电磁效应限制。最小尺寸127可受到可制造性限制。
最小尺寸127可大于最小可打印孔尺寸，并且最大尺寸126可小于最大自支撑尺寸。这些极限可由所选增材制造工艺和设备以及所选孔形状和位置确定。例如，菱形开口的最大自支撑尺寸可显著大于圆形开口的最大自支撑尺寸。又如，具有较小的打印层厚度的打印机可具有较小的最小可打印孔尺寸。
天线装置110可被配置用于传输和/或接收波长范围内的无线电信号。换言之，天线装置110可被配置为引导所选频带内的电磁辐射。天线装置也可被描述为具有预期的操作频率范围。
可相对于最小预期波长128限制各个孔124的最大尺寸126。图1中示意性地描绘了具有波长128的电磁波信号，而未按比例。限制最大尺寸126可确保孔124对天线装置110的电磁性质的影响可忽略不计。孔124可被描述为对天线装置的预期操作频率范围电磁不透明。
例如，最大尺寸126可小于波长128的10％。在一些示例中，可选择最大尺寸126，使得孔124对天线装置110的操作的影响低于所选的可接受阈值。较小的孔可具有减小的影响，并且孔124的尺寸可相对于预期波长128足够小以避免影响天线性能。在一些示例中，最大尺寸可小于预期波长的5％或小于2％。
孔124也可根据天线装置110的结构要求来调整尺寸、间隔和/或定位。即，孔124可被配置为使得天线装置110具有足够的结构强度、刚度和/或其它期望的结构性质。例如，孔124可与接头、角和/或关键结构特征间隔开。又如，孔124可占天线装置的壁部分113的小于所选百分比。例如，孔124可占天线装置的壁部分113的表面积的小于一半，或者壁面积与孔面积之比可大于1。
各个孔124具有中心129，并且可在中心至中心距离130方面描述孔的间距。孔124的距离130、最大尺寸126和形状可确定壁部分113或多个孔114中的孔之间的其它结构的表面积。在一些示例中，可选择孔124的形状以方便孔的有效填充，并且减小与给定中心至中心距离130对应的壁表面积。
如上所述，多个孔114可被配置为减小壁部分113以及整个天线装置110的质量。可选择孔124的尺寸、数量和/或间距以提供足够的质量减小。在一些示例中，孔穿过壁部分113的程度也可配置用于质量减小。图2A和图2B是沿着垂直于壁部分113的平面截取的孔124的两个例示性横截面形状的示意图。
图2A描绘了孔124的线性范围，这可适合于易于打印，特别是在最小尺寸127接近最小可打印孔尺寸的示例中。图2B描绘了孔124的蝶形或悠悠球范围，其中孔在壁部分113的第一和第二侧具有最大尺寸并且在壁部分内部具有较小尺寸。这种配置可允许附加质量减小，同时维持壁部分113的期望电磁不透明性。
在一些示例中，天线装置110还可包括配置用于连接到电子电路的基部。例如，天线装置可包括适合于附接同轴适配器的孔隙。天线装置还可被配置用于连接到其它天线部件，例如反射盘或偶极子。在一些示例中，天线装置110可被设计为具有与现有天线设计等效的功能，并且可被配置为连接到与现有天线设计大致匹配的电系统。
天线装置110可部分或完全一体。换言之，天线装置的主体部分112、任何内部结构、任何基部和/或任何其它部分可包括单一结构。天线装置可在一个工艺中增材制造，而无需组装单独的零件。天线装置也可在没有辅助支撑(在制造之后需要移除)的情况下制造。
由于一体构造，天线装置110可具有改进的可靠性。可消除与零件的连接或相互作用有关的故障模式。例如，天线装置可不包括在振动下可能松动的螺栓、在负载下移位的垫片或者在运输期间改变调谐的调谐螺钉。通常，对于包括较少部件的天线，可降低操作复杂化的可能性。
示例、部件和替代方案
以下各节描述了示例性天线装置以及相关系统和/或方法的所选方面。这些节中的示例旨在例示，不应被解释为限制本公开的整个范围。各节可包括一个或更多个不同的示例和/或上下文或相关信息、功能和/或结构。
A.例示性网状喇叭天线
