CN115513662B - 一种曲面天线曲面电阻结构及其原位增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及曲面天线技术领域，具体公开了一种曲面天线曲面电阻结构及其原位增材制造方法，其结构包括若干组辐射单元、分别与辐射单元连接的曲面电阻；所述曲面电阻的两端分别与两组辐射单元连接；在所述曲面天线介质的表面设置有工艺槽，所述曲面电阻采用增材制造的方式加工在所述工艺槽内；以及公开了具体的制造方法。本发明能够有效的确保曲面电阻高精度、高可靠性设计及制造，以提高曲面天线的集成密度与隐身性能。
Description
技术领域
本发明涉及曲面天线技术领域，更具体地讲，涉及一种曲面天线曲面电阻结构及其原位增材制造方法。
背景技术
相对于普通天线，曲面天线在气动布局、隐身性、探测距离与范围方面有明显的优势，这也促使低剖面、随形部署、高密度集成与一体化成为了当前天线设计制造的热点。
为了与平台结构外形融为一体，天线亦被设计为曲面形式，曲面包含可展开曲面与不可展开曲面。曲面天线需要电阻来保障天线的阻抗匹配性能，因此在可展开与不可展开曲面上设计与制造电阻对于曲面天线是至关重要的。
传统的曲面上电阻设计一般选用标准的平面片式电阻器件，制造一般基于平面柔性电路板采用回流焊接方式集成平面片式电阻。针对可展开曲面，焊接好电阻后，将整个曲面天线辐射面与电阻再弯曲成型粘接至天线孔径表面。采用该平面片式电阻结构与“平面焊接+弯曲粘接”制造工艺路线致使电阻存在装配应力，装配应力导致电阻易脱落，装配可靠性有待提升，另外采用焊接工艺集成的电阻，其焊点对于整个天线的隐身特性是不利的。针对不可展开曲面辐射面与电阻的制造，以上制造路线无法实现，天线行业内目前也无成熟的设计与制造方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种曲面天线曲面电阻结构及其原位增材制造方法；该曲面电阻结构与制造方法可确保曲面天线任意曲面电阻高精度、高可靠性设计及制造，以提高曲面天线的集成密度与隐身性能。
本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
一方面：
本发明提供了一种曲面天线曲面电阻结构，设置在曲面天线介质的表面；包括若干组辐射单元、分别与辐射单元连接的曲面电阻；所述曲面电阻的两端分别与两组辐射单元连接；在所述曲面天线介质的表面设置有工艺槽，所述曲面电阻采用增材制造的方式加工在所述工艺槽内。
在一些可能的实施方式中，
曲面电阻位于两组辐射单元之间且采用搭接相互连接。
在一些可能的实施方式中，
曲面电阻阻值满足以下公式：
其中，ρ为材料电阻率；
L为曲面电阻的弧长度；
w为宽度；
d为厚度；d≥50um；
m为电阻与辐射单元的搭接长度；m为0.15-0.5mm。
在一些可能的实施方式中，
所述曲面电阻为浆料方阻；所述曲面电阻采用钌系浆料制成，其方阻阻值为10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ中的任意一种。
在一些可能的实施方式中，
所述曲面电阻包括有效面、以及设置在有效面两端的搭接面，所述有效面的长度为L-2m，所述曲面电阻的厚度为0.05-0.5mm；
所述工艺槽的曲率与曲面天线介质的曲率一致，其深度为D，0.1mm≥D ＞0mm，所述工艺槽的长宽与曲面电阻的长宽一致；
所述曲面天线介质采用高分子材料或陶瓷制成。
另一方面：
本发明还公开了一种曲面天线曲面电阻结构的原位增材制造方法，具体包括以下步骤：
步骤S1:采用激光减材制造方法进行工艺槽加工；采用“十”字网格法加工，调整固定在夹具上的曲面天线介质至振镜范围进行扫描和加工；
步骤S2:曲面电阻待加工位置表面的粗化处理；
步骤S3:在工艺槽内采用激光增材制造进行曲面电阻制备；
步骤S4:采用干冰射流定向喷射方法对曲面电阻的表面进行强化处理；
步骤S5:利用激光调阻的方法对曲面电阻进行调阻；
