本發(fā)明涉及一種有源相控陣天線結(jié)構(gòu)，具體涉及一種基于三維打印的智能蒙皮天線結(jié)構(gòu)，屬于天線技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著航空、航天中飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星等各種飛行器的發(fā)展，近代無線電子設(shè)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(qiáng)天線的方向性及實(shí)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(shù)量繁多；共形承載天線工藝復(fù)雜，覆蓋于飛行器大部分表面，增加了飛行器本體的重量，而且現(xiàn)有的天線陣一旦成型，幾乎難以根據(jù)要求在現(xiàn)有陣列上增減天線單元的數(shù)量，其復(fù)合成本也較高，不利于天線單元的靈活使用和重復(fù)利用。同時(shí)，大型天線陣列在服役時(shí)受到外界載荷及內(nèi)部應(yīng)力的影響而會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，影響天線的電性能。為此，20世紀(jì)80年代，美國空軍研究機(jī)構(gòu)提出“智能蒙皮”的創(chuàng)新技術(shù)構(gòu)想，以提高天線的自適應(yīng)性。

在相關(guān)研究中，中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所提出了一種嵌入式智能蒙皮天線的新構(gòu)型，該構(gòu)型將光纖傳感網(wǎng)絡(luò)層與重構(gòu)子陣共體相連，并與薄膜tr子陣、可重構(gòu)饋電網(wǎng)絡(luò)順次平行疊層排列，共同在端向并聯(lián)控制與功能維護(hù)模塊。該研究在公開發(fā)明專利“何慶強(qiáng)，何海丹，官正濤.一種嵌入式智能蒙皮天線，申請時(shí)間:2013-10-18,專利國別:中國，專利申請?zhí)?cn201310492003.7”中有所報(bào)道。

此外，西安電子科技大學(xué)的周金柱教授等人提出利用材料復(fù)合技術(shù)，將光纖傳感器埋入復(fù)合薄膜中，作為感知層與天線的射頻層結(jié)合在一起，來獲取天線的變形信息，從而反饋給電補(bǔ)償系統(tǒng)來修正天線的電性能。這種方法在公開發(fā)明專利“周金柱，李勛，段寶巖，黃進(jìn)，王從思，李鵬.一種基于嵌入光纖光柵的智能蒙皮天線電補(bǔ)償方法.申請時(shí)間：2015.4.22，專利國別：中國，申請?zhí)枺?01510194075.2”中有所報(bào)道。此后，他又針對如何將光纖光柵傳感器植入天線結(jié)構(gòu)當(dāng)中，進(jìn)行了詳細(xì)的研究和實(shí)驗(yàn)，提供了一種智能蒙皮天線的制作方法，詳細(xì)描述了其制作過程和步驟，該方法降低了智能蒙皮天線的制作難度及工藝要求，這種方法在公開發(fā)明專利“周金柱，劉朝曦，李海洋，唐寶富，鐘劍鋒，黃進(jìn)，王從思.一種智能蒙皮天線的制作方法,申請時(shí)間：2016-05-10，專利國別：中國，專利申請?zhí)枺?01610303788.2”中有所報(bào)道。

以上公開專利所涉及的智能蒙皮天線結(jié)構(gòu)，其制作方式多采用傳統(tǒng)制作方法，輻射單元載體為傳統(tǒng)金屬材質(zhì)，且沒有一種專利提出天線載體結(jié)構(gòu)的技術(shù)性創(chuàng)新，本文提出一種新型天線載體結(jié)構(gòu)，該方法與3d打印制造技術(shù)結(jié)合，不僅為智能蒙皮天線的載體模型提供新的思路，而且對于天線結(jié)構(gòu)功能一體化以及天線電系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)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(yīng)用價(jià)值。

目前較為成熟的3d打印工藝有七大類。分別是光固化打印(sla)、材料噴射打印、粘結(jié)劑噴射打印、選擇性激光燒結(jié)打印(sls)、熔融沉積打印(fdm)、噴墨式3d打印以及片層壓式打印。其中以sla、sls、fdm和噴墨式3d打印等為主。目前能夠?qū)崿F(xiàn)商品化的打印材料有光敏樹脂、橡膠類材料、工程塑料、金屬材料、陶瓷材料以及其他醫(yī)用材料。

3d打印突破了傳統(tǒng)加工模式，不需要機(jī)械加工設(shè)備即可快速制造各類形狀復(fù)雜的工件，不僅縮短了新產(chǎn)品的研制周期，而且降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本，其工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)控機(jī)床。由于其本身具有降維制造、數(shù)字制造和堆積制造的特點(diǎn)，理論上可以打印任何復(fù)雜形狀的工件并且不需要提前設(shè)計(jì)模具，使得制造過程更加柔性化。多種類型的材料商品化，使得3d打印具有制造各類領(lǐng)域產(chǎn)品的優(yōu)勢，尤其是sls激光粉末燒結(jié)成型技術(shù)的不斷改善，使得加工精度和強(qiáng)度不斷提高，已經(jīng)逐步應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

