CN115911880A - 一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及频率选择表面天线罩制作技术领域，具体涉及一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗及其制备方法。一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗，由下至上依次为天线罩/天线窗基底、立体贴片单元阵列、表面金属层；所述的天线罩/天线窗基底与立体贴片单元阵列为3D打印一体成型，所述立体贴片单元阵列贴合附于所述天线罩/天线窗基底上，所述表面金属层置于每个所述立体贴片单元上表面或外表面；所述立体贴片单元为凸起结构或沿所述天线罩/天线窗基底深度方向嵌入的凹陷结构，材料为硬质材料；与普通二维贴片型频率选择表面相比，也更适合通过3D打印技术实现，在滤波性能和工艺实施便利性等方面均有所提升。

Description

一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗及其制备方法

技术领域

本发明涉及频率选择表面天线罩制作技术领域，具体涉及一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗及其制备方法。

背景技术

频率选择表面（Frequency Selective Surfaces，简称FSS）是由周期排列的金属贴片单元或金属屏上周期排列的开孔单元构成的一种二维人工电磁材料，这种材料在单元谐振频率附近呈全反射（贴片）或全传输（开孔）特性，具有空间滤波的功能，其最重要的应用领域是频率选择天线罩/天线窗。频率选择天线罩/天线窗是将FSS阵列与原有介质天线罩复合而成的新型天线罩，能够对己方雷达工作频段透明，而对敌方探测/干扰雷达频段屏蔽，是武器装备雷达导引头舱对雷达隐身及抗电磁干扰的首选技术途径。目前FSS与原天线罩复合通常采用柔性膜胶粘转移或直接在天线罩表面制备金属图形等手段，但对于具有复杂曲面面形的天线罩/天线窗而言，有时无法实现理想效果，因此复杂曲面FSS阵列加工是制约频率选择天线罩/天线窗工程应用的主要瓶颈之一。

近年来，3D打印技术作为一种数字化、直接化的制造技术，为复杂曲面频率选择表面的制备，提供了一种全新的、灵活的方案。目前现有技术中，中国专利CN103395205B公开了一种3D打印技术直接成型出曲面壳体上的开孔单元阵列，然后再将表面进行金属化得到曲面FSS阵列的方法。该方法具有直接、快捷的优势，但只适用于制作简单开孔单元阵列。中国专利CN108134207A、CN108134208A、CN108123228B公开了一种采用3D打印技术加工三维曲面掩模，是一种间接方法，不能直接制作出频率选择表面单元阵列，需要再结合光刻、镀膜等工艺在天线罩表面上形成贴片型、开孔型、环型等FSS阵列。该方法与柔性膜分片拼接、激光刻蚀等现有FSS加工技术相比，其优势在于不再受限于天线罩外形的复杂程度，但制作工序相对复杂，同时对掩模的面形精度要求较为苛刻。

除了以上不足，上述两类方法均没有充分发挥3D打印技术在结构设计方面的优势，仅基于现有频率选择天线罩结构提供了一种可行的工艺实现途径。其实，3D打印技术更大的作用在于它能为创新设计拓展出巨大的空间，对于频率选择表面领域也是如此。从前，制备难题大大限制了设计的多样性和个性化发展；现在，很多相对复杂设计结构因3D打印技术具备了实现可行性。设计结构的创新发展增加了设计维度，能够进一步促进频率选择天线罩/天线窗的性能提升。

发明内容

本发明为解决频率选择天线罩/天线窗现有制备技术难题，创新设计结构，进而提升频率选择表面天线罩/天线窗的性能，提供一种基于3D打印技术的立体贴片型频率选择天线罩/天线窗及其制备方法。

本发明提供的立体贴片型频率选择天线罩/天线窗，包括天线罩/天线窗基底、立体贴片单元阵列、表面金属层，天线罩/天线窗的层状结构由下至上依次为天线罩/天线窗基底、立体贴片单元阵列、表面金属层；天线罩/天线窗基底与立体贴片单元阵列为3D打印一体成型，立体贴片单元阵列贴合附于所述天线罩/天线窗基底上，表面金属层置于立体贴片单元阵列外表面；天线罩/天线窗基底与立体贴片单元阵列的介电常数或等效介电常数不大于10、损耗正切不大于0.02；立体贴片单元为凸起结构或沿所述天线罩/天线窗基底深度方向嵌入的凹陷结构，材料为硬质材料。

