一種基於三維列印的智能蒙皮天線結構的製作方法
2023-10-26 13:57:47
本發明涉及一種有源相控陣天線結構，具體涉及一種基於三維列印的智能蒙皮天線結構，屬於天線技術領域。
背景技術：
隨著航空、航天中飛機、火箭、衛星等各種飛行器的發展，近代無線電子設備大量在飛行器上使用，其中天線種類繁多，為了提高天線性能，增強天線的方向性及實用性，各式各樣的天線陣接踵而至，大陣列平面天線本體龐大，天線單元數量繁多；共形承載天線工藝複雜，覆蓋於飛行器大部分表面，增加了飛行器本體的重量，而且現有的天線陣一旦成型，幾乎難以根據要求在現有陣列上增減天線單元的數量，其複合成本也較高，不利於天線單元的靈活使用和重複利用。同時，大型天線陣列在服役時受到外界載荷及內部應力的影響而會產生結構變形，影響天線的電性能。為此，20世紀80年代，美國空軍研究機構提出「智能蒙皮」的創新技術構想，以提高天線的自適應性。
在相關研究中，中國電子科技集團公司第十研究所提出了一種嵌入式智能蒙皮天線的新構型，該構型將光纖傳感網絡層與重構子陣共體相連，並與薄膜tr子陣、可重構饋電網絡順次平行疊層排列，共同在端向並聯控制與功能維護模塊。該研究在公開發明專利「何慶強，何海丹，官正濤.一種嵌入式智能蒙皮天線，申請時間:2013-10-18,專利國別:中國，專利申請號:cn201310492003.7」中有所報導。
此外，西安電子科技大學的周金柱教授等人提出利用材料複合技術，將光纖傳感器埋入複合薄膜中，作為感知層與天線的射頻層結合在一起，來獲取天線的變形信息，從而反饋給電補償系統來修正天線的電性能。這種方法在公開發明專利「周金柱，李勳，段寶巖，黃進，王從思，李鵬.一種基於嵌入光纖光柵的智能蒙皮天線電補償方法.申請時間：2015.4.22，專利國別：中國，申請號：201510194075.2」中有所報導。此後，他又針對如何將光纖光柵傳感器植入天線結構當中，進行了詳細的研究和實驗，提供了一種智能蒙皮天線的製作方法，詳細描述了其製作過程和步驟，該方法降低了智能蒙皮天線的製作難度及工藝要求，這種方法在公開發明專利「周金柱，劉朝曦，李海洋，唐寶富，鍾劍鋒，黃進，王從思.一種智能蒙皮天線的製作方法,申請時間：2016-05-10，專利國別：中國，專利申請號：201610303788.2」中有所報導。
以上公開專利所涉及的智能蒙皮天線結構，其製作方式多採用傳統製作方法，輻射單元載體為傳統金屬材質，且沒有一種專利提出天線載體結構的技術性創新，本文提出一種新型天線載體結構，該方法與3d列印製造技術結合，不僅為智能蒙皮天線的載體模型提供新的思路，而且對於天線結構功能一體化以及天線電系統與結構的高度融合的研究，都提供了有效的新型載體，其具有巨大的市場潛力和工程應用價值。
目前較為成熟的3d列印工藝有七大類。分別是光固化列印(sla)、材料噴射列印、粘結劑噴射列印、選擇性雷射燒結列印(sls)、熔融沉積列印(fdm)、噴墨式3d列印以及片層壓式列印。其中以sla、sls、fdm和噴墨式3d列印等為主。目前能夠實現商品化的列印材料有光敏樹脂、橡膠類材料、工程塑料、金屬材料、陶瓷材料以及其他醫用材料。
3d列印突破了傳統加工模式，不需要機械加工設備即可快速製造各類形狀複雜的工件，不僅縮短了新產品的研製周期，而且降低了新產品的開發成本，其工作效率遠遠大於數控工具機。由於其本身具有降維製造、數字製造和堆積製造的特點，理論上可以列印任何複雜形狀的工件並且不需要提前設計模具，使得製造過程更加柔性化。多種類型的材料商品化，使得3d列印具有製造各類領域產品的優勢，尤其是sls雷射粉末燒結成型技術的不斷改善，使得加工精度和強度不斷提高，已經逐步應用於航空航天領域。
