四臂螺旋天线一体化设计与SLM成形

　　摘要：针对当前星载四臂螺旋天线设计复杂、加工难度大、生产周期长等问题，同时为满足其高可靠、低成本、快速制造的需求，提出了一种基于激光选区熔化成形技术(SLM)的四臂螺旋天线一体化设计与制备方法。该方法结合SLM成形工艺特点，对四臂螺旋一体化天线进行了电设计与结构设计，并通过SLM工艺参数优化，完成了一体化四臂螺旋天线的制备。零件数由原来的11个缩减为3个，天线重量大幅降低;同时力学性能显著提高，电性能满足设计要求，证明了基于SLM成形工艺的四臂螺旋天线一体化设计和制备方法的可行性。

　　刘大勇; 洪元; 李青; 杨立明; 李立洲; 迟百宏， 金属加工(热加工) 发表时间：2021-09-29

　　关键词：SLM成形;四臂螺旋天线;一体化设计;电性能;结构设计;快速制造;对比分析

　　1 序言

　　新一代航空航天装备逐渐向轻量化、结构复杂化、功能多样化，以及高可靠、长寿命及低成本的方向不断发展，同时航天材料及其成形技术也正朝向整体化、复杂化和精密化的方向迅速发展[1，2]。增材制造技术的发展突破了制造业的传统模式，该技术适合于新产品的开发、单件或少批量产品试制等[3]，特别是针对航天产品批量小、产品结构变化快的特点，能够实现设计制造过程信息的快捷、准确传递。增材制造技术在航天制造领域中的应用，不仅能有效降低成本，缩短制造的周期，还能够有效提升零部件性能[4]。

　　激光选区熔化成形技术(S e l e c t i v e L a s e r Melting，SLM)是在快速原型制造和激光熔覆技术基础上发展起来的从三维数字模型概念设计到三维实体柔性制造一体化的先进制造技术[5-7]，是一种高性能金属零件3D打印技术。相对于其他金属零件3D 打印技术，SLM的优势在于可得到完全冶金结合的金属制件，致密度接近100%;制件有较低的表面粗糙度值、较高的抗拉强度和尺寸精度，制件仅需喷砂或后续少量机械加工等简单处理即可直接作为合格零件使用。因此，该技术在基于钛合金及其复合材料的复杂整体构件成形方面具有广阔的应用前景[8]。

　　四臂螺旋天线由于具有较宽的圆极化辐射波束，可以在较低的仰角位置上保持较高的增益，且具有结构紧凑、体积小、重量轻等优点，所以在北斗与GPS等卫星导航系统中得到了广泛的应用[9]。 20世纪40年代已开始了四臂螺旋天线的研究[10]，早期的四臂螺旋天线因设计加工的局限性，致使体积较大、加工困难，不容易批量生产。 RABEMANANTSOA J等[11]设计了一种利用曲折线法实现小型化的四臂螺旋天线，通过折叠螺旋臂使天线体积大大减小，且该天线工作在GPS的L1和L2 频段均具有十分理想的增益与圆极化特性，非常适合用作GPS接收天线。上海交通大学[12]设计的一款三频段的四臂螺旋天线，天线整体构造紧凑，辐射方向波束很宽，具有高增益及低副瓣特性，并且相位中心非常稳定，使测量精度大大提高。

　　综上所述，随着技术的不断发展，四臂螺旋天线的设计性能及可制造性虽然有了很大提高，但天线的设计和制造均局限于传统制造工艺。

　　本文以星载四臂螺旋天线为研究对象，针对传统机械加工工艺设计和制备四臂螺旋天线过程的加工工艺复杂、工艺稳定性差，以及制件的电性能不稳定、生产周期过长等问题，研究基于SLM成形工艺的高可靠、低成本、快速制造的四臂螺旋天线一体化设计及制备方法，为星载天线的先进制造开展技术验证。

　　2 基于SLM成形的四臂螺旋一体化天线电设计

　　针对四臂螺旋天线中螺旋线在振动过程中易发生失稳现象，螺旋线径向、轴向位置精度难以保证等问题，以及天线对力学性能、电性能和空间环境适应性的要求，选择TC4钛合金(Ti6Al4V)作为打印材料。TC4钛合金强度高，导电性、综合力学性能和加工性能良好，并作为增材制造应用成熟的金属材料，满足选用要求。

　　2.1 天线电设计

　　基于传统机械加工工艺设计的天线电仿真模型与基于SLM成形工艺设计的天线电仿真模型，如图 1所示。

　　结合SLM成形工艺特点，对天线电仿真模型进行适应性优化设计：①将内导体阻抗变换段由传统的阶梯形式变成了圆弧过渡，以消除对天线输入阻抗产生的影响。②将天线外导体根部与反射板过渡段，由阶梯结构改为等直径结构，并增加圆角过渡等。通过迭代仿真验证，使天线在满足设计指标要求的同时，又满足SLM成形工艺要求。基于传统机械加工工艺天线电仿真结果与SLM成形工艺天线电仿真结果对比，如图2~图5所示。

　　由仿真结果可知，基于SLM成形工艺的设计方案，天线的端口驻波比向低频轻微偏移，其左旋化分量抬升了15dB，但天线右旋圆极化增益基本不受影响，天线指标均满足设计指标，天线结构将依据该方案进行详细设计。