步骤S6:曲面电阻表面防护处理，完成制备。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现工艺槽的制造；
采用紫外纳秒激光器进行工艺槽制造，所述紫外纳秒激光器发射的激光波长为355nm，紫外纳秒激光器功率设置为1.5-2W，紫外纳秒激光器的振镜扫描次数为10-20次，扫描速度为2000-3000mm/s。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现曲面电阻的制备；
所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31:在完成曲面电阻表面粗化处理后，根据浆料方阻的方阻阻值选用对应的钌系浆料；
步骤S32:将钌系浆料涂覆在工艺槽并进行高温预固化成型；
步骤S33:利用连续激光直接照射涂覆区域内的钌系浆料，将其烧结固化，制造出曲面电阻；其中，所述连续激光的功率密度6*104-8*104W/cm2、扫描速度为5-8mm/s。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现对于钌系浆料进行涂覆及高温固化处理；所述步骤S32具体是指：
采用直写笔将将钌系浆料涂覆在工艺槽内，其中直写笔的预置速率为8 -12mm/s，驱动气压为0.1-0.2MPa；
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现对于曲面电阻的调整，提高曲面电阻阻值精度；
所述步骤S5具体是指：
将步骤S4处理后的曲面电阻装夹在激光调阻设备上；
调整激光调阻设备的探针位置至曲面电阻两端的搭接电路并接触；
根据初始电阻值大小选用图形切割法，调整阻值至曲面电阻的设计值。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现粗化处理，提高结合力，防止脱落；
所述步骤S2具体是指曲面天线介质上通过物理粗化或化学粗化的方法对曲面电阻待加工位置的表面进行粗化处理：
当采用物理粗化为等离子粗化时，气氛为氩气，流量为120-150SCCM，射频功率为300-500W，处理时间为480-600S。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明可确保曲面天线任意曲面电阻高精度、高可靠性设计及制造，以提高曲面天线的集成密度与隐身性能；
本发明提升了曲面天线的隐身性能与一体化集成密度，利用激光减材制造的方式来制造出的工艺槽保证了电阻图形精度、利用表面粗化的方式来增强了天线介质与曲面电阻之间的结合力、利用激光增材制造的方式来保证其曲面电阻的厚度均匀性与结合力、利用干冰射流定向喷射方法提升了曲面电阻阻值稳定性，利用激光调阻方法将曲面电阻精度提升至±3％；
本发明利用原位增材制造方法解决了“平面辐射面焊接电阻+折弯粘接”的传统制造方法制备可展开曲面天线带来的电阻装配应力问题以及不可展开曲面天线电阻无法组装的问题。
附图说明
图1为本发明中曲面天线曲面电阻结构的剖面图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明中工艺槽在曲面天线介质上的分布示意图；
图4为图3中B处的放大示意图；
图5为图4中C-C处的剖视视图；
图6为本发明中曲面天线曲面电阻结构的轴视图；
图7为图6中D处的放大示意图；
其中：1、曲面天线介质；11、工艺槽；2、辐射面；21、辐射单元；3、曲面电阻。
具体实施方式
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面对本发明进行详细说明。
一方面：
如图1-图7所示：
本发明提供了一种曲面天线曲面电阻3结构，设置在曲面天线介质1的表面；包括若干组辐射单元21、分别与辐射单元21连接的曲面电阻3；所述曲面电阻3的两端分别与两组辐射单元21连接；在所述曲面天线介质1表面设置有工艺槽11，所述曲面电阻3采用增材制造的方式加工在所述工艺槽11 内。
