营养米Electronics Process Technology
第年7月40卷第4期
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摘 要：在天线制造技术发展趋势的基础上，说明了共形天线的军事需求。介绍了各种共形制造技术特点，重点描述了选用的喷墨打印结合激光加工的增材制造技术，采用该技术制作出了宽带射频天线。该种天线通过性能测试和可靠性考核，满足机载平台对天线性能的需求。试验结果表明，基于喷墨打印的激光增材技术可应用于宽带共形天线的制造，解决复杂安装条件下的天线共形集成问题。 关键词：共形天线；激光增材；喷墨打印
中图分类号：TN60 文献标识码：Ａ 文章编号：1001-3474（2019）04-0201-03
Abstract: The military requirement of conformal antenna is explained on the basis of developing trend of antenna manufacturing technology. The characteristics of different conformal manufacturing technology are introduced. The technology of inkjet printing combined with laser additive manufacturin
g is described emphatically. The broad band radio frequency antenna has be made by using this technology. The results of testing and reliability prove that the antenna can be used for Airborne Platform. The laser additive manufacturing based on the inkjet printing technology can be applied to make broad band radio frequency conformal antenna, and resolve the problem of antenna conformal integration in the complex assembly situation .
Key Words: conformal antenna; laser additive manufacturing; inkjet printing Document Code: A Article ID: 1001-3474 (2019) 04-0201-03
激光增材技术在共形天线制造方面的应用
Application of Laser Additive Technology in Conformal Antenna Manufacturing
崔西会，方杰
CUI Xihui, FANG Jie
（中国电子科技集团公司 第二十九研究所，四川 成都 610036）
作者简介：崔西会（1980- ）男，硕士，毕业于哈尔滨工业大学，高级工程师，主要从事微组装及相关工艺技术工作。
doi: 10.14176/j.issn.1001-3474.2019.04.004
( The 29th Research Institute of CETC, Chengdu 610036, China )
在电子装备系统中，天线作为无线电波的发射接收装置位于最前端，是无线电测控系统的“眼睛”，其性能的好坏将直接影响整个电子装备的正常工作和任务的执行。而对于导弹、飞机和卫星等飞行器中的天线，除了电性能要满足现代装备的各种需求外，还须适应平台的特殊要求，包括良好的气动外形，稳定的温度特性，足够的机械强度等。
这些传统的天线，无论是装在飞机内部，还是装在飞机外部，都对天线本身的性能和飞机的气动特性有不利的影响。存在的主要问题是安装及气动影响。现役天线都是根据机载平台部署位置特点进行深度定制，设计难度大，协调周期长，电子装备功能受限。在未来高速、高隐身的异形飞行器上，
更难到合适的部署位置，导致传统天线无法部署，亦无法实现雷达电性能的要求，内埋式安装容易存在空域遮挡，外凸式安装则影响气动。
从改善飞机的气动外形，同时满足天线电磁性能的角度出发，都希望对传统的天线加以改进，改进的方向之一就是采用共形天线。共形天线不但可以增加飞机的隐身性能，还可以增大天线的孔径，该用途在预警机上体现得特别充分。图1所示为E-3A 预警机照片。但大孔径天线在机载平台上的安装会带
来许多新的矛盾，机头空间有限，装在机背上又影响飞机的气动性能。因此，较好的解决办法是把天线和机身融合在一起，把天线安装在飞机蒙皮内，采用共形相控阵天线是未来机载预警雷达的一
·微系统技术·
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电子工艺技术
Electronics Process Technology
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个发展趋势，以列研制的费尔康预警机就使用了
共形相控阵天线，如图2所示。
图1 E-3A预警机 图2 费尔康预警机