通過3d打印技術(shù)可以快速打印出各種材質(zhì)的復(fù)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(jié)構(gòu)的重量。此外，3d打印生產(chǎn)的天線陣列載體，有利于批量生產(chǎn)，降低制造成本。

利用以上優(yōu)勢，本文方法采用“化整為零”的思想，以單個(gè)單元線陣作為子陣，采用多種方式進(jìn)行“拼圖”式連接。由于天線子陣可采用多種形狀，故可滿足天線陣列的多種樣式要求。最后利用3d打印技術(shù)便于加工微小結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)內(nèi)置光纖光柵傳感器的安裝位置，并保護(hù)其監(jiān)測性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對以上問題本發(fā)明提供了一種基于3d打印的可拼接式集成微帶天線陣列結(jié)構(gòu)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種基于三維打印的智能蒙皮天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，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(hù)層、天線子陣陣列和天線子陣tr組件層；天線子陣保護(hù)層覆蓋在天線子陣陣列上，天線子陣tr組件層設(shè)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(kuò)展子陣單元的數(shù)量，也可以錯(cuò)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(zhì)螺栓相互連接的天線子陣單元骨架，可以反復(fù)進(jìn)行拆卸和組裝，以滿足不同的工作要求，提高重復(fù)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(shè)有用于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(gè)凹槽中心有一個(gè)通孔；天線子陣單元骨架兩側(cè)平行的長邊邊緣上各設(shè)有等間距的螺栓孔ⅰ；在天線子陣單元骨架另外兩側(cè)平行的短邊邊緣上各設(shè)有等間距的螺栓孔ⅱ。

在天線子陣單元骨架長邊邊緣上，且位于天線單元的上方或者下方刻有微型孔槽，該微型孔槽直徑大于光纖直徑0.3mm，且微型孔槽出口處填充有液體固化膠。

所述子陣單元骨架采用拼接式方案設(shè)計(jì)，其邊緣連接部分采用兩種方式設(shè)計(jì)：

所述的第一種方式，天線子陣單元骨架兩側(cè)平行的長邊邊緣及兩側(cè)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(zhì)螺栓連接；

所述的第二種方式，天線子陣單元骨架兩側(cè)平行的長邊邊緣分別呈夾層、夾片狀，兩側(cè)平行的短邊邊緣也分別呈夾層、夾片狀；夾層一側(cè)的上下邊都設(shè)有的螺紋孔ⅰ，且螺紋孔ⅰ的位置及數(shù)量相同；兩塊骨架間邊緣相互插接通過粘接或者介質(zhì)螺栓連接。

所述的天線承載骨架上設(shè)有凹槽，每個(gè)凹槽中間部分全部打通，在凹槽底部邊緣設(shè)有天線子陣固定螺栓孔；在凹槽側(cè)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制造工藝如下：將設(shè)計(jì)的天線子陣單元骨架3d模型轉(zhuǎn)成stl文件；然后根據(jù)天線樣件的工作環(huán)境，選用機(jī)械強(qiáng)度大，耐高溫的尼龍或abs樹脂材料，對上述材料進(jìn)行切片處理；采用sls激光燒結(jié)技術(shù)上機(jī)打印；單元骨架成型后進(jìn)行酒精浸泡，軟化支撐體進(jìn)行去除操作；最后對單元骨架進(jìn)行打磨、涂漆。

有益效果：本發(fā)明采用3d打印技術(shù)中的sls激光燒結(jié)成型工藝生產(chǎn)天線載體，生產(chǎn)效率高，成本低，載體單元強(qiáng)度大，物理性能優(yōu)越。本發(fā)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(gòu)性強(qiáng)，可提高利用率。本發(fā)明所用的天線子陣骨架體積小，節(jié)約空間資源，便于安置，降低載體重量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明應(yīng)用于機(jī)翼的整體效果圖；

圖2是圖1中所示天線整體結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖3是圖2中的天線整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的示意圖；

圖6是圖5中天線子陣陣列結(jié)構(gòu)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(fā)明所述天線結(jié)構(gòu)中天線子陣單元骨架的制造工藝流程圖。

圖中附圖標(biāo)記的含義：1-天線子陣，1-1-天線子陣保護(hù)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(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作具體的介紹。