通過3d列印技術可以快速列印出各種材質的複雜天線輻射單元承載體，不僅可以滿足天線陣列的剛度承載要求，也大大減輕天線結構的重量。此外，3d列印生產的天線陣列載體，有利於批量生產，降低製造成本。
利用以上優勢，本文方法採用「化整為零」的思想，以單個單元線陣作為子陣，採用多種方式進行「拼圖」式連接。由於天線子陣可採用多種形狀，故可滿足天線陣列的多種樣式要求。最後利用3d列印技術便於加工微小結構的特點，設計內置光纖光柵傳感器的安裝位置，並保護其監測性能。
技術實現要素：
針對以上問題本發明提供了一種基於3d列印的可拼接式集成微帶天線陣列結構。
為了實現上述目標，本發明採用如下的技術方案：
一種基於三維列印的智能蒙皮天線結構，其特徵在於，包括天線子陣和天線承載骨架，天線子陣固定在天線承載骨架上。所述的天線子陣包括天線子陣保護層、天線子陣陣列和天線子陣tr組件層；天線子陣保護層覆蓋在天線子陣陣列上，天線子陣tr組件層設置在天線子陣陣列下方。
天線子陣陣列由天線子陣輻射單元層和天線子陣骨架組成。
天線子陣骨架由天線子陣單元骨架拼接而成。利用其邊緣的等間距通孔既可從橫向或縱向任意擴展子陣單元的數量，也可以錯位拼接，形成平行四邊形、三角形等多種天線陣列形狀。通過介質螺栓相互連接的天線子陣單元骨架，可以反覆進行拆卸和組裝，以滿足不同的工作要求，提高重複使用率。
天線子陣輻射單元層由天線輻射單元組成。
天線輻射單元和天線子陣單元骨架組成天線子陣陣列單元，天線輻射單元固定在天線子陣單元骨架上。
所述的天線子陣單元骨架呈長方形，其上設有用於安裝天線輻射單元的凹槽，凹槽深度與天線輻射單元厚度一致；每個凹槽中心有一個通孔；天線子陣單元骨架兩側平行的長邊邊緣上各設有等間距的螺栓孔ⅰ；在天線子陣單元骨架另外兩側平行的短邊邊緣上各設有等間距的螺栓孔ⅱ。
在天線子陣單元骨架長邊邊緣上，且位於天線單元的上方或者下方刻有微型孔槽，該微型孔槽直徑大於光纖直徑0.3mm，且微型孔槽出口處填充有液體固化膠。
所述子陣單元骨架採用拼接式方案設計，其邊緣連接部分採用兩種方式設計：
所述的第一種方式，天線子陣單元骨架兩側平行的長邊邊緣及兩側平行的短邊邊緣均為呈階梯狀，兩塊骨架間邊緣相互搭配通過粘接或者介質螺栓連接；
所述的第二種方式，天線子陣單元骨架兩側平行的長邊邊緣分別呈夾層、夾片狀，兩側平行的短邊邊緣也分別呈夾層、夾片狀；夾層一側的上下邊都設有的螺紋孔ⅰ，且螺紋孔ⅰ的位置及數量相同；兩塊骨架間邊緣相互插接通過粘接或者介質螺栓連接。
所述的天線承載骨架上設有凹槽，每個凹槽中間部分全部打通，在凹槽底部邊緣設有天線子陣固定螺栓孔；在凹槽側邊上開有光纖光柵通道微孔。
所述的天線輻射單元為微帶天線單元或平面螺旋天線單元。
所述天線子陣單元骨架的製造工藝如下：將設計的天線子陣單元骨架3d模型轉成stl文件；然後根據天線樣件的工作環境，選用機械強度大，耐高溫的尼龍或abs樹脂材料，對上述材料進行切片處理；採用sls雷射燒結技術上機列印；單元骨架成型後進行酒精浸泡，軟化支撐體進行去除操作；最後對單元骨架進行打磨、塗漆。
有益效果：本發明採用3d列印技術中的sls雷射燒結成型工藝生產天線載體，生產效率高，成本低，載體單元強度大，物理性能優越。本發明通過天線子陣單元骨架的拼接來組成天線子陣骨架，滿足天線陣列的多組合要求，靈活性高、重構性強，可提高利用率。本發明所用的天線子陣骨架體積小，節約空間資源，便於安置，降低載體重量。
附圖說明
圖1是本發明應用於機翼的整體效果圖；
圖2是圖1中所示天線整體結構的示意圖；
圖3是圖2中的天線整體結構的爆炸示意圖；
圖4是圖3中的天線子陣的爆炸示意圖；