优选地，立体贴片单元阵列的厚度为0.05～10mm。

优选地，天线罩/天线窗基底的厚度为1～40mm。

优选地，天线罩/天线窗基底的结构是实心结构、中空结构或蜂窝类的网格拓扑结构。

优选地，表面金属层的金属为良导体金属材料。

优选地，表面金属层厚度10-20μm。

优选地，立体贴片单元的形状为实心的方块、圆柱形、十字柱、Y柱或六角柱，或中心挖孔的方环、圆环贴片或蜂窝状。

本发明提供的立体贴片型频率选择天线罩/天线窗的制备方法，它包括如下步骤：

（1）结构设计：采用电磁仿真软件进行频率选择表面结构的仿真优化，根据目标滤波曲线，得到优化的天线罩/天线窗基底和立体贴片单元的材料、介电常数、形状、结构大小、厚度，以及立体贴片单元阵列金属化的状态；

（2）三维建模：采用三维建模软件进行立体贴片型频率选择表面的三维建模；

（3）打印成型：根据需求选择合适的材料和打印工艺，在3D打印设备上一体化成型出天线罩/天线窗基底和立体贴片单元阵列；

（4）打印后处理：去除支撑结构、清洗、干燥，必要时进行局部修磨；

（5）表面金属化：根据性能要求，在每个立体贴片单元的表面进行金属化处理。

优选地，立体贴片单元阵列由若干个层数相同的立体贴片单元排列组成，所述层数至少为1层。

优选地，天线罩/天线窗基底和立体贴片单元的材料为陶瓷浆料时，在步骤（5）之前需进行烧结脱脂处理。

本发明有益效果：

1、本发明基于3D打印技术直接成型各种复杂外形的立体贴片型频率选择天线罩/天线窗，与先打印出三维掩模再制备频率选择表面阵列的方法相比，工艺流程更为简单，可降低成本、提高效率，同时精度更高；与直接成型开孔型频率选择表面的方法相比，本发明适用性更为广泛，可以制备前者无法制备的贴片型频率选择表面；

2、重点改进了贴片结构而获得的新型三维频率选择表面，与现有多层、方波导、方同轴及金属通孔等类型的三维频率选择表面相比，结构相对简单，实用性更强；

3、本发明基于3D打印技术将基底和单元阵列进行一体化制备，省却了现有方法中的胶粘等环节，简化了工艺流程，结构可靠性也得到提升；

4、本发明中由于贴片单元是凸起的，金属化区域和非金属化区域产生高度上的壁垒，使这两个区域的隔离更清晰，更易进行贴片金属化工艺；

5、本发明利用3D打印技术在频率选择天线窗/天线罩结构的设计创新方面有较大提升；单元结构、基底结构的多样化、个性化设计，以及多种材料的巧妙结合，都增加了频率选择表面的设计维度，能够进一步提升频率选择表面性能。

综上，本发明立体贴片型频率选择天线罩/天线窗与普通二维贴片型频率选择表面相比，在滤波性能和工艺实施便利性等方面均有所提升。本发明的立体贴片型频率选择表面与现有的多层、方波导、方同轴及金属通孔型等三维频率选择表面有本质区别。本发明是在经典二维频率选择表面基础上，单元厚度由无限薄（微米级金属层厚）向有一定厚度转变（毫米级立体贴片厚度和微米级金属层厚的和），从而将单元立体化。由于贴片单元厚度、天线罩基底和单元内部的个性化结构均会影响最终的滤波性能，这就额外增加了设计的维度。同时，与上述三维频率选择表面相比，本发明整体结构更为简单，在天线罩/天线窗等曲面结构上更具实用性，也更适合通过3D打印技术实现。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的立体贴片型频率选择天线罩/天线窗单元结构示意图；1、天线罩/天线窗基底；2、立体贴片单元；3、仅立体贴片单元顶层金属化；4、立体贴片单元表层全部金属化。

图2是根据本发明实施例提供的基于3D打印技术的立体贴片型频率选择表面制备工艺流程图。

图3是根据本发明实施例提供的多种类型贴片和基底组合形式的立体贴片型频率选择表面单元结构示意图；A）实心立体贴片单元频率选择表面示例（金属化前）；B）贴片和基底不同材料的立体贴片单元示例（金属化前）；C）中心网格化的立体贴片单元示例（金属化前）。D）内凹贴片型立体单元示例（金属化后）；E）单层、双层、双层内凹贴片型频率选择表面示例（金属化后）；F）一体化夹层型介质基底示例（金属化前）。

图4是根据本发明实施例提供的立体贴片型频率选择表面阵列示意图；A）仅顶层金属化的立体十字贴片频率选择表面阵列；B）表面全部金属化的立体十字贴片频率选择表面阵列；C）仅顶层金属化的立体圆柱贴片频率选择表面阵列；D）表面全部金属化的立体圆柱贴片频率选择表面阵列。