在一些可能的实施方式中，
所述曲面电阻3位于两组辐射单元21之间且采用搭接相互连接。一组曲面电阻3与两组辐射单元21对应设置，该两组辐射单元21对称设置。
在一些可能的实施方式中，
曲面电阻3阻值满足以下公式：
其中，ρ为材料电阻率；
L为曲面电阻的弧长度；
w为宽度；
d为厚度；d≥50um；
m为曲面电阻3与辐射单元21的搭接长度；m为0.15-0.5mm。
在一些可能的实施方式中，
所述曲面电阻3为浆料方阻，如图1、图2所示，为弧形长方体结构；所述曲面电阻3采用钌系浆料制成，其方阻阻值为10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ中的任意一种。
在一些可能的实施方式中，
所述曲面电阻3包括有效面、以及设置在有效面两端的搭接面，所述有效面的长度为1-2m，即，L-2m＝1-2m；所述曲面电阻的厚度为0.05-0.5mm；
其中，有效面位于工艺槽内，搭接面用于对辐射单元21进行搭接。
所述工艺槽11的曲率与曲面天线介质1、曲面电阻3的曲率一致，其中，深度为D，0.1mm≥D＞0mm，所述工艺槽11的长宽与曲面电阻3的长宽一致；这样使得，所制备的工艺槽11内的曲面电阻3与工艺槽11的接触面更大，使得曲面电阻3与天线介质的连接更加牢固，不易脱落。
所述曲面天线介质1采用高分子材料或陶瓷制成。
优选的，如图1所示，曲面电阻3的截面呈T型结构，包括采用增材制造加工在工艺槽11内的小端、位于小端上方且两者同轴设置的大端，其中大端的底部将与分别与两组辐射单元21靠近工艺槽11的一侧搭接，搭接长度为m。
另一方面：
本发明还公开了一种曲面天线曲面电阻3结构的原位增材制造方法，具体包括以下步骤：
步骤S1:采用激光减材制造方法进行工艺槽11加工；
选用紫外纳秒激光器进行工艺槽制造；具体为采用“十”字网格法加工，调整固定在夹具上的曲面天线介质1至振镜范围进行扫描和加工；
进一步的，由于曲面电阻3的长度较长，在制造时需调整夹具多次加工，以保证电阻弧面精度。
优选的，当采用紫外纳秒激光器时，所述紫外纳秒激光器发射的激光波长为355nm，紫外纳秒激光器的功率设置为1.5-2W，紫外纳秒激光器的振镜扫描次数为10-20次，扫描速度为2000-3000mm/s。
步骤S2:对曲面电阻3在曲面天线介质1上的待加工位置表面进行粗化处理，提升结合面表面粗糙度；具体是指：在曲面天线介质1上通过物理粗化或化学粗化的方法对曲面电阻3待加工位置的表面进行粗化处理：
这里所描述的物理粗化为喷砂粗化、打磨粗化、等离子粗化中的任一一种；化学粗化为化学腐蚀粗化；
当采用的物理粗化为等离子粗化时，气氛为氩气，流量为120-150SCCM，射频功率为300-500W，处理时间为480-600S；
步骤S3:在工艺槽11内采用激光增材制造进行曲面电阻3制备；具体包括以下步骤：
步骤S31:在完成曲面电阻3表面粗化处理后，根据浆料方阻的方阻阻值选用对应的钌系浆料；
步骤S32:将钌系浆料涂覆在工艺槽11并进行高温预固化成型；具体是指：
采用直写笔将将钌系浆料涂覆在工艺槽11内，其中直写笔的预置速率为8-12mm/s，驱动气压为0.1-0.2MPa；
采用气动驱动的直写笔进行涂覆的方式，能够保证钌系浆料涂覆厚度的均匀性。
步骤S33:利用连续激光直接照射涂覆区域内的钌系浆料，将其烧结固化，制造出曲面电阻3；其中，所述连续激光的功率密度6*104-8*104W/cm2、扫描速度为5-8mm/s；
采用激光烧结固化的方式能有效的控制钌系浆料在固化过程中受重力作用导致的溢流，从而保证曲面电阻3精度；
采用上述方式所制备的曲面电阻3，曲面电阻3与曲面天线介质1的附着力大于1N/mm；有效的避免脱落的情况发生；
步骤S4:采用干冰射流定向喷射方法对曲面电阻3的表面进行强化处理；采用干冰射流定向喷射方式来处理增材制造的曲面电阻3，能够有效的提升曲面电阻3表面的致密度，保证曲面电阻3阻值的稳定性；
