3D打印技術在機載超寬帶共形天線中的應用研究

韓壘 王剛 蔣維旭 趙鵬兵 湯尉 劉濤 黨濤

（1.空軍工程大學防空反導學院, 西安 710054；2.四川九洲電器集團有限責任公司, 綿陽 621000；3.西安電子科技大學, 西安 710071）

0 引 言

3D打印技術的思想起源于19世紀的美國，在20世紀80年代得以推廣與發(fā)展，至21世紀初，在電子技術等諸多領域得到應用。打印材料由原來的單一品種發(fā)展為多種材料的混合打印，相應的打印工藝也快速發(fā)展，打印對象由簡單的平面結構向復雜的曲面結構發(fā)展。早在20世紀90年代初，國內(nèi)多個高校及研究所就開展了3D打印技術的研究，經(jīng)過20多年的發(fā)展，在設備、打印材料及控制軟件等方面研究成果顯著，使得3D打印技術的應用日益廣泛[1-2]，尤其在航空航天領域具有廣闊的應用前景[3]。

與常規(guī)加工手段相比，3D打印技術最重要的優(yōu)勢在于不需要開模就能夠直接加工出復雜的三維結構，周期短、成本低。利用多種材料混合加工的3D打印技術，可以將組成導電電路的金屬材料按照設計好的電路通過“打印”噴涂到塑料框架或其他載體的表面，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的印刷電路工藝，實現(xiàn)電路板的功能。

3D打印技術在天線設計和加工方面有較多應用，文獻[4]搭建了共形打印系統(tǒng)，并初步驗證了制備共形天線的可能性；文獻[5]利用3D打印技術設計制造了徑向開孔分層的龍伯透鏡天線；文獻[6]設計了拋物面的太赫茲天線；文獻[7-8]設計了復雜的喇叭天線等；文獻[9]基于改進的3D打印技術實現(xiàn)了毫米波天線設計；文獻[10]實現(xiàn)了20倍頻程的超寬帶螺旋天線，但上述文獻設計的均為非共形結構天線。

針對超寬帶相控陣天線傳統(tǒng)的組陣方式尺寸過大不能滿足安裝空間的要求，2003年美國的Ben Munk及其團隊提出了基于單元間緊耦合效應的超寬帶相控陣天線，并成功研制出2~18 GHz的超寬帶相控陣，通過增加陣列中單元間的互耦[11]使整個陣列的尺寸明顯減小，具有獨特的優(yōu)勢。之后基于緊耦合的超寬帶相控陣技術在國內(nèi)外的研究逐漸增多[12-15]。機載相控陣設計天線時需要模擬襟翼的安裝環(huán)境，與流線型表面共形的相控陣成為技術突破的關鍵，目前這種共形的緊耦合相控陣實例尚不多見。

為模擬飛機平臺襟翼共形表面對天線的安裝要求，本文提出了混合3D打印技術，實現(xiàn)了襟翼的流線型表面模型打印，并對緊耦合超寬帶共形天線的設計和加工可行性進行了探索。在此流線型表面模型上設計和打印了超寬帶緊耦合相控陣天線，通過實測，結果顯示所設計天線的電性能指標符合技術要求，為3D打印技術實現(xiàn)天線和安裝平臺一次成型加工奠定了基礎。

1 天線原理分析與設計

1.1 天線理論分析

緊耦合輻射單元與傳統(tǒng)超寬帶天線的設計完全不同，在陣列的每個單元之間引入了強耦合效應，這主要是因為陣列阻抗帶寬的增加必須引入額外的電容，來抵消反射板引起的電感效應。陣列單元采用相鄰單元端部具有重疊結構的短偶極子，可有效提高單元間電容特性，拓寬天線工作頻帶，短偶極子單元在開始和結束處連接，單元間距比傳統(tǒng)相控陣小得多，加強了單元之間的耦合效應。端部的重疊結構形成耦合電容用于抵消反射接地的電感。

緊耦合天線原理如圖1所示，圖1(a)為一個單元的結構，圖1(b)為無限大天線陣列的等效電路。h表示緊耦合天線元件與金屬接地之間的距離，ZTCDA表示具有金屬接地的無限陣列中緊耦合天線單元的輸入阻抗，RA0和XA分別表示無金屬接地的無限陣列中緊耦合天線元件的輻射電阻和輻射電抗，Z1+表示從天線平面看向金屬接地時的阻抗。因此，在該陣列中，在沒有金屬接地的情況下，緊耦合天線單元的輻射阻抗可以表示為

圖1 緊耦合天線陣列原理圖Fig.1 Schematic of tightly coupled antenna array

Z1+可被視為終端短路部分的等效傳輸線阻抗，有

式中，β是自由空間中的傳播常數(shù)。

當天線添加到金屬接地時，緊耦合天線的總輸入阻抗表示為

由于天線平面上的2RA0和Z1+并聯(lián)，所以2RA0||Z1+在低頻時呈現(xiàn)電感，在高頻時呈現(xiàn)電容。由于偶極子天線的末端具有電容特性，所以jXA在低頻時呈現(xiàn)純電容，在高頻時呈現(xiàn)純電感。當jXA與2RA0||Z1+串聯(lián)時，XA可以抵消2RA0||Z1+的虛部。因此，緊耦合偶極子陣列通?？梢詫崿F(xiàn)超過4倍頻帶的帶寬。