如图3至图6所示，此节描述了例示性网状喇叭天线210。天线210是如上所述的天线装置的示例。所描绘的增材制造天线被设计为传统的传统制造的锥形喇叭天线的功能替代。传统天线包括多个单独机加工的部件，各个部件通过螺钉、粘结或以其它方式固定在一起。例如，为天线的圆极化配置的阶梯状隔膜被粘结在单独制造的中空矩形波导的内部，该波导继而被固定到多个单独的喇叭段。
计算传统天线的各个部件的尺寸和定位以得到期望的功能性质(例如，极化、谐振频率和方向性)。然而，一些表面和结构对天线的电磁性质至关重要，而其它在结构和机械方面重要。
增材制造天线210被配置为保持传统天线的电磁和功能上至关重要的特征，对结构和机械上重要的特征进行更改以允许增材制造。天线210也可被配置为与随传统天线一起使用的电子设备接口。
如图3所示，天线210是一体的。即，天线为单件，除了附接诸如同轴适配器的馈线以外不需要组装。单件天线还可具有改进的可靠性和/或较少的故障模式。天线被配置用于在没有辅助支撑的情况下制造。换言之，在制造天线之后不需要移除支撑结构。所描绘的天线210的示例需要在天线的底端机加工紧固件孔隙形式的最小程度的后处理，如下面更详细描述的。天线可被配置为使得源自制造的表面粗糙度被充分限制，从而不需要总体表面精整。
天线210可被配置用于通过直接金属激光烧结(DMLS)来制造。天线包括激光烧结铝合金(具体地，在本示例中，AlSi10Mg II型)。该合金可提供良好强度、硬度和高负载耐受性以及低重量。在任何有效增材制造工艺中，可使用具有类似适当性质的任何金属或合金。
天线210具有中心轴线214，其可被描述为决定天线210的制造取向和/或天线的构建轴线。当制造天线时，中心轴线214可平行于制造设备的垂直或z轴。因此，天线210可包括垂直于中心轴线214的多个平面层。
如图3所示，天线210包括矩形波导部分216和多段锥形喇叭部分218。部分216、218中的每一个的矩形横截面形状250可在图6中更清楚地看到。波导部分216和喇叭部分218可被描述为形成天线210的主体部分(如上所述的主体部分112的示例)，和/或可各自被描述为主体部分112的示例。在本示例中，喇叭218包括锥形段220、模抑制段222和扩口段224。天线210可被描述为波特喇叭天线、指挥喇叭天线和/或馈电喇叭天线。
波导216可被描述为具有内腔226的管，并且由在四个线性角处接合的四个平面壁228(例如，壁部分)组成。壁部分228是如上所述的壁部分113的示例。在本示例中，波导具有正方形横截面形状并且壁部分228各自具有相同的尺寸。内腔226沿着中心轴线214具有恒定的横截面尺寸。波导216还包括图4和图5所示的内部阶梯状隔膜234，其可被配置为将无线电信号圆极化。隔膜是在两个相对壁部分228之间横跨内腔226延伸的薄板。
再参照图3，喇叭218也可被描述为由多个平面壁部分(例如，壁段)230组成并且包括内腔232。壁部分230也是如上所述的壁部分113的示例。喇叭的各段220、222、224包括四个壁部分230。一些平面壁部分230相对于中心轴线214形成斜角，而其它平行于中心轴线。喇叭218的内腔232与波导216的内腔226连通，并且喇叭的锥形段220的壁部分230各自连接到相应壁部分228。
通常，天线210可包括传统天线设计中所包括的任何结构和/或特征和/或被配置为生成与传统天线设计的结构或特征等效的电磁功能。例如，天线210可包括圆形波导、圆锥喇叭段和/或一个或更多个脊、翅片和/或褶皱。
基板236形成在波导216的底端。基板部分地封闭内腔226并且接合到三个壁部分228。多个孔隙垂直延伸穿过基板并且被配置为接纳紧固件，以使得基板236和天线210可被紧固到另一结构。紧固件孔隙可被机加工或钻到基板236中，并且可在天线210的增材制造之后通过机加工来精密精整基板的表面。
如图4和图5所示，馈电接口部分(例如，馈电接口适配器)238形成于在波导216的底端靠近基板236的一个壁部分228上。接口部分包括突起的矩形凸台，在凸台的各端有孔隙水平延伸穿过馈电接口部分和壁部分228。凸台和孔隙可被配置用于连接同轴馈电和/或任何适当的天线馈电。连接器孔隙可被机加工或钻到馈电接口部分238中，并且馈电接口部分的表面可在天线210的增材制造之后通过机加工来精密精整。
