CN114512823B - 相控阵天线阵面阵元自适应封装工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种相控阵天线大规模阵元自适应封装工艺方法，封装效率高，自适应能力强，本发明通过下述技术方案实现：在‑70℃~‑40℃低温下，完成形状记忆合金密封环的高精度成型；在相控阵天线阵面结构件的阵面上，设计并制作垂直于所述阵面，间距线阵布局集成密度孔径的阵元安装孔，并在阵元安装孔底部制出阵元组件射频连接器引线的引出孔，同时铣制出环绕所述引出孔的薄壁内环筒，以形成放置形状记忆合金密封环1的环槽；将形状记忆合金密封环手动或自动装入环形凹槽中，再将阵元组件射频连接器同轴装配到阵元安装孔内，然后将组装好的相控阵天线阵面结构件放入真空温箱内，在真空温箱内80℃~100℃的工艺条件下完成自适应封装。

Description

相控阵天线阵面阵元自适应封装工艺方法

技术领域

本发明涉及一种相控阵天线阵面大规模阵元自适应封装工艺方法。

背景技术

相控阵天线是组装在一起的天线阵元的集合。随着大型天线阵面技术的发展，阵面集成度及轻薄化要求将越来越高。大型相控阵一般包含成千上万个天线阵元。相控阵天线阵面尺寸大、重量重，通常由几百个到几万个不等的通过相位进行控制的通道激励辐射单元构成。当这些辐射单元分布于平面上，称为平面相控阵天线；分布于曲面上，称为曲面相控阵天线；一般相控阵天线应对每一辐射单元的相位进行控制。为了节省移相器和简化控制线路，有时几个辐射单元共用一个移相器。共用一个移相器的单元组合称为子阵。如果将多个圆阵平行分布在一个圆柱体上，便可构成圆柱阵列，圆柱阵列是最简单的共形阵列。平面相控阵天线是指天线单元分布在平面上，天线波束在方位与仰角两个方向上均可以进行相控扫描的阵列天线。平面相控阵天线单元的排列方式主要有两种：矩形格阵排列和三角形格阵排列，三角形格阵排列是由两个单元间距较大的按照矩形格阵排列的平面相控阵天线所构成。如果该曲面与雷达安装平台外形相一致，则成为共形相控阵天线。其中，天线阵面结构是相控阵雷达大部分电子设备的载体, 直接保证天线阵面及整部雷达的精度和可靠性, 阵面布局天线阵面结构是关键技术。天线阵面内部安装有天线、馈线、T/R、电源、冷却等系统诸多设备，是整个雷达中结构最复杂的部分，其集成密度和封装效率低。随着大型天线阵面技术的发展,阵面集成度及轻薄化要求将越来越高.传统的单纯依靠增加重量和外形尺寸来提高结构刚度的方法将难以满足阵面设计要求，阵面内集成的电子设备日益密集，势必会使电子元器件所处的环境条件如电磁兼容、高温、腐蚀等愈趋恶化。相控阵达天线阵面内的设备与设备之间，依靠大量的电缆和接插件连通，一旦有水渗入阵面，就可能导致电路短路，造成天线电性能下降甚至整体失效。针对相控阵雷达天线阵面的特点，需要解决天线阵面的密封问题。传统的主要依赖焊接工艺相控阵天线阵面组装工艺难以满足阵面设计要求。虽然现有技术真空焊接工艺焊接无空洞，焊接后传输性能好，接地性能佳，能够确保天线阵面阵元高可靠互联焊接，取得了较大的突破。然而，真空焊接工艺参数设置复杂、优化难度较大，一些深层次问题仍旧没有得到很好的解决。以真空气相焊为例，真空气相焊接可控参数较多，包括气相液注入量、保持时间、气相蒸汽回收设置、真空阶段设置、真空度设置等等，工程实现难度较大。仍然需要针对不同的焊接天线阵元产品，各控制焊接参数对焊接曲线的影响、各控制焊接参数相互之间的影响、焊接参数设置流程等均不明，因此真空焊接曲线需要考虑锡铅焊料的温度特性，需要研究各焊接焊接参数之间的关系。相控阵天线的另一个关键方面是天线阵元的间隔。一旦设定阵元数量确定了系统目标，物理阵列直径很大程度上取决于每个单元构件的大小限制。