1.2 天線單元和饋電結構設計

根據(jù)以上理論和天線與飛機襟翼共形的安裝要求，本文設計的緊耦合天線單元如圖2所示。對稱的蝴蝶結單元寬邊尺寸為W1，窄邊尺寸為W4，偶極子總尺寸為W2，單元間間距為D1，饋電點間距為D2。

圖2 蝴蝶結天線單元圖Fig.2 Dimensional drawing of bow antenna unit

為提高輻射效率和增加帶寬，采用HFSS軟件對單元尺寸進行計算，參數(shù)最優(yōu)結果如表1所示。

表1 天線參數(shù)表Tab.1 Antenna parametersmm

饋電結構巴倫設計原理如圖3所示，寬帶同軸巴倫由三個內(nèi)導體均串聯(lián)了λ0/4長開路支節(jié)的同軸線A、C、D及空腔B組成。同軸線A為不平衡輸入線，平衡輸出線-同軸電纜C、D包含在長度為λ0/4、直徑為d7的圓柱空腔B內(nèi)。同軸線C內(nèi)導體中的λ0/4長開路支節(jié)與空腔B在E點短路，同軸線D內(nèi)導體中的λ0/4長開路支節(jié)在F點與不平衡同軸線A中的開路支節(jié)相連，這三個開路支節(jié)構成的電抗X均串聯(lián)在每根同軸線的輸入端。輸入電流通過同軸線A的內(nèi)導體流入，在F點分成兩路，一路由同軸線D的內(nèi)導體流出，另一路由同軸線C的外導體流出[16]。根據(jù)該巴倫原理，定制饋電巴倫組件，實物如圖4所示。

圖3 超寬帶巴倫原理及內(nèi)部結構Fig.3 Ultra wideband Barron principle and internal structure

圖4 饋電巴倫組件實物圖Fig.4 Picture of feed Barron assembly

1.3 陣列天線設計

受3D打印設備的限制，根據(jù)表1中的尺寸將仿真模型設計為7單元陣列。天線陣列采用常規(guī)陣列布陣方式，以約高頻λ/2的間距（65 mm）將天線輻射單元布置在流線型支撐結構表面，形成共形結構，圖5給出了這種結構的形成過程。圖5(a)中的D3和D4分別為陣列的總高度和總寬度，表1中已給出；圖5(b)給出了天線模型的效果示意圖，包括垂直極化和水平極化兩對蝴蝶結單元。在橫向上共有7對垂直單元，俯仰上每列有5對單元，只有中間單元進行饋電，其余單元接匹配負載，即虛元，主要為中間單元形成周期邊界結構。

圖5 天線的打印模型設計Fig.5 Antenna print model design

天線陣的饋電結構如圖6所示。將該巴倫的導向結構插入天線結構基體內(nèi)的中間一排，共7個單元，并且焊針與天線基體開孔對齊；然后焊接四個焊針，如圖6(b)所示；在調(diào)試合格后，用灌封料進行填充固定。

圖6 陣列天線饋電結構設計Fig.6 Array antenna feed structure design

2 天線打印

3D打印技術包含了熔融沉積成型（fused deposition modeling, FDM）、光固化快速成型、選擇性激光燒結、多層激光熔覆、彩色噴墨等技術。在上述模型設計的基礎上，基于3D打印技術實現(xiàn)了共形超寬帶天線的樣品加工，結構上包括支撐介質和輻射功能層等。根據(jù)目前的3D打印基體材料，選擇的SLA光敏樹脂介電常數(shù)約為2.82，結構設計時充分考慮了結構強度、打印難度等。同時支撐介質及輻射功能層均在同一打印機上進行，為保證打印圖案的精度，在打印基材時設計了固定夾具，打印完基材后，只需更換打印機噴頭和材料，天線基材與打印機之間的相對位置是不變的。

2.1 天線介質基體打印

首先打印出介質基材，在打印機及介質基材不動的情況，更換導電墨水，采用噴墨成型技術將輻射層打印到介質基材上。本文中主要涉及FDM技術和彩色噴墨技術。

天線介質基體采用耐高溫型SLA光敏樹脂(JSUV-LY02-G)，其為一款低粘度的半透明樹脂，制造的零部件可在100～150 ℃條件下長時間使用，瞬時耐溫可達200 ℃以上，擁有良好的尺寸穩(wěn)定性和細節(jié)還原度，可用于制作對耐溫性有要求的模具手板、配件等，適用于355 nm激光光源的工業(yè)級3D打印機。

采用的FDM硬件系統(tǒng)由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)又由運動、噴頭、成形室、材料室等單元組成，多采用模塊化設計，各個單元相互獨立?？刂葡到y(tǒng)由控制柜與電源柜組成，用來控制噴頭的運動及成形室的溫度等。

打印的介質基體結構如圖7所示，為減輕基體重量并保證其介電性能，將基體中兩拋物面之間的夾層部分設計為微細桿件互連的鏤空結構，經(jīng)過打印機打印出的基材如圖8所示。