图5是根据本发明实施例1提供的立体“Y环”贴片型频率选择表面天线罩；A）蜂窝夹心结构的立体贴片型频率选择天线罩底视；B）立体贴片型频率选择天线罩单个单元结构。

图6是根据本发明实施例1提供的立体“Y环”贴片型频率选择表面天线罩滤波曲线。

图7是根据本发明实施例2提供的变材料立体十字环贴片型频率选择天线罩；A）单元表面镀铝前；B）单元表面镀铝后。

图8是根据本发明实施例2提供的变材料立体十字环贴片型频率选择天线罩的滤波曲线。

图9是根据本发明实施例3提供的双层凹陷立体圆环贴片型频率选择陶瓷天线窗；A）双层凹陷立体圆环贴片型频率选择阵列透显视图；B）双层凹陷立体圆环贴片型频率选择表面单元透显视图。

图10是根据本发明实施例3提供的双层凹陷立体圆环贴片型频率选择陶瓷天线窗的滤波曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗，它包括天线罩/天线窗基底、立体贴片单元阵列、表面金属层；

天线罩/天线窗的层状结构由下至上依次为天线罩/天线窗基底、立体贴片单元阵列、表面金属层；

天线罩/天线窗基底与立体贴片单元阵列为3D打印一体成型，立体贴片单元阵列贴合附于所述天线罩/天线窗基底上，表面金属层置于每个立体贴片单元上表面或外表面；

天线罩/天线窗基底与立体贴片单元阵列的介电常数或等效介电常数不大于10、损耗正切不大于0.02；

立体贴片单元为凸起结构或沿所述天线罩/天线窗基底深度方向嵌入的凹陷结构，材料为硬质材料；

立体贴片单元阵列的厚度为0.05～10mm；

进一步的，立体贴片单元的厚度为2～5mm；

天线罩/天线窗基底的厚度为1～40mm；

进一步的，天线罩/天线窗基底的厚度为5～20mm；

立体贴片单元的形状为实心的方块、圆柱形、十字柱、Y柱或六角柱，或中心挖孔的方环、圆环贴片或蜂窝状等形状；

进一步的，立体贴片单元在厚度方向从上到下的截面尺寸相同，或截面尺寸连续渐变或不连续变化；

天线罩/天线窗基底的结构是实心结构、中空结构或蜂窝类的网格拓扑结构；

进一步的，所述中空结构，是在其内部进行网格化或挖孔处理从而得到表面高密度芯层低密度的夹层结构；

表面金属层厚度10-20μm，金属为良导体金属材料；

进一步的，所述表面金属层的金属为铜、银、金或铝；

进一步的，所述金属为铜、金或铝；

所述天线罩/天线窗基底和所述立体贴片单元的材料相同或不同，选自环氧类光敏树脂、丙烯酸类光敏树脂、聚酰亚胺类光敏树脂、尼龙、聚醚醚酮类、聚碳酸酯类、ABS塑料类或陶瓷浆料等材料中的至少一种。

一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗的制备方法，它包括如下步骤：

（1）结构设计：采用电磁仿真软件进行频率选择表面结构的仿真优化，根据目标滤波曲线，得到优化的天线罩/天线窗基底和立体贴片单元的材料、介电常数、形状、结构大小、厚度，以及立体贴片单元阵列金属化的状态；

（2）三维建模：采用三维建模软件进行立体贴片型频率选择表面的三维建模；

（3）打印成型：根据需求选择合适的材料和打印工艺，在3D打印设备上一体化成型出天线罩/天线窗基底和立体贴片单元阵列；

（4）打印后处理：去除支撑结构、清洗、干燥，必要时进行局部修磨；

（5）表面金属化：根据性能要求，在每个立体贴片单元的表面进行金属化处理；

所述三维建模软件为UG、AutoCAD、Solidworks或犀牛等软件；

所述的3D打印为熔融堆积成型、紫外光固化成型、喷射成型、激光选取熔融、激光选区烧结或电子束熔融等；

步骤（5）所述的表面金属化，采用真空镀、电镀、喷涂或丝网印刷等工艺实现；

立体贴片单元阵列由若干个层数相同的立体贴片单元排列组成，所述层数至少为1层；

天线罩/天线窗基底和所述立体贴片单元的材料选自具有雷达透波性能的工程塑料或陶瓷材料；

进一步的，天线罩/天线窗基底和所述立体贴片单元的材料选自环氧类光敏树脂、丙烯酸类光敏树脂、聚酰亚胺类光敏树脂、尼龙、聚醚醚酮类、聚碳酸酯类、ABS塑料类或陶瓷浆料等材料中至少一种；