目前常用焊接曲线主要包含几个阶段：预热阶段（常温~150℃，升温速率：1~3℃/s，时间：60s~150s）；恒温阶段或保温阶段（150℃~183℃，升温速率：1~3℃/s，时间：60s~90s）；回流焊阶段（183℃~225℃，升温速率：1~3℃/s，时间：30s~60s）；冷却阶段（183℃~常温，降温速率：1~3℃/s）。然而，阵元工作的通断切换和幅相加权变化多端，不同位置阵元有各自的电环境，振动和动态变形对于天线阵面还有较大的影响，天线阵面大型化和轻薄化带来的阵面结构刚度偏低问题也日益凸显，导致天线阵面的形状及位置精度的要求难以满足。针对相控阵天线阵面产品具有结构大型轻薄、口径大、模块化、阵面刚度偏低，需要安装调试的结构特点，仍然需要考虑样件的热容量，否则会造成焊接区域温度达不到要求，而造成虚焊或温度过高而氧化，从而造成天线阵面阵元封装的可靠性严重降低。相控阵天线辐射单元的数量多,当数目众多的器件在焊接漏率的“累积”作用下，封装的漏率也达不到气密使用要求，导致相控阵天线产品不能满足交付要求。另外，采用真空焊接工艺的方法组装相控阵天线产品，还要设计相应的焊接组合工装，而且随着阵元数量的迅猛增加，相控阵天线产品所需要设计的焊接组合工装更为复杂，不仅导致焊接效率降低，而且成本也直线上升。而传统的手工焊接，更难实现天线阵面阵元的封装，而且当阵元的数量众多时，对一次成品率要求非常高。当一次焊接有虚焊、漏焊或焊接短路等事故发生时，返修时需要解焊或对组件进行再加热，这样势必会对已焊接完毕的SMP阵元带来影响，并给整个组件的互联造成可靠性隐患，此外数目众多的SMP阵元焊接，需要设计和应用加压组合工装，时间长，效率低。再者，传统的组装技术无法解决相控阵天线组件内的螺钉、销钉的气密封装问题，这是因为相控阵天线组件多为印制板电路、毫米波电路、芯片等混合电路集成，互联焊点多，可靠性要求高，尤其是工作于ku频段的收发芯片、矢量调制芯片等多种芯片为裸芯片，受水汽环境影响十分敏感，必须对组件进行气密封装，而传统的组装技术受制于材料，金属与金属封装、有机材料的封装等会在温度和湿度作用下，产生缝隙或开裂，因而造成空气涌入封装体内部，倘若芯片长期暴露在空气下会加速氧化而导致失效。此外，数据量大相控阵天线阵面阵系统所用阵元数目众多、密度大、规模大，现有技术能力和水平在相控阵天线阵面阵元封装后不具备环境自适应能力，且密封性能不好，不能够满足耐受严苛的贮存环境或工作环境的要求，无法满足相控阵天线阵面高可靠封装和高质量的交付要求。为此，本发明一种天线阵面阵元自适应封装工艺方法。

发明内容

本发明的目的是针对相控阵天线大规模阵元存在的上述问题，提出一种高可靠性及自适应能力强，能够实现相控阵天线大规模阵元自适应高可靠封装，封装效率高，且封装后的相控阵天线产品具备“小型化、轻量化”要求的封装工艺方法，