圖5是圖3中的天線子陣陣列結構的示意圖；
圖6是圖5中天線子陣陣列結構的爆炸示意圖；
圖7是圖6中天線子陣骨架的裝配示意圖；
圖7-1與7-2分別是圖7的變形組合形式之一；
圖8是圖7中的第一類子陣單元骨架連接方式示意圖；
圖9是圖8中的第一類子陣單元骨架的示意圖；
圖10是圖7中的第二類子陣單元骨架連接方式示意圖；
圖11是圖10中的第二類子陣單元骨架示意圖；
圖12是圖3中的天線承載骨架的示意圖；
圖13是圖12中的天線承載骨架的局部示意圖；
圖14是本發明所述天線結構中天線子陣單元骨架的製造工藝流程圖。
圖中附圖標記的含義：1-天線子陣，1-1-天線子陣保護層，1-2-天線子陣輻射單元層，1-3-天線子陣骨架，1-4-天線子陣tr組件層，2-天線子陣陣列單元，3-天線輻射單元，4-天線子陣單元骨架，4-1-子陣單元骨架橫向連接螺栓孔，4-2-子陣單元骨架縱向連接螺栓孔，4-3-天線輻射單元固定螺栓孔，4-4-子陣單元骨架微型孔槽，4-5-子陣單元骨架方形通孔，5-天線承載骨架，5-1-天線子陣的固定螺栓孔，5-2-光纖光柵通道孔(微孔)。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本發明作具體的介紹。
如圖1、2所示，本發明提供了一種基於三維列印的智能蒙皮天線結構，包括天線子陣1和天線承載骨架5，天線子陣1固定在天線承載骨架5上。
如圖3、4所示，所述的天線子陣1包括天線子陣保護層1-1、天線子陣陣列和天線子陣tr組件層1-4；作為天線子陣保護層1-1的蒙皮覆蓋在天線子陣陣列上方，用以保護天線子陣輻射單元和加固天線子陣單元骨架間的連接，採用一體化複合工藝進行複合加工。天線子陣tr組件層1-4設置在天線子陣陣列下方。
如圖5、6、7、7-1、7-2所示，天線子陣陣列由天線子陣輻射單元層1-2和天線子陣骨架1-3組成；天線子陣骨架1-3由天線子陣單元骨架4拼接而成。天線子陣輻射單元層1-2由天線輻射單元3(微帶天線單元或平面螺旋天線單元)組成。天線輻射單元和天線子陣單元骨架4組成天線子陣陣列單元，天線輻射單元3固定在天線子陣單元骨架4上。
如圖7、7-1、7-2所示，天線子陣骨架由16塊天線子陣單元骨架組成。構成8×8的天線子陣骨架，此外根據所要求的m×n的天線陣列面可以自由組合天線子陣骨架，用以承載天線單元以及植入光纖光柵。
如圖8至11所示，是兩類天線子陣單元骨架和拼接方式。
兩類天線子陣單元骨架相同點是呈長方形，其上有四個方形凹槽，凹槽深度與天線子陣輻射單元厚度一致，可以放置1×4個天線單元，其表面平整，便於布置光柵。每個凹槽中心有一個方形通孔4-5，用以通過控制線路。每個凹槽四個角方位上有四個螺栓孔ⅲ4-3，當用粘接方式固定天線子陣輻射單元時，四個螺栓孔ⅲ可以用以定位，當使用介質螺栓固定天線子陣輻射單元時，四個螺栓孔ⅲ用以通過螺栓對天線子陣輻射單元進行固定。兩類天線子陣單元骨架兩側平行的長邊邊緣均有8個等間距螺栓孔ⅰ4-2，另外兩側平行的短邊邊緣均有兩個等間距螺栓孔ⅱ4-1，這些螺栓孔用以天線子陣單元骨架的縱向或者橫向連接，等間距打孔設計的優勢是天線子陣單元骨架進行拼接時，相鄰天線子陣單元骨架的上下邊緣及左右邊緣的螺栓孔間距恆等不變，這樣可以進行交錯式拼接，重構而成的天線子陣骨架既可以滿足矩形形狀，也可以滿足平行四邊形、不規則圖形等多種形狀(見附圖7-1和7-2)。與天線子陣單元骨架長邊平行(順應變形主方向，適合傳感器布局)，位於天線單元的上方或者下方刻有微型孔槽4-4，該微型孔槽直徑接近且大於光纖直徑(0.265mm)約0.3mm，用於植入光纖光柵傳感器，可以限制光纖光柵傳感器的位移，並對植入光纖的天線子陣單元骨架連接邊緣的孔槽出口處進行密封處理(填充液體固化膠)，加強光纖約束，該孔槽位置依據實際情況可在不同位置刻畫，本發明只展示一種位置(見附圖9、11)。