在一些示例中，指挥喇叭天线210可被配置用于连接到其它支撑或电子部件。基板236和/或馈电接口部分238可包括任何适当的连接特征。在一些示例中，可作为增材制造工艺的一部分创建基板和/或馈电接口部分中的孔隙。在这些示例中，孔隙可具有菱形或圆形形状以外的其它自支撑形状。
天线210包括多个孔240，其延伸穿过壁部分228、230。孔240也可被描述为网状通孔。各个壁部分228、230包括孔240的阵列242。各个孔阵列是孔按照适合于相应壁部分的形状和结构功能的图案的规则排列。如上所述，孔240是孔124的示例，阵列242是多个孔114的示例。
如图4和图5中更清楚示出的，在本示例中，阵列242各自包括一系列规则间隔的行，其交替偏移，使得各个孔240与两个邻接行中的孔之间的间隙对齐。这些行可允许孔的期望密度。在本示例中，孔240占壁部分228、230的表面积的大约60％。期望密度的适当图案可取决于孔240的形状，如下面参照图7进一步讨论的。
各个阵列242的孔240与相应壁部分的边缘间隔开，这可改进壁部分相遇的角处的结构强度。孔240和/或阵列242也可间隔开和/或改变以避开其它接头。例如，如图5所示，壁部分228的阵列242包括间隙，其中孔240与壁部分和内部隔膜234之间的接头间隔开。
如图6所示，天线210的壁部分228、230全部共享均匀的厚度244。在一些示例中，在壁部分之间或壁部分内厚度244可变化。贯穿天线210，厚度244(无论均匀还是变化)可等于或大于最小可打印厚度。换言之，天线210可根据与所选增材制造工艺和/或设备关联的限制来设计，使得天线的壁部分足够厚以能够打印。
在本示例中，壁部分228、230的厚度244为大约0.035英寸(35密耳或0.09cm)。天线210被设计替换掉的传统的传统制造的喇叭天线可具有大约0.15英寸(15密耳或0.04cm)那么小的壁厚度。天线210的厚度244可以是传统天线的对应厚度的两倍或两倍以上。然而，由于天线壁中的孔240，天线210可能没有传统天线的质量的两倍。
相反，天线210的质量低于最大质量阈值。换言之，天线210被设计为使得通过由于引入孔240而引起的质量减小来充分平衡由于增加的壁厚度244而引起的质量增加，以保持天线的质量低于所选值。最大质量阈值的值可根据诸如发射载具中的燃料容量或材料成本这样的操作限制来选择。在本示例中，天线210具有大约0.15磅(2.4盎司)的重量，并且被设计为低于大约0.05盎司/平方英寸的所选最大质量阈值。与传统天线相比，天线210的重量仅增加了大约15％。
图7示出波导216的壁部分228中的孔240的阵列242的一部分。在本示例中，贯穿天线210，阵列242相似地构图并且孔240的尺寸和形状相似，因此以下描述可被理解为同样适用于其它孔阵列。在一些示例中，在壁部分之间或壁部分内，阵列242的图案可变化和/或孔240的尺寸和/或形状可变化。
在本示例中，孔240为圆形并且线性地延伸穿过壁部分228以在壁部分中形成近似圆柱形空隙。各个孔具有直径246，这是如上所述的最大尺寸126的示例。如上所述，阵列242中的孔240按偏移行布置。行中的每两个相邻孔可被描述为具有中心至中心间距248。即，一个孔的中心点与相邻孔的中心点间隔开距离248。
在本示例中，所有孔240的直径246为大约0.08英寸(千分之80英寸(密耳)或0.2厘米(cm))，并且行中的每一对相邻孔的中心至中心间距248为大约0.1英寸(100密耳，0.25cm)。因此，相邻孔最接近的点相隔大约0.02英寸(20密耳，0.05cm)。两个孔240的任何点相隔不小于0.02英寸。
如上所述，可根据打印限制、结构考虑和电磁效应来选择直径246和间距248。孔240的尺寸和形状的选择可以是相互依赖的。即，所选孔的形状可决定诸如在没有辅助支撑的情况下可打印的最大尺寸的打印限制。
