四臂螺旋天線一體化設計與SLM成形

劉大勇，洪元，李青，楊立明，李立洲，遲百宏

北京衛星信息工程研究所 北京 100095

1 序言

新一代航空航天裝備逐漸向輕量化、結構復雜化、功能多樣化，以及高可靠、長壽命及低成本的方向不斷發展，同時航天材料及其成形技術也正朝向整體化、復雜化和精密化的方向迅速發展[1，2]。增材制造技術的發展突破了制造業的傳統模式，該技術適合于新產品的開發、單件或少批量產品試制等[3]，特別是針對航天產品批量小、產品結構變化快的特點，能夠實現設計制造過程信息的快捷、準確傳遞。增材制造技術在航天制造領域中的應用，不僅能有效降低成本，縮短制造的周期，還能夠有效提升零部件性能[4]。

激光選區熔化成形技術（Selective Laser Melting，SLM）是在快速原型制造和激光熔覆技術基礎上發展起來的從三維數字模型概念設計到三維實體柔性制造一體化的先進制造技術[5-7]，是一種高性能金屬零件3D打印技術。相對于其他金屬零件3D打印技術，SLM的優勢在于可得到完全冶金結合的金屬制件，致密度接近100%；制件有較低的表面粗糙度值、較高的抗拉強度和尺寸精度，制件僅需噴砂或后續少量機械加工等簡單處理即可直接作為合格零件使用。因此，該技術在基于鈦合金及其復合材料的復雜整體構件成形方面具有廣闊的應用前景[8]。

四臂螺旋天線由于具有較寬的圓極化輻射波束，可以在較低的仰角位置上保持較高的增益，且具有結構緊湊、體積小、重量輕等優點，所以在北斗與GPS等衛星導航系統中得到了廣泛的應用[9]。20世紀40年代已開始了四臂螺旋天線的研究[10]，早期的四臂螺旋天線因設計加工的局限性，致使體積較大、加工困難，不容易批量生產。RABEMANANTSOA J等[11]設計了一種利用曲折線法實現小型化的四臂螺旋天線，通過折疊螺旋臂使天線體積大大減小，且該天線工作在GPS的L1和L2頻段均具有十分理想的增益與圓極化特性，非常適合用作GPS接收天線。上海交通大學[12]設計的一款三頻段的四臂螺旋天線，天線整體構造緊湊，輻射方向波束很寬，具有高增益及低副瓣特性，并且相位中心非常穩定，使測量精度大大提高。

綜上所述，隨著技術的不斷發展，四臂螺旋天線的設計性能及可制造性雖然有了很大提高，但天線的設計和制造均局限于傳統制造工藝。

本文以星載四臂螺旋天線為研究對象，針對傳統機械加工工藝設計和制備四臂螺旋天線過程的加工工藝復雜、工藝穩定性差，以及制件的電性能不穩定、生產周期過長等問題，研究基于SLM成形工藝的高可靠、低成本、快速制造的四臂螺旋天線一體化設計及制備方法，為星載天線的先進制造開展技術驗證。

2 基于SLM成形的四臂螺旋一體化天線電設計

針對四臂螺旋天線中螺旋線在振動過程中易發生失穩現象，螺旋線徑向、軸向位置精度難以保證等問題，以及天線對力學性能、電性能和空間環境適應性的要求，選擇TC4鈦合金（Ti6Al4V）作為打印材料。TC4鈦合金強度高，導電性、綜合力學性能和加工性能良好，并作為增材制造應用成熟的金屬材料，滿足選用要求。

2.1 天線電設計

基于傳統機械加工工藝設計的天線電仿真模型與基于SLM成形工藝設計的天線電仿真模型，如圖1所示。

圖1 天線電仿真模型

結合SLM成形工藝特點，對天線電仿真模型進行適應性優化設計：①將內導體阻抗變換段由傳統的階梯形式變成了圓弧過渡，以消除對天線輸入阻抗產生的影響。②將天線外導體根部與反射板過渡段，由階梯結構改為等直徑結構，并增加圓角過渡等。通過迭代仿真驗證，使天線在滿足設計指標要求的同時，又滿足SLM成形工藝要求。基于傳統機械加工工藝天線電仿真結果與SLM成形工藝天線電仿真結果對比，如圖2～圖5所示。

圖2 基于機械加工工藝天線仿真電壓駐波比

圖5 基于SLM成形工藝天線仿真增益方向

圖3 基于SLM成形工藝天線仿真電壓駐波比

圖4 基于機械加工工藝天線仿真增益方向

由仿真結果可知，基于SLM成形工藝的設計方案，天線的端口駐波比向低頻輕微偏移，其左旋化分量抬升了15dB，但天線右旋圓極化增益基本不受影響，天線指標均滿足設計指標，天線結構將依據該方案進行詳細設計。

2.2 天線結構設計

基于傳統機械加工工藝的四臂螺旋天線結構，分為外導體、內導體、大徑螺旋線、小徑螺旋線、頂面介質及底座介質等11個零件，如圖6a所示。由于各零件需分別加工后，再進行裝配、焊接，組成天線裝配體，故設計、加工、組裝周期較長。另外，基于傳統機械加工工藝的螺旋線在模具成形及與外導體焊接過程中，由于產生內應力導致螺旋線徑向、軸向的尺寸不穩定，并存在裝配誤差，故天線的一致性差。