　　2.2 天线结构设计

　　基于传统机械加工工艺的四臂螺旋天线结构，分为外导体、内导体、大径螺旋线、小径螺旋线、顶面介质及底座介质等11个零件，如图6a所示。由于各零件需分别加工后，再进行装配、焊接，组成天线装配体，故设计、加工、组装周期较长。另外，基于传统机械加工工艺的螺旋线在模具成形及与外导体焊接过程中，由于产生内应力导致螺旋线径向、轴向的尺寸不稳定，并存在装配误差，故天线的一致性差。

　　结合SLM成形工艺与四臂螺旋天线结构特点，天线结构设计如图6b所示，仅包含天线螺旋体、辅助支撑零件顶面介质和底座介质，其结构简单，减少了多处装配、焊接工序，设计、加工、组装周期大幅缩短，提高了生产效率。具体设计方法如下。

　　1)将外导体、内导体、大径螺旋线、小径螺旋线、连接环合并为一个零件，这在一定程度上消除了螺旋线内部应力及装配误差，提高了产品的一致性。

　　2)通过顶面介质优化设计，替代原设计中顶帽加顶面介质的设计方式。

　　3)除去传统机械加工工艺中外导体底部外侧台阶，以避免引入过多支撑增加后处理难度。

　　4)内导体、外导体阶梯段增加过渡倒角、圆角结构，可提高阶梯段的连接强度与整体强度、刚度与稳定性，以解决阶梯段台阶面区域连接面积较小、易层间断裂的问题。

　　5)外导体的内腔结构增加过渡倒角、圆角结构等设计，从而避免内部结构中因凸台或斜角角度过大引入的支撑无法去除问题。

　　6)底座圆盘设计厚度大于传统机械加工工艺设计，以减少天线底座圆盘增材制造过程中的变形、开裂等问题，并在后期去应力处理后采用线切割方式减薄。

　　基于SLM成形工艺的天线结构模型与传统设计模型对比如图6所示。

　　与此同时，根据材料特性及结构设计方案，依据天线常用力学环境条件，对两种不同工艺制造的四臂螺旋天线开展了力学分析。由于传统机械加工的天线主体部分主要材质为铜，而SLM成形天线为 TC4合金，所以基于SLM成形的四臂螺旋天线一体化设计不仅重量大幅降低，而且通过强度校核与仿真，其正弦、振动和冲击条件下的安全裕度较传统机械加工方案均显著提高。

　　3 天线SLM成形

　　为了提升四臂螺旋天线的成形质量，对熔池宽度、激光间距、扫描速度及层厚等工艺参数进行正交试验对比分析。

　　1)激光功率为95W，选择0.05mm和0.08mm两个典型熔池宽度。

　　2)激光间距选择0.05mm、0.1mm和0.2mm等3 个参数。

　　3)扫描速度选择400mm/s、600mm/s、800mm/s、 900mm/s、1000mm/s、1100mm/s、1200mm/s、 1300mm/s和1400mm/s共9个参数。

　　4)扫描层厚选择25μm、35μm、50μm。

　　通过对成形件变形控制、成形件预应力、成形件表面质量，以及随炉样条力学性能等方面综合考虑，确定最佳工艺参数为：激光器功率为95W，结构内轮廓及外轮廓的扫描速度为400mm/s，结构支撑及实体部分的扫描速度为900mm/s，层厚25μm。

　　同时，为了降低天线成形过程热应力造成天线变形，以及支撑结构的去除难度，天线底盘及四臂螺旋线位置的支撑结构分别进行了简化处理。此外，天线底面成形时，采用“岛形原理”的随机曝光策略，将天线底面的每一层分成若干片段，随机烧结成形，有效降低了天线底面熔融成形过程的内应力，避免开裂风险。天线成形后，为了满足天线电性能要求，通过喷砂对其进行表面粗糙度处理，实物天线如图7所示。

　　4 天线电性能对比测试

　　本文对两种不同成形工艺制备天线的增益及轴比性能进行了测试，相关测试数据如图8~图11所示。

　　由测试结果可知，基于SLM成形的天线右旋圆极化增益与传统加工的天线相比，基本一致，虽左旋分量比传统方法高了约10dB，导致轴比有所超差，但是与仿真预期是比较吻合的，满足了天线实际指标要求。

　　5 结束语

　　1)本文提出了一种SLM成形的四臂螺旋天线一体化设计及制备的新方法，并依据天线应用的电性能及力学性能指标要求，利用SLM工艺特点，设计并制备了一体化天线，大大提高了制造精度、简化了工艺流程，并明显缩短了研制周期，降低了制造成本。天线总零件数由原来的11个减为3个，生产、调试周期由20多天缩短为6天，制造成本降低 60%~80%。

　　2)通过两种成形工艺天线的实物测试结果对比可知，虽然一体化制备的天线较传统加工天线的轴比有所降低，且驻波比向低频略微偏移，但电压驻波比、增益及轴比均满足使用要求，并且在力学性能显著提高的同时大幅降低了天线质量。

　　本文证明了基于SLM成形的四臂螺旋天线一体化设计与制备方法的可行性，也为同类产品的高可 靠、低成本和快速制备提供了新思路。