在所描绘的示例中，直径246足够小以允许在没有辅助支撑的情况下孔240被打印为圆形，但是足够大以便于所选DMLS打印机分辨孔。孔240也足够小以在天线210的预期操作频率范围内可接受程度地电磁不透明。
天线210被配置用于在频带内无线电通信。即，天线被调谐至射频范围。在所描绘的示例中，天线210被调谐至X频带(包括与大约3.75和2.5cm之间的波长对应的频率)。孔240的最大尺寸，即，直径246，不超过最小预期波长的大约8％。因此，孔240对天线210的电磁功能和性质的影响可忽略不计。
可选择孔240的形状和阵列242的图案以实现期望的孔密度。对于孔240具有六边形形状的示例，阵列242可具有蜂窝图案。对于孔240具有正方形形状的示例，阵列242可具有网格图案。在一些示例中，孔240可足够密集地填充以使得壁部分228可被描述为网。在一些示例中，可能需要较少的孔并且孔240可间隔开比最大孔尺寸更大的距离，例如可间隔开大于直径246的距离。
B.增材制造的例示性方法
此节描述用于工件的增材制造的例示性方法300的步骤；参见图8。图9中所描绘的例示性增材制造装置的各方面可用在下面所描述的方法步骤中。适当时，可参考可用于执行各个步骤的部件和系统。这些参考是为了例示，而非旨在限制执行方法的任何特定步骤的可能方式。
在一些示例中，方法300也可被称为3D打印方法。术语增材制造和3D打印均可被理解为包括通过以连续的层添加材料来创建对象的工艺。增材制造可被理解为更更广义的术语，涵盖3D打印。在一些示例中，术语增材制造和3D打印可能适合互换使用。在本公开，打印和/或打印步骤可被理解为包括通过任何增材制造方法创建。增材制造工艺的示例包括(但不限于)材料挤出、粉末床熔合、材料喷射、粘结剂喷射、定向能量沉积、vat光聚合和薄片层压。
图8是示出例示性方法中执行的步骤的流程图，并且可能未列举该方法的完整工艺或所有步骤。尽管下面描述并在图8中描绘了方法300的各种步骤，但是这些步骤未必需要全部执行，在一些情况下可同时执行或者以与所示顺序不同的顺序执行。
在步骤310，接收描述有序的多个层的数字信息。该数字信息可由如图9中所描绘的增材制造装置410的计算机控制器412接收。增材制造装置也可被称为打印机或制造器。计算机控制器412可包括被配置为接收数字设计信息并控制打印机410的功能的任何数据处理系统。图9所示的例示性计算机控制器包括用于控制打印机功能的处理器414和用于存储所接收的数据的存储器416。
所接收的信息可包括构成三维对象的层的多个二维图案的几何数据和/或设计细节，其中三维对象是要制造的工件428。层也可被描述为横截面或切片。多个层是有序的，使得可从第一层到最后一层对层进行编号或组织。
方法300的步骤312包括在位于打印机410的构建环境420中的构建平台418上沉积原料。构建平台可包括可通过计算机控制器412沿着制造轴422移动的支撑件。构建平台可具有垂直于制造轴422的平坦表面。
原料可以是适合于增材制造的任何材料，通常为流体或粉末并且包括(但不限于)光聚合物树脂、热塑性塑料、石膏、陶瓷和金属。可从诸如漏斗、罐或粉末床的原料源424分配材料。例如，可通过由计算机控制器412致动的刷臂将铝粉末从粉末床刷扫在构建平台418上。
原料可被均匀地分配在构建平台418上，或者可按所选图案沉积。沉积可在计算机控制器412的控制下进行。在一些示例中，构建平台418可被浸没在原料中，并且可通过重力或流体压力来实现沉积。在一些示例中，连接到原料源424的打印头426可按照与有序的多个层中的第一层对应的图案沉积原料。
在步骤314，改变原料以生成第一层。换言之，根据描述有序的多个层中的第一层的设计信息并由计算机控制器412指导，使沉积的材料发生物理改变，以将第一层实现为构建平台上的物理对象。
可通过由计算机控制器412控制的打印机410的打印头426作用在材料上。例如，打印头可包括通过曝露于光来使光聚合物固化或通过曝露于热来使金属粉末烧结的激光器。可由计算机控制器412指导打印头遵循所接收的数字信息中为第一层划定的路径，和/或处理器414基于所接收的数字信息计算的路径。
