基于SLM成形的四臂螺旋天線制造及性能分析*

洪 元，王 丹，李立洲，劉大勇，遲百宏

（北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京 100095）

引 言

四臂螺旋天線是由C.C.Kilgus[1]在1968年提出的，具有波束寬、增益高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，在北斗與GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航接收機中得到了廣泛應(yīng)用[2]。目前，四臂螺旋天線多采用機加工和焊接組裝方式進行制造，具有工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、造價高等缺點[1]。

3D打印技術(shù)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成形的優(yōu)點，在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-4]。目前，主要是利用3D打印技術(shù)可以制備一體化復(fù)雜結(jié)構(gòu)的特點制備天線，主要集中在制備共形微帶天線[5]、喇叭天線[6]、陣子天線[7]以及透鏡天線[8]上。螺旋天線的3D打印制備方法分為2種：一種主要通過在介質(zhì)柱上纏繞或電鍍螺旋導(dǎo)線的方式制備。如文獻[9]設(shè)計的一款基于3D打印的小型化超寬帶盤錐天線，就是首先將二維天線螺旋雙臂打印在柔性電路板（Flexible Printed Circuit,FPC）介質(zhì)上，然后將其貼附于介質(zhì)圓錐表面，對連接處進行焊接，用于支撐天線的圓錐基托也由3D打印制作。但這種方法需要加載饋電網(wǎng)絡(luò)版，依然需要印制電路板加工工藝的支持。第二種是通過3D打印成形螺旋天線空間結(jié)構(gòu)（采用自相位饋電方式），然后通過表面鍍金屬的方式來制備。如文獻[10]采用熔融沉積成形（Fused Deposition Modeling, FDM）方法打印ABS-PC塑料材料制備螺旋天線結(jié)構(gòu)，并通過表面鍍銅的方式實現(xiàn)其功能，天線效率達89.1%。但對于星載導(dǎo)航天線，需滿足高低溫、輻照等空間環(huán)境適應(yīng)性要求，而高分子材料基體結(jié)構(gòu)難以滿足這些要求。

選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）成形技術(shù)是一種高性能金屬零件3D打印技術(shù)[11]，除了具有一體化成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢之外，還具有金屬耗材種類多、制件致密度高、表面粗糙度低、強度高等優(yōu)點，且僅需噴砂或簡單機加工處理即可直接作為零件使用。因此，采用選區(qū)激光熔化技術(shù)成形輕質(zhì)合金（如鋁合金）在滿足一體化、低成本制造需求的同時，還能滿足螺旋天線的功能性需求，在制備四臂螺旋天線方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本文針對綜合電性能需求，采用SLM技術(shù)一體化加工四臂螺旋天線，并測量、分析駐波比、增益等電性能，對螺旋天線綜合性能提升及低成本制造具有重要意義。

1 一體化成形結(jié)構(gòu)分析與制造

四臂螺旋天線采用自相位饋電方式，通過調(diào)整2對正交螺旋線的長度，使其輸入導(dǎo)納分別為感性和容性，從而將饋電相位差調(diào)整為90°，使天線形成圓極化輻射特性。通過巴倫完成饋電的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換（巴倫也起到支撐螺旋線的作用）?；趥鹘y(tǒng)方法成形的天線結(jié)構(gòu)由螺旋線、巴倫內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體、底座、短路片、固定介質(zhì)帽等共11個零件組成。4根螺旋線與巴倫外導(dǎo)體之間、巴倫內(nèi)外導(dǎo)體與短路片之間采用銀釬焊的方式進行裝配。四臂螺旋天線整體結(jié)構(gòu)及外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 四臂螺旋天線整體結(jié)構(gòu)及外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)采用一體化的設(shè)計思路對上述天線進行設(shè)計改進，將天線的螺旋線、外導(dǎo)體、短路片和底板進行一體化加工，避免了焊接等裝配步驟，并將零件數(shù)減少為7個。

由于SLM技術(shù)在一體化加工過程中存在金屬堆積內(nèi)應(yīng)力作用效應(yīng)，天線巴倫縫隙等豎直壁結(jié)構(gòu)可能存在局部結(jié)構(gòu)形變問題，因此分析天線巴倫縫隙寬度容差對螺旋天線駐波比、增益等電性能的影響，為SLM加工提供尺寸約束條件。依據(jù)天線結(jié)構(gòu)，將巴倫縫隙寬度（原寬度為1 mm）增加/減少0.2 mm和0.4 mm后進行仿真。其駐波比性能變化如圖2所示。