結合SLM成形工藝與四臂螺旋天線結構特點，天線結構設計如圖6b所示，僅包含天線螺旋體、輔助支撐零件頂面介質和底座介質，其結構簡單，減少了多處裝配、焊接工序，設計、加工、組裝周期大幅縮短，提高了生產效率。具體設計方法如下。

1）將外導體、內導體、大徑螺旋線、小徑螺旋線、連接環合并為一個零件，這在一定程度上消除了螺旋線內部應力及裝配誤差，提高了產品的一致性。

2）通過頂面介質優化設計，替代原設計中頂帽加頂面介質的設計方式。

3）除去傳統機械加工工藝中外導體底部外側臺階，以避免引入過多支撐增加后處理難度。

4）內導體、外導體階梯段增加過渡倒角、圓角結構，可提高階梯段的連接強度與整體強度、剛度與穩定性，以解決階梯段臺階面區域連接面積較小、易層間斷裂的問題。

5）外導體的內腔結構增加過渡倒角、圓角結構等設計，從而避免內部結構中因凸臺或斜角角度過大引入的支撐無法去除問題。

6）底座圓盤設計厚度大于傳統機械加工工藝設計，以減少天線底座圓盤增材制造過程中的變形、開裂等問題，并在后期去應力處理后采用線切割方式減薄。

基于SLM成形工藝的天線結構模型與傳統設計模型對比如圖6所示。

圖6 天線結構模型

與此同時，根據材料特性及結構設計方案，依據天線常用力學環境條件，對兩種不同工藝制造的四臂螺旋天線開展了力學分析。由于傳統機械加工的天線主體部分主要材質為銅，而SLM成形天線為TC4合金，所以基于SLM成形的四臂螺旋天線一體化設計不僅重量大幅降低，而且通過強度校核與仿真，其正弦、振動和沖擊條件下的安全裕度較傳統機械加工方案均顯著提高。

3 天線SLM成形

為了提升四臂螺旋天線的成形質量，對熔池寬度、激光間距、掃描速度及層厚等工藝參數進行正交試驗對比分析。

1）激光功率為95W，選擇0.05mm和0.08mm兩個典型熔池寬度。

2）激光間距選擇0.05mm、0.1mm和0.2mm等3個參數。

3）掃描速度選擇400mm/s、600mm/s、800mm/s、900mm/s、1000mm/s、1100mm/s、1200mm/s、1300mm/s和1400mm/s共9個參數。

4）掃描層厚選擇25μm、35μm、50μm。

通過對成形件變形控制、成形件預應力、成形件表面質量，以及隨爐樣條力學性能等方面綜合考慮，確定最佳工藝參數為：激光器功率為95W，結構內輪廓及外輪廓的掃描速度為400mm/s，結構支撐及實體部分的掃描速度為900mm/s，層厚25μm。

同時，為了降低天線成形過程熱應力造成天線變形，以及支撐結構的去除難度，天線底盤及四臂螺旋線位置的支撐結構分別進行了簡化處理。此外，天線底面成形時，采用“島形原理”的隨機曝光策略，將天線底面的每一層分成若干片段，隨機燒結成形，有效降低了天線底面熔融成形過程的內應力，避免開裂風險。天線成形后，為了滿足天線電性能要求，通過噴砂對其進行表面粗糙度處理，實物天線如圖7所示。

圖7 一體化設計制備的四臂螺旋天線實物

4 天線電性能對比測試

本文對兩種不同成形工藝制備天線的增益及軸比性能進行了測試，相關測試數據如圖8～圖11所示。

圖8 機械加工工藝的天線測試增益方向

圖11 SLM成形工藝的天線測試軸比方向

由測試結果可知，基于SLM成形的天線右旋圓極化增益與傳統加工的天線相比，基本一致，雖左旋分量比傳統方法高了約10dB，導致軸比有所超差，但是與仿真預期是比較吻合的，滿足了天線實際指標要求。

圖9 SLM成形工藝的天線測試增益方向

圖10 機械加工工藝天線實測軸比方向

5 結束語

1）本文提出了一種SLM成形的四臂螺旋天線一體化設計及制備的新方法，并依據天線應用的電性能及力學性能指標要求，利用SLM工藝特點，設計并制備了一體化天線，大大提高了制造精度、簡化了工藝流程，并明顯縮短了研制周期，降低了制造成本。天線總零件數由原來的11個減為3個，生產、調試周期由20多天縮短為6天，制造成本降低60%～80%。

2）通過兩種成形工藝天線的實物測試結果對比可知，雖然一體化制備的天線較傳統加工天線的軸比有所降低，且駐波比向低頻略微偏移，但電壓駐波比、增益及軸比均滿足使用要求，并且在力學性能顯著提高的同時大幅降低了天線質量。

本文證明了基于SLM成形的四臂螺旋天線一體化設計與制備方法的可行性，也為同類產品的高可靠、低成本和快速制備提供了新思路。