步骤316包括重新定位构建平台。在一些示例中，构建平台418可从距打印头426所选距离开始。所选距离可通过打印头所执行的过程来确定。在生成一层之后，构建平台可由计算机控制器412沿着制造轴422远离打印头426层厚度来重新定位。即，可移动构建平台，使得所生成的层的顶表面距打印头426所选距离。
在一些示例中，构建平台418可从与打印机410的另一元件(例如，原料分配部件)对准开始。在生成一层之后，构建平台可由计算机控制器412沿着制造轴422重新定位，使得所生成的层的顶表面与打印机410的另一元件对准。在一些示例中，在步骤316，代替或除了构建平台418，可重新定位打印头426。在一些示例中，步骤316可被跳过。
在步骤318，在方法300的先前步骤中生成的层上沉积原料。如针对步骤312所描述的，原料可以是任何适当的材料并且可按任何适当的方式沉积。在步骤320，改变原料以生成下一层，如先前针对步骤314所描述的。
可重复步骤316至320以生成所接收的数字信息的多个层中的各个层，直至生成最后一层。然后，所生成的第一至最后一层可构成如所接收的数字信息中所描述的工件428。工件可从打印机被取下并根据需要进行后处理。例如，工件可从构建平台的构建板机加工，然后可通过机加工或其它方法进一步精加工细节或平滑表面。
与根据传统制造方法(例如，机加工、模制和/或组装)制造的工件相比，根据方法300制造的工件428可拥有不同的结构性质。例如，工件428的所有零件和/或特征可为一体的和/或整体的。又如，工件428可包括多个熔融材料层，其中各个层垂直于工件的构建轴。又如，工件428可包括由制造工艺的方向性导致的微观结构各向异性。
C.例示性方法
此节描述制造天线的例示性方法500的步骤；参见图10。上述天线装置、制造方法和/或增材制造设备的各方面可用在下述方法步骤中。适当时，可参考可用于执行各个步骤的部件和系统。这些参考是为了例示，而非旨在限制执行方法的任何特定步骤的可能方式。
图10是示出例示性方法中执行的步骤的流程图，并且可能未列举该方法的完整工艺或所有步骤。尽管下面描述并在图10中描绘了方法500的各种步骤，但是这些步骤未必需要全部执行，在一些情况下可同时执行或以与所示顺序不同的顺序执行。
在步骤510，该方法包括接收传统天线设计。该设计可用于被配置为发送和/或接收电磁信号的任何类型的天线，例如指挥喇叭天线、杯状偶极天线或波导天线。传统天线设计也可被描述为用于天线的传统制造的设计，并且可包括多个减材制造的部件(例如，机加工的零件)，其将通过紧固、焊接、粘结和/或其它手段来组装。
该方法的步骤512包括识别设计的不可打印地薄的部分。可选择期望的增材制造方法和设备，并且可评估期望构建质量的相关打印限制。可选择任何有效的增材制造方法和/或设备，例如示例B中描述的例示性方法和增材制造装置。可选择阈值厚度，低于该阈值厚度的打印是无法实现的和/或导致不可取的构建质量。天线设计的比所选阈值厚度薄的部分可被识别为不可打印地薄。
在一些示例中，所选厚度可取决于取向。例如，对于被配置为沉积大约30微米的层的DMLS打印机，垂直于构建轴线测量的0.03英寸(30密耳或0.075cm)或更小的厚度可能是不可打印地薄，而平行于构建轴线测量的0.02英寸(20密耳或0.05cm)或更小可能是不可打印地薄。可根据相对于所选构建取向或构建轴线的取向来评估天线设计的部分的厚度。在一些示例中，在识别不可打印地薄的部分时可考虑其它因素，例如所选打印设备或材料的独特限制。
该方法的步骤514包括修改所接收的传统天线设计以用于增材制造。步骤514的子步骤516包括加厚所识别的部分。换言之，对于传统天线设计的各个识别的不可打印地薄的部分，可修改设计，使得所识别的部分的厚度大于或等于所选阈值厚度。可贯穿该部分和/或贯穿所有识别的部分均匀地增大厚度，和/或可根据增材制造设计最佳实践为各个部分设计新的可打印厚度分布。新的可打印厚度分布可随着所选阈值厚度变化而变化，可根据天线设计的结构需求而变化，和/或可按任何适当的方式变化。