天线罩/天线窗基底和立体贴片单元的材料为陶瓷浆料时，在步骤（5）之前需进行烧结脱脂处理。

实施例1 一种卵形立体贴片型频率选择天线罩的制备

一种卵形立体贴片型频率选择天线罩的制备，它包括如下步骤：

1、结构设计：用CST仿真软件进行仿真优化，优化结果如下：天线罩基底结构为A夹层结构，即2mm上面层+12mm网格芯层+2mm下面层；频率选择表面单元材料与天线罩材料相同，均为黑色尼龙材料，材料介电常数为3.2，损耗正切为0.008，芯层经网格化设计后等效介电常数约为1.5，损耗正切为0.005。单元形状为立体“Y环”贴片，即Y贴片中心再挖一个Y孔；所述“Y环”单元三个分支的长度宽度均相等，每两个分支形成120度角。Y贴片长度为3.16mm，宽度为1.6mm，内Y孔长度2.8mm，宽度0.8mm，立体单元整体厚度3mm。单元阵列沿天线罩环向周期为8mm，纵向周期为6.928mm（图5）。

2、三维建模：用Solidworks软件对天线罩基底和立体贴片阵列进行一体化三维建模。

3、3D打印：以黑色尼龙3D打印丝材为原材料，采用挤出成型工艺（FDM）进行打印；将三维模型输入打印设备，设置适当的摆放角度、支撑结构、温度、打印速度等工艺参数，开始逐层成型；

4、打印后处理：成型完毕后，去除支撑材料并清洗、烘干；检查模型外观及特征尺寸，如必要可进行局部修磨直至符合要求；

5、表面金属化：采用真空镀膜结合电镀的方法进行立体贴片外表面整体金属化，先用真空镀膜法制备厚度约1μm的铜层，再采用电镀法将铜层增厚至12μm±1μm，使铜层表面电阻≤0.2Ω/£。

立体贴片型频率选择表面天线罩制备完毕。该天线罩采用采用带阻型即贴片型频率选择表面，实现了3个宽通带，分别是0～12GHz的通带、20～24GHz通带和29～33GHz的通带（图6）。

实施例2 一种半球形立体贴片型频率选择天线罩的制备

一种半球形立体贴片型频率选择天线罩的制备，它包括如下步骤：

1、结构设计：用CST仿真软件进行仿真优化，优化结果如下：天线罩基底为实心结构，材料为黑色尼龙，介电常数为3.2，损耗正切为0.008，厚度6.5mm；频率选择表面单元材料为白色聚碳酸酯（PC）材料，介电常数为2.6，损耗正切为0.008；单元形状为立体十字环形贴片，即在十字贴片中心再挖一个十字孔；十字环形贴片单元长度为9.5mm，宽度为2mm，十字孔单元长度为8mm，宽度为1mm，立体贴片单元整体厚度4mm；另外，十字环形单元内部也做了挖空处理变成空心单元以降低单元部分的等效介电常数；挖空部分沿单元各表面厚度方向内0.5mm，即保持单元壳的厚度为0.5mm，这样处理后单元部分的等效介电常数约为1.2，损耗正切为0.004；单元阵列沿天线罩环向周期为10mm，纵向周期为10mm（图7）；

2、三维建模：用Solidworks软件对天线罩基底和立体贴片阵列进行一体化三维建模；

3、3D打印：以3D打印尼龙丝材和聚碳酸酯（PC）丝材为原材料，采用挤出成型工艺进行打印；将三维模型输入打印设备，设置适当的摆放角度、支撑结构、温度、打印速度等工艺参数，开始逐层成型；

4、打印后处理：成型完毕后，去除支撑材料并清洗、烘干；检查模型外观及特征尺寸，如必要可进行局部修磨直至符合要求；

5、表面金属化：采用真空镀膜方法对立体贴片外表面整体镀金，控制铝层厚度为12μm±1μm，使金层表面电阻小于≤0.4Ω/£。

立体贴片型频率选择表面天线罩制备完毕，该天线罩可在11.6GHz附近形成一个阻带，而在其两侧则形成较宽的通带（图8）。

实施例3 一种双层凹陷立体贴片型频率选择天线窗的制备

一种双层凹陷立体贴片型频率选择天线窗的制备，它包括如下步骤：

1、结构设计：用(CST MICROWAVE STUDIO，简称CST)三维电磁场仿真软件进行仿真优化，优化结果如下：频率选择表面单元材料与天线窗材料相同，均为石英陶瓷，介电常数为3.2，损耗正切为0.005.立体频率选择表面为较为特殊的内凹型双层频率选择表面，单元为立体圆环贴片单元，即金属圆环贴片部分向窗体嵌入一定深度，双层频率选择表面相对于窗体中心对称。窗体厚度8mm，圆环贴片外半径4mm，内半径3mm，嵌入窗体深度2mm，单元阵列为90度排布，周期9mm，即单元沿天线窗面形的横向和纵向间隔均为9mm；贴片表面金属是厚度约15μm的金层（图9）；