圖2 不同巴倫縫隙寬度下的駐波比

通過仿真數(shù)據(jù)可以看出，天線巴倫縫隙容差在±0.2 mm范圍內(nèi)，駐波比在1.561 GHz及1.575 GHz應(yīng)用頻點上的數(shù)值小于1.2，變化小于0.1，對天線性能指標的影響較小，能夠滿足天線設(shè)計指標要求。當(dāng)天線巴倫縫隙容差達到±0.4 mm時，其駐波比最低頻點較巴倫縫隙為1 mm時已產(chǎn)生一定偏移量。綜上分析，天線巴倫縫隙容差會對天線駐波比性能產(chǎn)生影響，因此優(yōu)化天線巴倫縫隙容差可以提高天線性能。

運用SLM技術(shù)（選用設(shè)備型號為FS271M）進行打印加工。表1為四臂螺旋天線加工的相關(guān)工藝參數(shù)，圖3為加工的四臂螺旋天線外導(dǎo)體及裝配后的樣品。

圖3 加工的四臂螺旋天線外導(dǎo)體及裝配后樣品

表1 四臂螺旋天線加工的相關(guān)工藝參數(shù)

2 測試結(jié)果與討論

圖4為螺旋天線巴倫縫隙結(jié)構(gòu)細節(jié)圖。SLM成形后所制備的螺旋天線的巴倫縫隙寬度從底部往上呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，經(jīng)過測量，在±0.2 mm的容差范圍之內(nèi)，如圖4（b）所示。縫隙產(chǎn)生偏差的原因在于SLM技術(shù)是逐層累積疊加成形，層間截面形狀和大小不同，對相鄰層的冷卻收縮有影響。所制備的四臂螺旋天線外導(dǎo)體上部結(jié)構(gòu)懸空，需要加支撐成形，而支撐結(jié)構(gòu)強度不如實體強度，在打印過程中收縮變形過大，致使實體變形。為提高所制備四臂螺旋天線的性能，采用線切割技術(shù)對巴倫縫隙進行處理，以提高巴倫縫隙的均勻度，如圖4（c）所示。通過線切割，對上端小于1 mm的巴倫縫隙進行切割。分析線切割后的螺旋天線圖發(fā)現(xiàn)，其頂部的0.8 mm已經(jīng)變?yōu)? mm，這樣可部分改善天線的基本性能。

圖4 螺旋天線巴倫縫隙結(jié)構(gòu)細節(jié)圖

測試制備的四臂螺旋天線的駐波比、增益、軸比等，并與采用線切割處理后的四臂螺旋天線以及設(shè)計仿真數(shù)據(jù)進行對比，分析其相關(guān)性能。本文采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（N5424A）測試駐波比，采用球面近場測試系統(tǒng)（HC63-18）測試增益。圖5為增益測試實景圖。

圖5 增益測試實景圖

圖6為采用2種方法加工的四臂螺旋天線駐波比對比圖。從圖6可見，所制備四臂螺旋天線的駐波比數(shù)值在設(shè)計頻段1.561 GHz和1.575 GHz上的駐波比均小于1.2，均滿足駐波比小于1.5的設(shè)計指標，其數(shù)值變化趨勢與仿真結(jié)果一致。采用線切割處理后的螺旋天線駐波比優(yōu)于采用SLM技術(shù)一體化成形的螺旋天線的駐波比，證明通過后處理技術(shù)提升SLM一體化成形天線制品的尺寸精度，有助于提高天線的駐波比性能。

圖6 采用2種方法加工的四臂螺旋天線駐波比對比圖

圖7（a）和（b）分別是在1.561 GHz和1.575 GHz頻點處的四臂螺旋天線增益對比圖。采用線切割處理后螺旋天線的增益在±70°俯仰角內(nèi)分別高于0.1 dB和-0.3 dB，與仿真數(shù)據(jù)基本一致，俯仰角為0°時，在1.561 GHz和1.575 GHz頻點處增益分別為5.5 dB和5.4 dB，在±45°俯仰角內(nèi)增益分別高于3.3 dB和2.8 dB，完全滿足設(shè)計及使用要求。