如圖1、2所示，本發(fā)明提供了一種基于三維打印的智能蒙皮天線結(jié)構(gòu)，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(hù)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(hù)層1-1的蒙皮覆蓋在天線子陣陣列上方，用以保護(hù)天線子陣輻射單元和加固天線子陣單元骨架間的連接，采用一體化復(fù)合工藝進(jìn)行復(fù)合加工。天線子陣tr組件層1-4設(shè)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(gòu)成8×8的天線子陣骨架，此外根據(jù)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(diǎn)是呈長方形，其上有四個(gè)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(gè)天線單元，其表面平整，便于布置光柵。每個(gè)凹槽中心有一個(gè)方形通孔4-5，用以通過控制線路。每個(gè)凹槽四個(gè)角方位上有四個(gè)螺栓孔ⅲ4-3，當(dāng)用粘接方式固定天線子陣輻射單元時(shí)，四個(gè)螺栓孔ⅲ可以用以定位，當(dāng)使用介質(zhì)螺栓固定天線子陣輻射單元時(shí)，四個(gè)螺栓孔ⅲ用以通過螺栓對天線子陣輻射單元進(jìn)行固定。兩類天線子陣單元骨架兩側(cè)平行的長邊邊緣均有8個(gè)等間距螺栓孔ⅰ4-2，另外兩側(cè)平行的短邊邊緣均有兩個(gè)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(shè)計(jì)的優(yōu)勢是天線子陣單元骨架進(jìn)行拼接時(shí)，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恒等不變，這樣可以進(jìn)行交錯(cuò)式拼接，重構(gòu)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(guī)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(yīng)變形主方向，適合傳感器布局)，位于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于光纖直徑(0.265mm)約0.3mm，用于植入光纖光柵傳感器，可以限制光纖光柵傳感器的位移，并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(jìn)行密封處理(填充液體固化膠)，加強(qiáng)光纖約束，該孔槽位置依據(jù)實(shí)際情況可在不同位置刻畫，本發(fā)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(diǎn)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(cè)平行的長邊邊緣呈階梯狀，另外兩側(cè)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(yōu)點(diǎn)是連接處剛度強(qiáng)。

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(cè)平行的長邊邊緣一側(cè)呈夾層狀、另一側(cè)呈夾片狀；天線子陣單元骨架4另外兩側(cè)平行的短邊邊緣一側(cè)呈夾層狀、另一側(cè)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(yōu)點(diǎn)是連接穩(wěn)固。

如圖12、13所示，是天線承載骨架5的結(jié)構(gòu)示意圖。該骨架外形可以取決于天線安置空間，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(gè)凹槽，用以放置成型的天線子陣，每個(gè)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(xì)節(jié)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(cè)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(fā)明所述天線子陣單元骨架的制造工藝流程圖。將設(shè)計(jì)的天線子陣單元骨架3d模型轉(zhuǎn)成stl文件；然后根據(jù)天線樣件的工作環(huán)境，選用機(jī)械強(qiáng)度大，耐高溫的尼龍或abs樹脂材料，對上述材料進(jìn)行切片處理；采用sls激光燒結(jié)技術(shù)上機(jī)打??；單元骨架成型后進(jìn)行酒精浸泡，軟化支撐體進(jìn)行去除操作；最后對單元骨架進(jìn)行打磨、涂漆。

一種基于三維打印的智能蒙皮天線結(jié)構(gòu)的制作過程如下：

采用尼龍或尼龍?zhí)祭w維材料，選用sls激光燒結(jié)成型工藝制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(nèi)；

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(hù)層采用透波材料制作，耐磨損，用固體膠復(fù)合在天線子陣陣列表面，保護(hù)天線子陣陣列單元，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)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打印技術(shù)在天線子陣單元骨架內(nèi)部刻畫，該微型孔槽直徑接近且大于光纖直徑(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(yīng)變形主方向，適合傳感器布局)，可根據(jù)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(kuò)展可連續(xù)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，并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(jìn)行密封處理(采用液體固化膠填充)，加強(qiáng)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打印技術(shù)對天線載體進(jìn)行加工制造，由于天線載體需要滿足較大的承載能力，并且可能在惡劣環(huán)境中服役，所以其必須具備高強(qiáng)度、韌性好、耐高溫以及高精度等特點(diǎn)。通過市場觀察和反復(fù)試驗(yàn)，尼龍材料物理性能佳，可以承受179℃高溫，抗彎曲強(qiáng)度大，對天線單元輻射干涉小，適用于實(shí)驗(yàn)。sls激光燒結(jié)成型技術(shù)的打印精度為0.1mm，滿足子陣單元裝配精度，并且已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。最終確定采用尼龍或尼龍?zhí)祭w維材料，通過sls激光燒結(jié)成型技術(shù)打印制造子陣單元骨架。該天線陣列結(jié)構(gòu)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(shù)量，多次重構(gòu)新的天線陣列，同時(shí)能夠嵌入光纖光柵應(yīng)變傳感器以實(shí)現(xiàn)天線陣列振動(dòng)和變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測。