此外，在导弹上也需要共形天线。采用多模制导的导弹在一个导引头内会布置两种及以上的传感器，复合传感器主要采用共口径复合、叠合复合和口径分置复合等方案，但是无论采用哪种方案，都存在许多问题。首先是安装空间受限，多种天线安装在同一天线罩内，各天线口径均被压缩，作用距离减小，且天线之间易出现强互耦，导致各分系统性能下降，其次是天线罩设计问题，整个系统工作频段的跨度能达到数十倍倍频程，这对天线罩设计提出了很高的要求，天线罩性能很难兼顾如此宽的频段。采用共形天线技术，将天线与弹壁、弹翼甚至天线罩共形一体化设计，充分利用载体表面积以增大天线口径，提高天线增益。天线罩设计可以优先考虑头罩内窄带天线的性能，降低天线罩的设计难度，减轻对地性能的影响，同时还能降低导引头载体的雷达散射截面（RCS）。因此，共形天线技术能够大大提高导弹的生存力和战斗力，是新一代
制导武器采用的关键技术之一。美军的新一代反辐射导弹也采用了共形天线，如图3和图4所示。
图3 AGM-88E反辐射导弹
图4 AGM-88E反辐射导弹中采用的共形天线
共形天线的起源至少可以追溯到20世纪30年代，Chireix分析了一个排成圆形的环形偶极子阵列系统。环形阵列具有旋转对称性，可用于广播和通信，后来也被用于导航和测向。环形阵列的典型应用为飞行器共形天线的研究奠定了基础和突破口[1-4]。
1 共形天线制备技术现状
随着制造技术的发展，到21世纪，共形天线的制备技术已出现了许多种类。德国LPKF公司在1997年首次提出并开发了激光直接成形（LDS）共形电路制造技术，此后该公司在1997-2004年间，成功研发了多款适用于LDS技术的设备和新材料。此项技术
2005首次用于诺基亚手机天线和汽车电子（图5）等产品的批量生产，之后更将其应用于电子传感器类封装。
图5 LPKF共形电路产品
法国3D-PLUS公司采用LDS共形电路制造技术开发了一种名为3D-PLUS的新型共形芯片封装产品（图
6）。与传统二维解决方案相比，这类电子元器件在重量上大大减轻，在容量上数倍扩大，并且可靠性能高。已应用于伽利略项目和其他航天航空领域。
图6 3D-Plus封装器件
软膜布LDS共形电路制造技术在欧洲发展范围广，在不同的领域都获得过应用，充分说明了共形电路制
造技术在轻量化、微型化、高空间利用率以及集成方面的先天优势。然而LDS技术最大的缺点是要求电路承载基体必须可激光活化，对基体材料限制较大，无法满足射频电路方面的应用需求，另外材料添加金属粒子活化剂后，将导致基体材料介电性能变差，在高频应用方面存在明显的缺陷。因此，LDS 共形电路制造技术发展至今一直只能在低频、数字等方面获得较多应用，未能向高频电路方面推广应用，传统共形制造技术限制比较严重。
在2016年，美国DARPA和NASA提出了一种基
于气溶胶喷射打印的共形电路制造技术，该技术可实现传统工艺不可能制造出的高精度、高密度探测器电子组件。该技术主要使用一种载体气体和打印机头在对象表面上沉积带金属颗粒的精细气溶胶，可在弯曲面、球面，甚至更复杂的曲面上集成，带线尺寸达几μm级别，同时对材料方面并无LDS那般
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崔西会，等：激光增材技术在共形天线制造方面的应用
限制，可应用数字、低频、高频等电路方面，如图7所示[5-7]。
pvc电线槽
图7 气溶胶喷射打印电子组件
2 激光增材共形制造技术
激光增材制造技术属于3D打印技术的一种。本研究中使用的激光增材技术需结合喷墨打印技术进行。其原理是利用激光高能作用使喷射墨水中的金属颗粒和绝缘材料在界面处发生微熔覆而牢固结合，属局部加温且其热量只作用在金属浆料，对介质材料影响甚微，如图8所示。
图8 激光增材制造共形天线原理图
使用该技术沉积的金属图形尺寸及附着性能取决于前导直写工艺补偿和后道激光固化程度，因此良好的电路制作效果要求对直写工艺以及激光固化工艺参数进行优化，以保证金属图形精确度高，浆料固化良好。基于喷墨与激光微熔覆工艺的激光增材技术，需研究喷墨材料、喷墨参数、喷墨路径、激光类型与固化参数等因素及其不同组合对制造结果的影响。
通过对聚酰亚胺、环氧玻璃布和聚醚醚酮的试
nfs5验研究，制造出了工作频率在0.8~18
GHz的宽带天
线，掌握了结合喷墨打印的激光增材技术制造共形天线的工艺路线和工艺方法。这些宽带天线共形天线可满足大部分相关性能产品高密度集成的需求。
图9、图10和图11所示分别为采用聚酰亚胺、环氧玻璃布和聚醚醚酮制作的共形天线样品，通用性能测试和环境试验考核。这些不同材质的共形天线满足性能指标要求和机载平台可靠性要求。天线实物已应用于机载平台相关装备中，并可靠服役。
3 结论
通过初步试验和可靠性验证，初步掌握了基于
喷墨打印和激光增材的三维共形天线制造技术，制作的三种不同材料的共形天线产品性能稳定，可靠性考核合格，已服役相关装备。
该技术的研究成功为后续其他材料体系共形天线的研究和更复杂结构（如飞机蒙皮天线）的研制等需求积累了研究经验并奠定了研究基础。
参考文献
图9 聚酰亚胺共形天线
图11 聚醚醚酮共形天线
（收稿日期：2019-06-23）
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家用垃圾桶
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崔西会，刘永彪，方杰，等.共形技术在微系统集成领域的应用[J].电子工艺技术,2018,39(5):259-261.
[1][2][3][4][5][6] [7]图10 环氧玻璃布共形天线
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