为了实现本发明的上述目的，本发明提供的一种相控阵天线大规模阵元自适应封装工艺方法，其特征在于包括如下步骤：采用一种宽温域形状记忆合金材料，在-70℃~-40℃低温下，完成形状记忆合金密封环1的高精度成型；在相控阵天线阵面结构件4的阵面上，设计并制作垂直于所述阵面，间距线阵布局集成密度孔径的阵元安装孔6，并在阵元安装孔6底部制出阵元组件射频连接器3引线的引出孔，同时铣制出环绕所述引出孔的薄壁内环筒2，以形成放置形状记忆合金密封环1的环形凹槽5；在常温条件下，将形状记忆合金密封环1手动或自动装入环形凹槽5中，再将阵元组件射频连接器3同轴装配到阵元安装孔6内，然后将组装好的相控阵天线阵面结构件4放入真空温箱内，在真空温箱内80℃~100℃的工艺条件下完成自适应封装。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明基于形状记忆合金密封环的自适应封装技术，利用记忆合金在固态时其晶体结构随温度发生变化的规律，在较低的温度下变形，加热可恢复变形前的形状记忆效应，加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状的双向记忆恢复全程记忆效应，而且这“改变--恢复”可以多次重复进行电磁力构成合金物体的内聚力。采用一种新型宽温域形状记忆合金SME的晶体学原理材料做成密封环，并配合设计的腔体薄壁内环筒和形状记忆合金密封环放置环形凹槽的接口结构，解决了大规模阵元快速、高效、高可靠的封装技术难题，与传统的焊接工艺技术相比，本发明具有高效、高质以及免焊接封装的技术优点，而且具备环境自适应的特点，还能够实现与新型共形架构的天线阵面与载体外形“共形”工艺匹配，增强了适应性。不仅可以和任意曲面共形，能够随着外形变化进行动态调整适应而且对于飞行器因气动、冷热等引起的振动和外形变化具有更好的适应性。从而使飞行器机体内有限的空间得到充分的利用，另外也有助于提高设备的结构强度，减少体积和重量，也可以大幅缩飞行器尺寸增加便携性，提高机动性。能够在现代无线通信系统中能够随着外形变化进行共形阵天线动态调整适应，而且对于飞行器因气动、冷热等引起的振动和外形变化具有更好的适应性。由于能够与飞行器以及卫星等高速运行的载体平台表面相共形，且并不破坏载体的外形结构及空气动力学等特性。为共形阵的运用打下了坚实的基础，本发明基于形状记忆合金“马氏体相变”和“热缩冷胀”原理，创新设计的新型宽温域形状记忆合金密封环，创造性地基于形状记忆合金密封环和薄壁内环筒及相控阵天线阵元接接口组合的相控阵天线组件结构形式，通过基于形状记忆合金密封环的自适应封装技术，将组装好的相控阵天线阵面放入真空温箱内，最终实现相控阵天线大规模阵元高可靠自适应封装。该创新技术方法的应用，使得相控阵天线阵面阵元互联一致性更好、可靠性更高、接地性能更优良，还满足“小型化、轻量化”的设计要求。不仅能够实现快速、高效、高可靠封装，还具备良好的可返修性，而且热影响小，能够很好的解决温度阶梯的影响。可以把天线安装在飞行器外部和机身表面外形相匹配避免机内热管理和电磁兼容等问题。而且能够适应飞行器气动和热胀冷缩的外形改变。通过采用记忆合金密封环与腔体薄壁内环筒配合的接口结构形式，在层间实现信号的垂直互联和支撑连接，同时实现高密度自适应封装,完成了一个高密度集成的自适应封装设计的精准控制工艺。

本发明通过阵元安装孔6口径制出环形凹槽5，在环形凹槽5的底端制出引导阵元组件射频连接器引线孔，并铣制出与形状记忆合金密封环1、阵元组件射频连接器3组装相匹配的薄壁内环筒2；在常温条件下，将形状记忆合金密封环1手动或自动装入环形凹槽5中，再将阵元组件射频连接器3装入阵元安装孔6内，能够经受风雨以及外物的冲击，减少了体积和重量，可以克服机身的变形和机翼的抖动所带来的影响，提高了系统的可靠性，能够显著提高阵元的封装效率。解决了大部分共形阵天线所面临的问题。克服了现有技术数目众多的SMP阵元焊接，需要设计和应用加压组合工装，时间长，效率低的缺陷，通过采用密封环气密封装的方案，能够很好的解决了上述问题，不需要工装夹具，组装效率高，返修也方便。并且自适应高可靠封装，封装效率高，相比于传统相控阵天线组件内真空焊接工艺效率提高了8倍。以前焊接需要4个小时，而本发明只需要0.5个小时即可完成整个相控阵天线阵面自适应封装。

本发明特别适用于大规模阵元的自适应封装工艺。

附图说明

图1是本发明控阵天线阵面大规模阵元自适应封装的工艺流程图；

图2 是相控阵天线阵面阵元结构件及其接口分布示意图；

图3 是每个相控阵天线阵面阵元自适应封装的实施例流程示意图。

图中：1、形状记忆合金密封环，2薄壁内环筒，3、阵元组件射频连接器，4、相控阵天线阵面结构件，5、环形凹槽，6、阵元安装孔。

具体实施方式

参阅图1、图2、图3。根据本发明，首先，采用一种宽温域形状记忆合金材料，在-70℃~-40℃低温下，完成形状记忆合金密封环1的高精度成型；在相控阵天线阵面结构件4的阵面上，设计并制作垂直于所述阵面，间距线阵布局集成密度孔径的阵元安装孔6，并在阵元安装孔6底部制出阵元组件射频连接器3引线的引出孔，同时铣制出环绕所述引出孔的薄壁内环筒2，以形成放置形状记忆合金密封环1的环形凹槽5；在常温条件下，将形状记忆合金密封环1手动或自动装入环形凹槽5中，再将阵元组件射频连接器3同轴装配到阵元安装孔6内，然后将组装好的相控阵天线阵面结构件4放入真空温箱内，在真空温箱内80℃~100℃的工艺条件下完成自适应封装。