圖7 介質基體結構圖Fig.7 Structure of substrate

圖8 介質基體現(xiàn)場打印圖Fig.8 Site printing of substrate

2.2 導電層打印

為保證共形天線成形性能和精度的穩(wěn)定性，導電圖案打印之前先要在介質基體上打印一層藍色UV光固化樹脂作為襯底材料，如圖9所示。襯底材料選用GH2220噴頭專用藍色UV墨水（牌號：BroadElex-DE200-RH），可直接打印在各類銅版紙、白卡、灰底白板、PVC卡等材質上，打印速度為30～100 m/h，該產(chǎn)品具有干燥速度快、穩(wěn)定性高、不堵塞噴頭、擴散性和色度好等特點。

圖9 襯底材料打印圖Fig.9 Picture of substrate material printing

導電輻射體本文采用北京大華博科智能科技有限公司生產(chǎn)的可噴印納米銀導電墨水（牌號：CONINK550-KM），其為一款面向數(shù)字化噴印電路的新型電子材料，該墨水可兼容多種噴頭，具有很好的適應性。配合西安電子科技大學電子裝備結構設計教育部重點實驗室自主研制的復雜曲面導電圖形五軸聯(lián)動3D打印設備，可實現(xiàn)大面積高精度柔性電路布線，可應用于頻率選擇表面、共形天線以及RFID等。采用噴墨打印出的輻射圖案如圖10所示。

圖10 導電層打印圖Fig.10 Picture of conductive layer printing

3 測試結果

3.1 導電層電阻測試

采用萬用表對導電層性能進行測試，如圖11所示，主要包括導電層的直流阻抗，測試時可以看出使用的納米銀導電墨水直流阻抗為2.4 Ω，比純金屬阻抗大一些。

圖11 導電層阻值測量Fig.11 Measurement of conductive layer resistance

3.2 駐波測試

根據(jù)以上理論和數(shù)據(jù)，對天線陣列采用Ansoft HFSS進行仿真，并在微波暗室進行測試。天線電壓駐波比(voltage standing wave ratio, VSWR)采用校準過的矢量網(wǎng)絡分析儀進行測試。

單元饋入幅度按照-20 dB副瓣的Taylor分布，相位按照相位補充公式，則第n個單元饋入相位為

式中：λ為當前頻率對應波長；d為單元間距，d=64 mm；θm為陣列最大指向。

單元編號自左向右排布，如圖12所示。為不失一般性，從7個單元中選出邊緣1#單元及中間4#單元的VSWR，仿真和實測結果如圖13所示。可以看出：天線VSWR特性規(guī)律相同；陣列邊緣1#單元VSWR較差；4#單元VSWR較好，且在0.4～2.0 GHz范圍內(nèi)小于3。

圖12 單元排布Fig.12 Unit layout

圖13 1#和4#單元VSWR仿真與實測結果Fig.13 Reflection coefficient of 1# and 4# unit

3.3 方向圖測試

天線方向圖采用遠場方式，將天線架設在支架上，后端7個端口接入0.4～2.0 GHz的移相網(wǎng)絡器，為端口饋入合適的幅度和相位，從而完成天線的掃描功能，測試原理框圖如圖14所示。

圖14 天線測試原理框圖Fig.14 Test principle block diagram

暗室內(nèi)的測試場景如圖15所示，對0.4～2.0 GHz頻率范圍內(nèi)四個頻點0.4、0.8、1.4、2.0 GHz陣列±30°的掃描方向圖進行了測試。可以看出，實測方向圖比仿真波束展寬，且副瓣抬高，經(jīng)分析，主要原因是樣機中單元間耦合度較高，導致部分單元方向圖在掃描范圍內(nèi)出現(xiàn)凹坑，使得單元方向圖一致性較仿真變差。根據(jù)單元方向圖幅度，在泰勒分布基礎上對饋入單元幅度進行補償，并根據(jù)相控陣相位公式（4）饋入相位，陣列波束實現(xiàn)了±30°掃描，仿真和實測結果如圖16所示。

圖15 暗室測試場景架設圖Fig.15 Picture of darkroom test field

圖16 陣列水平極化掃描方向圖Fig.16 Array horizontal polarization scanning pattern

4 結 論

結合混合3D打印技術，仿真設計了一款基于緊耦合原理的超寬帶共形天線，通過3D打印機完成了介質基材和輻射層的打印，并將樣機在微波暗室進行測試。實測結果顯示，該天線仿真的VSWR曲線及方向圖特性0.4～2.0 GHz范圍內(nèi)與實測結果吻合，通過該項試驗驗證了混合打印技術在共形天線方面的應用。但本文中的天線還未涉及三層以上的打印，后續(xù)可研究多層介質及多層金屬層構成的復雜共形天線，并將后端有源電路結合打印，構成真正的有源共形天線前端，克服常規(guī)加工帶來的周期長、加工難等缺點。本文共形天線的研究證明混合3D打印技術在共形天線方面有很好的應用前景，為后續(xù)共形天線的研究和設計制造提供了思路及技術基礎。