步骤S5:利用激光调阻的方法对曲面电阻3进行调阻；具体是指：
将步骤S4处理后的曲面电阻3装夹在激光调阻设备上；
调整激光调阻设备的探针位置至曲面电阻3两端的搭接电路并接触；
根据初始电阻值大小选用图形切割法，调整阻值至曲面电阻3的设计值，从而使得在电阻精度±3％以内。
图形切割法可以为I型单刀调阻法、双刀切割法、交叉对切调阻法、L 型刀口切割法、U型道口切割法，扫描去除法中的任一一种；
步骤S6:曲面电阻3表面防护处理，完成制备；
对于表面防护处理；优选的，通过喷涂的方式在曲面电阻3表面喷涂防护漆来实现；
具体的步骤依次为：清洗、驱潮、喷涂、固化；
其中清洗采用擦洗或浸泡洗，驱潮采用烘干法，喷涂采用压力喷枪喷涂，固化采用室温固化或烘干法。
本制造方法中利用激光减材制造的方式来制造精细的工艺槽11，工艺槽11能够有效的对曲面电阻3增材制造过程中限制钌系浆料溢流，有效的保障电阻图形精度；利用表面粗化的方式来增强曲面天线介质1与曲面电阻3 之间的结合力；利用激光增材制造的方式来制造曲面电阻3，保证电阻厚度均匀性；利用干冰射流定向喷射方法提升曲面电阻3阻值稳定性；利用激光调阻方法调整曲面上曲面电阻3的调阻。
实施例1：
本发明中曲面天线介质1为V型曲面，曲面电阻3与辐射面2随形设计于曲面天线介质1表面。辐射面2包括多组辐射单元21，一组曲面电阻3位于两个辐射单元21中间，曲面电阻3的两端与两组辐射单元21的搭接长度m为 0.3mm，曲面电阻3阻值设计为150Ω，选用100Ω方阻，电阻有效长度l-2m 且为1.5方。这里所描述的有效长度不包括曲面电阻两端的搭接长度。
其制造方法为：
设计曲面电阻3的三维模型，在曲面天线介质1的三维模型上采用紫外纳秒激光器进行工艺槽11制造；当采用紫外纳秒激光器时，所述紫外纳秒激光器发射的激光波长为355nm，紫外纳秒激光器功率设置为1.5-2W，紫外纳秒激光器的振镜扫描次数为10-20次，扫描速度为2000-3000mm/s；
根据工艺槽11的三维模型，选用高分子材料作为原材料进行曲面天线介质1制造；利用数控加工方法加工出V型曲面，利用激光减材制造方法制造出曲面电阻工艺槽11，槽深d＝0.05mm；
利用等离子方法在曲面天线介质1与曲面电阻3位置结合的表面进行粗化处理，其中气氛为氩气，流量120-150SCCM，射频功率300-500W，处理时间480-600S；依次提升曲面电阻3与曲面天线介质1结合面的表面粗糙度。
依据曲面电阻3的三维模型，在已完成表面粗化的曲面天线介质1上，根据曲面电阻3设计的方阻阻值选用对应的氧化钌浆料，先将氧化钌浆料涂覆预固化成型，再采用连续激光烧结固化；
即根据曲面电阻3的三维模型，借助于气压驱动的直写笔将氧化钌浆料涂覆在电阻工艺槽11内，然后用高温预固化；其中，直写笔的预置速率为8 -12mm/s，驱动气压为0.1-0.2MPa；
完成涂覆与预固化之后，再采用连续激光直接照射电阻浆料将其烧结固化，其中连续激光的功率密度6×104-8×104W/cm2、扫描速度5-8mm/s，完成曲面天线介质1表面制造出曲面电阻3，所制造的曲面电阻3的厚度d≥ 50um，其附着力大于1N/mm；
将曲面天线介质1固定在夹具上，利用干冰射流定向喷射依次对电阻进行定性喷射处理。
随后将曲面天线固定在夹具上，再装夹在激光调阻设备上，将待曲面电阻3调整至正面朝上，调整探针位置至曲面电阻3两端的搭接电路，并接触良好，根据初始电阻值大小选用合适的图形切割法，调整阻值至曲面电阻的设计值，电阻精度±3％以内。
通过喷涂的方式在辐射面2与电阻表面喷涂防护漆。
需要说明的是，本发明中的夹具为现有设备，只要用于夹持固定；其不是本申请的改进点，这里不再详述。
对制备的理论电阻为150欧姆的多组曲面电阻3放置在-65℃温箱中1h，再放置入120℃温箱中1h，中间温箱交换过程不超过5mi n，此温冲实验循环三次后，将曲面电阻3放置常温测电阻值。其测试结构如表1所示：