步骤514的子步骤518包括向所识别的部分添加多个孔。在一些示例中，另外地或另选地，可向在步骤512中未识别或在子步骤518中未加厚的天线设计的其它部分添加多个孔。多个孔可被配置为将天线的质量减小至低于最大质量阈值。例如，天线设计的质量可被减小至低于原始传统天线设计的质量的120％，低于可接受的材料成本，和/或低于允许的发射重量。可选择孔的尺寸、数量和/或间距以提供足够的质量减小。
修改的天线设计可包括孔的单个连续阵列、多个离散阵列和/或孔的任何有效分组。孔可均匀且相同，或者可在尺寸和/或形状上变化。孔也可被描述为开口、孔和/或空隙，和/或孔之间的材料可被描述为形成网。
所添加的孔的尺寸和/或形状可允许在不使用辅助支撑的情况下增材制造。例如，孔可足够小以允许在没有翘曲的情况下打印。又如，孔可具有自支撑形状和取向，例如边相对于构建轴线成不超过45度角的菱形。各个孔的最大尺寸和最小尺寸可各自根据所选增材制造方法和/或设备受可制造性限制。
也可在天线的预期操作范围内相对于最小预期波长来限制各个孔的最大尺寸。即，天线设计可被配置用于在一定波长范围(可称为操作频带)内传输和/或接收信号。限制孔的尺寸可确保孔对天线的电磁性质的影响可忽略不计。孔可被描述为对天线的预期操作频率范围电磁不透明。
多个孔也可根据天线设计的结构要求来调整尺寸、间隔和/或定位。即，可添加孔，使得天线设计保持足够的结构强度、刚度和/或其它期望的结构性质。例如，孔可与接头、角和/或关键结构特征间隔开。又如，孔可占天线设计的表面积的小于所选百分比。
除了子步骤516和518之外，步骤514可包括适合于天线的高效且稳健增材制造的任何设计改变。例如，设计的单独零件可被组合成单个整体单元。又如，角、接头和锐边可被倒角和/或倒圆。又如，可引入格子结构和/或支墩。又如，实心部件可由围绕蜂窝结构的壳代替。通常，可修改设计以避免需要辅助支撑结构，防止翘曲或开裂，并且改进对设计规范的遵循。
方法500的步骤520包括根据修改的设计来增材制造天线。可根据增材制造方法和/或在步骤512、514中选择的增材制造设备上执行步骤520，以告知不可打印地薄的部分的识别和设计修改。可根据需要重复步骤520以快速且成本有效地制造具有与根据传统天线设计传统制造的天线等效的电磁功能的天线，并且限于没有质量和/或重量惩罚。
例示性组合和附加示例
此节描述天线装置和天线装置制造方法的附加方面和特征，其作为一系列段落呈现(而非限制)，其中一些或全部为了清晰和效率可按字母数字方式指定。这些段落中的每一个可按照任何合适的方式与一个或更多个其它段落和/或与本申请中别处的公开组合。下面的一些段落明确地参考并进一步限制其它段落，从而提供(而非限制)一些合适组合的示例。
A0.一种天线装置，包括：
增材制造的管状主体，其被配置为在所选操作频率范围内传输电磁辐射，并且具有低于最大质量阈值的质量，
其中，管状主体包括壁部分，该壁部分具有多个孔，将管状主体的实际质量减小至低于最大质量阈值，而不会显著不利地影响管状主体在所选操作频率范围内的电磁辐射传输能力。
A1.根据A0所述的天线装置，其中，所选操作频率范围包括无线电波。
A2.根据A0或A1所述的天线装置，其中，壁部分具有至少5密耳的厚度。
A3.根据A0-A2中的任一项所述的天线装置，其中，壁部分具有至少30密耳的厚度。
A4.根据A0-A3中的任一项所述的天线装置，其中，所述多个孔中的各个孔足够小以允许在没有辅助支撑的情况下打印壁部分。
A5.根据A0-A4中的任一项所述的天线装置，其中，各个孔具有小于100密耳的最大尺寸。
A6.根据A0-A5中的任一项所述的天线装置，其中，各个孔具有中心，相邻孔的中心间隔开小于200密耳的距离。
A7.根据A0-A6中的任一项所述的天线装置，其中，管状主体由激光烧结铝构成。
A8.根据A0-A7中的任一项所述的天线装置，其中，各个孔为圆形。
A9.根据A0-A8中的任一项所述的天线装置，其中，所选操作频率范围在8GHz到40GHz之间。
A10.根据A0-A9中的任一项所述的天线装置，其中，最大质量阈值是每平方英寸壁部分0.05盎司。