兩類天線子陣單元骨架的不同點是上下邊緣及左右邊緣形狀不同：
第一類天線子陣單元骨架如圖9，天線子陣單元骨架4兩側平行的長邊邊緣呈階梯狀，另外兩側平行的短邊邊緣也呈階梯狀，兩塊天線子陣單元骨架拼接方式如圖8，其優點是連接處剛度強。
第二類天線子陣單元骨架如圖11所示，天線子陣單元骨架4兩側平行的長邊邊緣一側呈夾層狀、另一側呈夾片狀；天線子陣單元骨架4另外兩側平行的短邊邊緣一側呈夾層狀、另一側呈夾片狀；兩塊天線子陣單元骨架拼接方式如圖10所示。其優點是連接穩固。
如圖12、13所示，是天線承載骨架5的結構示意圖。該骨架外形可以取決於天線安置空間，用以安置天線陣列和引出光纖光柵信號線路。本天線承載骨架5呈矩形，其上有六個凹槽，用以放置成型的天線子陣，每個凹槽中間部分全部打通，用以通過天線子陣的天線輻射單元控制線路。其局部細節如圖13，凹槽底部邊緣四邊均布有天線子陣固定螺栓孔5-1用以固定天線子陣，側面的光纖光柵通道孔(微孔)5-2用來引出光纖光柵信號線。
如圖14所示，是本發明所述天線子陣單元骨架的製造工藝流程圖。將設計的天線子陣單元骨架3d模型轉成stl文件；然後根據天線樣件的工作環境，選用機械強度大，耐高溫的尼龍或abs樹脂材料，對上述材料進行切片處理；採用sls雷射燒結技術上機列印；單元骨架成型後進行酒精浸泡，軟化支撐體進行去除操作；最後對單元骨架進行打磨、塗漆。
一種基於三維列印的智能蒙皮天線結構的製作過程如下：
採用尼龍或尼龍碳纖維材料，選用sls雷射燒結成型工藝製造天線子陣單元骨架，天線輻射單元可通過鉚接或者粘接的方式嵌入在天線子陣單元骨架的安置槽內；
所述的天線子陣骨架由前述的子陣單元骨架拼接而成，依靠定位通孔，可使用拼接或者粘接方式連接；
光纖光柵傳感器通過植入天線子陣單元骨架的微型孔槽的方式布置，再對天線子陣單元骨架兩端的微型孔槽密封處理；
所述的天線子陣保護層採用透波材料製作，耐磨損，用固體膠複合在天線子陣陣列表面，保護天線子陣陣列單元，提高結構穩固性。
所述的光纖光柵傳感器植入天線子陣單元骨架的微型孔槽的具體方式如下：所述的微型孔槽通過3d列印技術在天線子陣單元骨架內部刻畫，該微型孔槽直徑接近且大於光纖直徑(0.265mm)約0.3mm；
所述的微型孔槽軸線與天線子陣單元骨架長邊平行(順應變形主方向，適合傳感器布局)，可根據傳感器布局情況確定刻畫孔槽的位置，附圖中展示其中一種位置，隨天線子陣單元骨架的擴展可連續布置；
所述的光纖光柵傳感器通過前述的微型孔槽，用以限制位移，並對植入光纖的天線子陣單元骨架連接邊緣的孔槽出口處進行密封處理(採用液體固化膠填充)，加強光纖約束；
所述的光纖光柵傳感器的信號傳輸線沿著天線承載骨架的邊緣微孔伸出，連接外部的信息處理裝置。
利用3d列印技術對天線載體進行加工製造，由於天線載體需要滿足較大的承載能力，並且可能在惡劣環境中服役，所以其必須具備高強度、韌性好、耐高溫以及高精度等特點。通過市場觀察和反覆試驗，尼龍材料物理性能佳，可以承受179℃高溫，抗彎曲強度大，對天線單元輻射幹涉小，適用於實驗。sls雷射燒結成型技術的列印精度為0.1mm，滿足子陣單元裝配精度，並且已經在航空航天領域得到廣泛應用。最終確定採用尼龍或尼龍碳纖維材料，通過sls雷射燒結成型技術列印製造子陣單元骨架。該天線陣列結構不僅能夠滿足大天線陣列的多種形狀、尺寸要求，而且能夠自由增加、減少子陣單元的數量，多次重構新的天線陣列，同時能夠嵌入光纖光柵應變傳感器以實現天線陣列振動和變形的實時監測。