2、三维建模：用Solidworks软件对天线窗基底和立体贴片阵列进行一体化三维建模；

3、3D打印：以光敏石英陶瓷浆料为原材料，采用数字光固化（DLP）工艺进行陶瓷坯体的打印；将三维模型输入DLP打印设备，设置模型摆放角度、支撑结构、光照强度、光照时间、厚度等工艺参数，开始逐层成型；

4、坯体处理：坯体成型完毕后，去除支撑材料并清洗、烘干；将坯体置于烧结炉中，按照最高烧结温度为1200℃的温度曲线进行烧结，升温速率1℃/s，降温速率1℃/s，降至室温后取出；

5、局部调整：检查模型外观及特征尺寸，如必要可进行局部修磨直至符合要求；

6、表面金属化：在立体贴片顶层均匀喷涂银浆，控制厚度为15μm±1μm，然后置于烧结炉中，550℃固化后在表面形成光亮的金导电层，方阻≤0.2Ω/£；

立体贴片型频率选择表面天线窗制备完毕，该天线窗可在X频段（8GHz～12GHz）形成一个抑制效果特别好的阻带，透过率不高于-20dB；同时阻带两侧形成通带，高频侧14GHz～20GHz是一个超宽且高透过率的通带；低频侧6GHz附近有一个较窄的通带，透过率高于90%（图10）；陶瓷窗整体耐温可达800℃。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗，其特征在于：所述天线罩/天线窗为层状结构，从下至上依次为天线罩/天线窗基底、立体贴片单元阵列、表面金属层；

所述的天线罩/天线窗基底与立体贴片单元阵列为3D打印一体成型，所述立体贴片单元阵列贴合附于所述天线罩/天线窗基底上，所述表面金属层置于所述立体贴片单元阵列外表面；

所述的天线罩/天线窗基底与立体贴片单元阵列的介电常数或等效介电常数不大于10、损耗正切不大于0.02；

所述立体贴片单元为凸起结构或沿所述天线罩/天线窗基底深度方向嵌入的凹陷结构，材料为硬质材料。

2.根据权利要求1所述的一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗，其特征在于：所述立体贴片单元阵列的厚度为0.05～10mm。

3.根据权利要求2所述的一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗，其特征在于：所述天线罩/天线窗基底的厚度为1～40mm。

4.根据权利要求3所述的一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗，其特征在于：所述天线罩/天线窗基底的结构是实心结构、中空结构或蜂窝类的网格拓扑结构。

5.根据权利要求4所述的一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗，其特征在于：所述表面金属层的金属为良导体金属材料。

6.根据权利要求5所述的一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗，其特征在于：所述表面金属层厚度10-20μm。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗，其特征在于：所述立体贴片单元的形状为实心的方块、圆柱形、十字柱、Y柱或六角柱，或中心挖孔的方环、圆环贴片或蜂窝状。

8.一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗的制备方法，它包括如下步骤：

（1）结构设计：采用电磁仿真软件进行频率选择表面结构的仿真优化，根据目标滤波曲线，得到优化的天线罩/天线窗基底和立体贴片单元的材料、介电常数、形状、结构大小、厚度，以及立体贴片单元阵列金属化的状态；

（2）三维建模：采用三维建模软件进行立体贴片型频率选择表面的三维建模；

（3）打印成型：根据需求选择合适的材料和打印工艺，在3D打印设备上一体化成型出天线罩/天线窗基底和立体贴片单元阵列；

（4）打印后处理：去除支撑结构、清洗、干燥，必要时进行局部修磨；

（5）表面金属化：根据性能要求，在每个立体贴片单元的表面进行金属化处理。

9.根据权利要求8所述的一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗的制备方法，其特征在于：所述的立体贴片单元阵列由若干个层数相同的立体贴片单元排列组成，所述层数至少为1层。

10.根据权利要求8或9所述的一种立体贴片型频率选择天线罩/天线窗的制备方法，其特征在于：所述的天线罩/天线窗基底和立体贴片单元的材料为陶瓷浆料时，在所述步骤（5）之前需进行烧结脱脂处理。

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