通过表1中1#-10#理论电阻为150欧的曲面电阻3的平均值和标准偏差，可以看出，所制备的曲面电阻的实测电阻值与理论值的偏差小，采用本发明的方法所制备的曲面电阻精度高。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.一种曲面天线曲面电阻结构，设置在曲面天线介质的表面；其特征在于，包括若干组辐射单元、曲面电阻；所述曲面电阻的两端分别与两组辐射单元连接；在所述曲面天线介质的表面设置有工艺槽，所述曲面电阻采用增材制造的方式加工在所述工艺槽内；
所述曲面电阻位于两组辐射单元之间且采用搭接相互连接；所述曲面电阻包括有效面、以及设置在有效面两端的搭接面；
所述有效面的长度为L-2m，L为曲面电阻的弧长度，m为电阻与辐射单元的搭接长度；
所述曲面电阻的厚度为0.05-0.5mm；
所述工艺槽的曲率与曲面天线介质的曲率一致，其深度为D，0.1mm≥D＞0mm，所述工艺槽的长宽与曲面电阻的长宽一致。
2.根据权利要求1所述的一种曲面天线曲面电阻结构，其特征在于，所述曲面电阻阻值满足以下公式：
其中，为材料电阻率；
w为宽度；
d为厚度；d≥50um；
m为0.15-0.5mm。
3.根据权利要求2所述的一种曲面天线曲面电阻结构，其特征在于，所述曲面电阻为浆料方阻;所述曲面电阻采用钌系浆料制成，其方阻阻值为10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种曲面天线曲面电阻结构，其特征在于，所述曲面天线介质采用高分子材料或陶瓷制成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种曲面天线曲面电阻结构的原位增材制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1:采用激光减材制造方法进行工艺槽加工；
采用“十”字网格法加工，调整固定在夹具上的曲面天线介质至振镜范围进行扫描和加工；
步骤S2:曲面电阻待加工位置表面的粗化处理；
步骤S3:在工艺槽内采用激光增材制造进行曲面电阻制备；
步骤S4:采用干冰射流定向喷射方法对曲面电阻的表面进行强化处理；
步骤S5:利用激光调阻的方法对曲面电阻进行调阻;
步骤S6:曲面电阻表面防护处理，完成制备。
6.根据权利要求5所述的一种曲面天线曲面电阻结构的原位增材制造方法，其特征在于，采用紫外纳秒激光器进行工艺槽制造;
所述紫外纳秒激光器发射的激光波长为355nm，紫外纳秒激光器功率设置为1.5-2W，紫外纳秒激光器的振镜扫描次数为10-20次，扫描速度为2000-3000mm/s。
7.根据权利要求5所述的一种曲面天线曲面电阻结构的原位增材制造方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31:在完成曲面电阻表面粗化处理后，根据浆料方阻的方阻阻值选用对应的钌系浆料；
步骤S32:将钌系浆料涂覆在工艺槽并进行高温预固化成型；
步骤S33:利用连续激光直接照射涂覆区域内的钌系浆料，将其烧结固化，制造出曲面电阻；其中，所述连续激光的功率密度6*104-8*104W/cm2、扫描速度为5-8mm/s。
8.根据权利要求7所述的一种曲面天线曲面电阻结构的原位增材制造方法，其特征在于，所述步骤S32具体是指：
采用直写笔将将钌系浆料涂覆在工艺槽内，其中直写笔的预置速率为8 -12 mm/s，驱动气压为0.1-0.2MPa。
9.根据权利要求5所述的一种曲面天线曲面电阻结构的原位增材制造方法，其特征在于，所述步骤S5具体是指：
将步骤S4处理后的曲面电阻装夹在激光调阻设备上；
调整激光调阻设备的探针位置至曲面电阻两端的搭接电路并接触；
根据初始电阻值大小选用图形切割法，调整阻值至曲面电阻的设计值。
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