所述的形状记忆合金密封环1采用镍-钛系合金是形状记忆合金、铜系形状记忆合金、添加了微量钛、锰、锆的铜系形状记忆合金、铜-锌-铝合金系形状记忆合金，铁系形状记忆合金、铁-锰合金、铁-铂合金以及不锈钢系形状记忆合金材料中的一种。

巧妙设计形状记忆合金密封环1、薄壁内环筒2以及形状记忆合金密封环1放置的环形凹槽5这一接口结构的主要目的或原理是：在真空温箱内80℃~100℃的工艺条件下，形状记忆合金密封环1由于发生马氏体相变，会产生强烈的收缩，收缩后产生的紧固力可达500MPa以上，在如此强大的紧固力作用下，会对腔体薄壁内环筒2的圆周产生均匀的颈缩紧固力，导致腔体薄壁内环筒2产生均匀的塑性变形，从而将形状记忆合金密封环1产生的紧固力均匀的作用在阵元组件射频连接器3上，并最终实现相控阵天线阵面大规模阵元的自适应封装。换言之，在真空温箱内80℃~100℃的工艺条件下，形状记忆合金密封环1相变为在奥氏体和马氏体两种结晶态之间转变的记忆行为体，产生强烈收缩后的延展性紧固力对腔体薄壁内环筒2的圆周产生作用在阵元组件射频连接器3上，产生颈缩性的双向形状记忆效应SME的回复应变和形状回复力塑性变形，并最终实现相控阵天线阵面大规模阵元的自适应封装。当然，这些前提条件是：必须确保形状记忆合金密封环1、腔体薄壁内环筒2以及形状记忆合金密封环1放置的环形凹槽5的加工精度，保证了加工精度后，能够确保形状记忆合金密封环1产生的紧固力可以均匀作用在薄壁内环筒2的四周，从而保证薄壁内环筒2产生均匀的塑形变形，并最终确保阵元组件射频连接器3的高可靠封装。又由于新型宽温域形状记忆合金材料的温度适应范围广，封装后的相控阵天线阵面可以适应各种外部环境的变化，所以本发明具备环境自适应能力。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种相控阵天线大规模阵元自适应封装工艺方法，其特征在于包括如下步骤：采用一种宽温域形状记忆合金材料，在-70℃~-40℃低温下，完成形状记忆合金密封环（1）的高精度成型；在相控阵天线阵面结构件（4）的阵面上，设计并制作垂直于所述阵面，间距线阵布局集成密度孔径的阵元安装孔（6），并在阵元安装孔（6）底部制出阵元组件射频连接器（3）引线的引出孔，同时铣制出环绕所述引出孔的薄壁内环筒（2），以形成放置形状记忆合金密封环（1）的环形凹槽（5）；在常温条件下，将形状记忆合金密封环（1）手动或自动装入环形凹槽（5）中，将阵元组件射频连接器（3）同轴装配到阵元安装孔（6）内，然后将组装好的相控阵天线阵面结构件（4）放入真空温箱内，在真空温箱内80℃~100℃的工艺条件下完成自适应封装；

其中，在真空温箱内80℃~100℃的工艺条件下，形状记忆合金密封环（1）相变为在奥氏体和马氏体两种结晶态之间转变的记忆行为体，产生强烈收缩后的延展性紧固力对薄壁内环筒（2）腔体的圆周产生作用在阵元组件射频连接器（3）上，产生颈缩性的双向形状记忆效应SME的回复应变和形状回复力塑性变形，并最终实现相控阵天线阵面大规模阵元的自适应封装。

2.如权利要求1所述的相控阵天线大规模阵元自适应封装工艺方法，其特征在于：所述的形状记忆合金密封环（1）采用镍-钛系合金是形状记忆合金、铜系形状记忆合金、添加了微量钛、锰、锆的铜系形状记忆合金、铜-锌-铝合金系形状记忆合金，铁系形状记忆合金、铁-锰合金、铁-铂合金以及不锈钢系形状记忆合金SMA材料中的一种。