圖7 采用2種方法加工的四臂螺旋天線增益對比圖

采用SLM技術(shù)一體化成形的3D打印制備的四臂螺旋天線在俯仰角為0°時，在1.561 GHz和1.575 GHz頻點處的增益值分別為5.2 dB和5.0 dB，在±45°俯仰角內(nèi)增益值分別高于2.8 dB和1.9 dB，在±70°俯仰角內(nèi)增益值分別高于-1.1 dB和-0.8 dB，同樣超出了設(shè)計及使用要求。

通過2種天線的駐波比和增益對比發(fā)現(xiàn)，僅采用SLM技術(shù)制備的四臂螺旋天線在設(shè)計頻段范圍內(nèi)的性能略低于線切割處理后的螺旋天線的性能，但仍能滿足導(dǎo)航接收天線的使用需求。與仿真數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)，采用SLM技術(shù)一體化成形的螺旋天線的性能數(shù)值仍有一定偏差，其主要原因在于：

1）3D打印的四臂螺旋天線雖采用一體成形，但在局部結(jié)構(gòu)上存在尺寸精度較低等缺陷，如巴倫開槽的精度低導(dǎo)致天線的駐波比和增益下降。對于巴倫縫隙結(jié)構(gòu)尺寸精度優(yōu)化，可采用線切割等后處理的方式保證變形精度。此外，還可通過改變SLM成形工藝參數(shù)及為制件打印支撐結(jié)構(gòu)來減少變形。

2）在沒有后處理的情況下，采用SLM技術(shù)制備的樣品表面粗糙度約為15 μm，比銑削加工表面粗糙度小于1 μm的成形精度要求差，螺旋線和巴倫外導(dǎo)體內(nèi)表面的表面粗糙度高會加大金屬損耗，降低增益。因此，對于表面粗糙度，可采用噴砂、化學(xué)腐蝕以及表面鍍金等方式進行優(yōu)化。

傳統(tǒng)機加工成形包括內(nèi)外導(dǎo)體銑削、螺旋線彎曲、焊接、熱處理和組裝共5個步驟；3D打印一體化成形僅包括SLM成形和后處理2個步驟；一體化成形后增加線切割步驟，其加工周期及加工成本會相應(yīng)增加。這3種生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)工序數(shù)量、加工成本和生產(chǎn)周期對比見表2。

表2 三種成形方法對比

綜上所述，在滿足使用基本性能后，采用SLM技術(shù)一體化成形的螺旋天線的加工成本及生產(chǎn)周期明顯低于增加后處理工序的螺旋天線，更優(yōu)于傳統(tǒng)機加工、裝配焊接的成形方法，因此，在生產(chǎn)成本及周期方面，采用SLM技術(shù)制備的四臂螺旋天線極具優(yōu)勢。對于提高SLM技術(shù)成形精度，可以通過優(yōu)化打印路徑、打印速度來減少金屬3D打印內(nèi)應(yīng)力翹度，或通過優(yōu)化打印的支撐結(jié)構(gòu)和零件擺放方式來抵消應(yīng)力，增加熱量傳導(dǎo)。

3 結(jié)束語

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用SLM技術(shù)制備四臂螺旋天線，對天線的螺旋線、外導(dǎo)體、短路片和底板進行一體化加工，避免了焊接等裝配步驟，將零件數(shù)量由11個減少到7個，并在在生產(chǎn)成本及周期方面優(yōu)于傳統(tǒng)機加工、裝配焊接的成形方法。

經(jīng)測試，采用SLM技術(shù)一體化成形的四臂螺旋天線在1.561 GHz和1.575 GHz頻點處的駐波比分別為1.17 和1.14，俯仰角為0°時增益值達到5.2 dB 及5.0 dB，在±45°俯仰角內(nèi)增益值分別高于2.8 dB和1.9 dB，在±70°俯仰角內(nèi)增益值分別高于-1.1 dB和-0.8 dB，滿足導(dǎo)航天線使用要求。

通過線切割后處理對巴倫縫隙寬度進行優(yōu)化后，螺旋天線的駐波比提升了0.02，增益平均提升了0.5 dB，證明后處理SLM成形天線可以提升其綜合性能。