A11.根据A0-A10中的任一项所述的天线装置，其中，管状主体具有矩形横截面。
A12.根据A0-A11中的任一项所述的天线装置，其中，管状主体具有四个侧面，各个侧面包括具有多个孔的壁部分，将管状主体的实际质量减小至低于最大质量阈值，而不会显著不利地影响管状主体在所选操作频率范围内的电磁辐射传输能力。
A13.根据A0-A12中的任一项所述的天线装置，其中，所述多个孔是孔阵列。
B0.一种天线装置，包括：
具有多个孔的增材制造的管状主体部分，
其中，天线装置具有操作频率范围，并且所述多个孔被调整尺寸和布置，使得所述多个孔在操作频率范围内实际上不透明。
B1.根据B0所述的天线装置，其中，各个孔是穿过管状主体部分的壁的圆形孔。
B2.根据B1所述的天线装置，其中，各个孔具有直径，并且各个直径不超过200密耳且不小于30密耳。
B3.根据B0-B2中的任一项所述的天线装置，其中，所述多个孔形成规则阵列。
B4.根据B0-B3中的任一项所述的天线装置，还包括馈电接口部分，其中，管状主体部分和馈电接口部分是整体的。
B5.根据B0-B4中的任一项所述的天线装置，其中，管状主体部分由激光烧结铝合金构成。
B6.根据B0-B5中的任一项所述的天线装置，其中，管状主体部分被配置为引导射频信号。
B7.根据B0-B6中的任一项所述的天线装置，其中，操作频率范围在X频带、Ku频带或Ka频带内。
B8.根据B0-B7中的任一项所述的天线装置，其中，天线装置是喇叭天线。
B9.根据B0-B8中的任一项所述的天线装置，其中，所述多个孔在管状主体部分的壁中，孔之间的壁的面积与孔的面积之比介于1和2之间。
C0.一种制造天线的方法，包括：
接收传统制造天线的设计，
识别天线设计的小于所选增材制造设备的最小可打印尺寸的部分，
修改设计，包括增大所识别的部分的尺寸并插入多个孔，以及
根据所修改的设计来增材制造天线。
C1.根据C0所述的方法，其中，天线设计具有预期操作频率范围，并且所插入的多个孔被调整尺寸和布置，使得所述多个孔在预期操作频率范围内将实际上不透明。
C2.根据C0或C1所述的方法，其中，传统制造天线具有第一质量，增材制造天线具有第二质量，并且第二质量比第一质量大不超过20％。
C3.根据C0-C2中的任一项所述的方法，其中，增大所识别的部分的尺寸导致所识别的部分的厚度大于或等于所选阈值厚度。
C4.根据C0-C3中的任一项所述的方法，其中，插入多个孔包括向天线设计的所识别的部分以外的部分插入多个孔。
优点、特征和益处
与用于设计并生产增材制造天线的已知解决方案相比，本文所描述的天线装置的不同示例提供了多个优点。例如，本文所描述的例示性示例允许增材制造传统制造天线的替代物。
另外，除了其它益处之外，本文所描述的例示性示例允许使用具有最小可打印厚度的增材制造设备来制造低于质量极限的天线。
另外，除了其它益处之外，本文所描述的例示性示例允许增材制造孔而无需使用牺牲材料或辅助支撑。
另外，除了其它益处之外，本文所描述的例示性示例允许一致可重复地增材制造几何精确的天线装置。
没有已知系统或装置可执行这些功能，特别是在严格的质量限制下。因此，本文所描述的例示性示例对于卫星通信天线和其它空间部署的天线特别有用。然而，并非本文所描述的所有示例均提供相同的优点或相同程度的优点。
结论
上面阐述的公开可涵盖具有独立实用性的多个不同的示例。尽管这些中的每一个已以其优选形式公开，但是本文中公开并示出的其特定示例不应从限制意义上考虑，因为可进行众多变化。就在本公开内使用章节标题而言，这些标题仅用于组织目的。本公开的主题包括本文所公开的各种元件、特征、功能和/或性质的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。随附权利要求特别指出被认为新颖和非显而易见的某些组合和子组合。可在要求本申请或相关申请的优先权的申请中要求保护特征、功能、元件和/或性质的其它组合和子组合。无论与原始权利要求相比在范围上更宽、更窄、相等或不同，这些权利要求也被认为包括在本公开的主题内。

Claims (15)

1.一种天线装置(110,210)，该天线装置包括：
增材制造的管状主体(112,216,218)，该管状主体被配置为在所选操作频率范围内传输电磁辐射，并且具有低于最大质量阈值的质量，
其中，所述管状主体包括壁部分(113,228,230)，所述壁部分具有多个孔(114,242)，所述多个孔将所述管状主体的实际质量减小至低于所述最大质量阈值，而不会显著不利地影响所述管状主体在所述所选操作频率范围内的电磁辐射传输能力。
2.根据权利要求1所述的天线装置(110,210)，其中，所述壁部分(113,228,230)具有至少30密耳的厚度(244)。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的天线装置(110,210)，其中，所述多个孔(114,242)中的各个孔(124,240)足够小以允许在没有辅助支撑的情况下打印所述壁部分(113,228,230)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的天线装置(110,210)，其中，各个孔(124,240)具有小于100密耳的最大尺寸(126,246)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的天线装置(110,210)，其中，各个孔(124,240)具有中心(129)，相邻孔的所述中心间隔开小于200密耳的距离(130,248)。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的天线装置(110,210)，其中，所述管状主体(112,216,218)由激光烧结铝构成。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的天线装置(110,210)，其中，各个孔(124,240)为圆形。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的天线装置(110,210)，其中，所述所选操作频率范围在8GHz到40GHz之间。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的天线装置(110,210)，其中，所述最大质量阈值是每平方英寸所述壁部分(113,228,230)0.05盎司。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的天线装置(110,210)，其中，所述管状主体具有矩形横截面(250)。
11.一种制造天线的方法(500)，该方法包括以下步骤：
接收(510)传统制造天线的设计；
识别(512)所述天线设计的小于所选增材制造设备的最小可打印尺寸的部分；
修改(514)所述设计，包括增大(516)所识别的部分的尺寸并插入(518)多个孔；以及
根据所修改的设计来增材制造(520)天线。
12.根据权利要求11所述的方法(500)，其中，所述天线设计具有预期操作频率范围，并且所插入的多个孔被调整尺寸和布置，使得所述多个孔在所述预期操作频率范围内将实际上不透明。
13.根据权利要求11至12中的任一项所述的方法(500)，其中，所述传统制造天线具有第一质量，增材制造的天线具有第二质量，并且所述第二质量比所述第一质量大不超过20％。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的方法(500)，其中，增大(516)所识别的部分的尺寸导致所识别的部分的厚度大于或等于所选阈值厚度。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法(500)，其中，插入(518)多个孔包括向所述天线设计的所识别的部分以外的部分插入多个孔。
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