基于3d打印的一体化太赫兹波纹喇叭天线阵列及其制作方法
阅读说明：本技术 基于3d打印的一体化太赫兹波纹喇叭天线阵列及其制作方法 (Integrated terahertz corrugated horn antenna array based on 3D printing and manufacturing method thereof ) 是由 盛文军 周金文 陈兴玉 于坤鹏 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于3D打印的一体化太赫兹波纹喇叭天线阵列及其制作方法,天线阵列包括若干个波纹喇叭天线单元(101)、表面金属层(102)以及主体支撑结构(103),所述主体支撑结构(103)为光固化树脂,若干个波纹喇叭天线单元(101)一体成型设置在主体支撑结构(103)上,且主体支撑结构(103)上表面覆盖表面金属层(102),相邻波纹喇叭天线单元(101)的之间为与波纹喇叭天线单元(101)一体化的网状支撑结构(104)。本发明的优点在于：提供了波纹喇叭天线阵列基于光固化3D打印技术,一体化成形,不需要天线单元的进一步装配,结构强度好,服役期间变形小,主要材料为光固化树脂,重量轻,能够直接与前端馈源波导进行互联,安装和使用方便。(The invention discloses an integrated terahertz corrugated horn antenna array based on 3D printing and a manufacturing method thereof, wherein the antenna array comprises a plurality of corrugated horn antenna units (101), a surface metal layer (102) and a main body supporting structure (103), the main body supporting structure (103) is made of light-cured resin, the plurality of corrugated horn antenna units (101) are integrally formed on the main body supporting structure (103), the surface metal layer (102) covers the upper surface of the main body supporting structure (103), and a net-shaped supporting structure (104) integrated with the corrugated horn antenna units (101) is arranged between the adjacent corrugated horn antenna units (101). The invention has the advantages that: the corrugated horn antenna array is integrally formed based on a photocuring 3D printing technology, further assembly of antenna units is not needed, the structural strength is good, deformation during service is small, main materials are photocuring resin, the weight is light, the corrugated horn antenna array can be directly interconnected with front-end feed source waveguides, and installation and use are convenient.)
技术领域
本发明属于3D打印领域，具体的涉及到一种基于光固化3D打印技术的波纹喇叭天线阵列及制作方法。
背景技术
太赫兹雷达工作在0.1THz-10THz频段，可实现极窄天线波束和极大信号带宽，空间分辨率高，从而获得精细的目标成像，并具备穿透云层、烟雾的能力，是能应对复杂恶劣环境条件的高精度雷达的发展方向，对国防建设有重要的意义。波纹喇叭天线，是太赫兹雷达系统最常用的天线之一，作为一种改进型喇叭天线，其在喇叭天线的侧壁上设计槽形波纹，防止表面电流从边缘流动，从而改善天线方向图。波纹喇叭天线具有高增益，低副瓣，辐射特性和驻波特性优异，结构简单等优点。传统波纹喇叭天线通过对金属坯材的机械加工进行制作，重量重，加工难，并且后续天线阵列的装配精度高、装配过程复杂。波纹喇叭天线内腔表面的槽形波纹是天线关键尺寸最小，加工难度最大的特征结构，其关键尺寸与天线的工作频段正相关，当天线的工作频段深入到毫米波甚至太赫兹频段时，结构关键尺寸进入毫米甚至亚毫米量级，结构复杂度和加工精度接近或超过了传统机械加工手段的极限，制约了太赫兹雷达的进一步工程应用。
与本发明相关的专利申请有：(1)专利号为201310505614.0的专利文献，公开了一种0.5THz波纹喇叭天线及利用MEMS工艺进行制备的方法；(2)申请号为200910093482.9的专利文献，公开了一种毫米波矩圆过渡一体化波纹喇叭天线及加工方法。201310505614.0号专利文献基于MEMS加工工艺对波纹喇叭天线进行了再设计，获得了一种基于MEMS工艺的片上波纹喇叭天线，这种MEMS加工方法虽然加工精度很高，易于在片上阵列集成，但是复杂三维结构加工能力非常有限，加工工序复杂，成本昂贵。200910093482.9号专利文献首先通过机械加工方法制作一体化天线内芯作为模具，然后通过电铸工艺制作喇叭天线，这种加工方法在一定程度上提高了喇叭天线的加工精度，但是模具腐蚀和电铸工艺加工周期长，整体上仍受限于模具的机械加工工艺，并且后续阵列化集成仍然面临着复杂的装配环节。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提高太赫兹波纹喇叭天线的加工精度并且便于制造。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于3D打印的一体化太赫兹波纹喇叭天线阵列，包括若干个波纹喇叭天线单元(101)、表面金属层(102)以及主体支撑结构(103)，所述主体支撑结构(103)为光固化树脂，若干个波纹喇叭天线单元(101)一体成型设置在主体支撑结构(103)上，且主体支撑结构(103)上表面覆盖表面金属层(102)，相邻波纹喇叭天线单元(101)的之间为与波纹喇叭天线单元(101)一体化的网状支撑结构(104)。
本发明的优点在于：本发明针对传统太赫兹波纹喇叭天线阵列特征尺寸小、关键结构复杂、加工难、阵面装配复杂等问题，提供了一种一体化成型的波纹喇叭天线阵列及其基于光固化3D打印的加工技术，该技术基于面成型3D打印技术，打印精度高、速度快，一体化成形，不需要天线单元的进一步装配，结构强度好，服役期间变形小。本发明提供的波纹喇叭天线阵列主要材料为光固化树脂，重量轻，能够直接与前端馈源波导进行互联，安装和使用方便。
作为优化的技术方案，所述网状支撑结构(104)为均匀的网状结构。
作为优化的技术方案，所述网状支撑结构(104)为不均匀的网状结构，有的区域密集、有的区域稀疏。
作为优化的技术方案，波纹喇叭天线单元(101)根据需要进行排布，包括正交、三角排布方式。
作为优化的技术方案，所述表面金属层(102)为铜、或金。
作为优化的技术方案，单个波纹喇叭天线单元(101)是包含五个部分的一体式结构，即矩形波导(1011)、波导过渡段(1012)、圆形波导(1013)、模式变换段(1014)和辐射段(1015)；
其中矩形波导(1011)为直接与外部输入矩形波导直接互联的矩形波导结构；波导过渡段(1012)是一种由矩形到圆形的圆滑过渡结构，实现由矩形波导(1011)到圆形波导(1013)的过渡；圆形波导(1013)是与模式变换段(1014)直接相连的圆形波导；模式变换段(1014)由带有多个环形槽的圆形喇叭构成；辐射段(1015)由带有多个环形槽的圆形喇叭构成；
网状支撑结构(104)位于相邻波纹喇叭天线单元(101)之间，且网状支撑结构(104)与波纹喇叭天线单元(101)为一体结构。
本发明还提供了上述任一方案所述的基于3D打印的一体化太赫兹波纹喇叭天线阵列的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1、根据太赫兹波纹喇叭天线阵列的工作频率进行太赫兹波纹喇叭天线阵列的详细设计，得到太赫兹波纹喇叭天线阵列的三维结构图；
步骤S2、根据3D打印的工艺约束对步骤S1得到的太赫兹波纹喇叭天线阵列的三维结构进行优化，得到能够直接3D打印的三维结构图；
步骤S3、基于光固化3D打印技术，从端部开始进行太赫兹波纹喇叭天线阵列的整体3D打印，所述3D打印所使用的材料为光固化树脂，光固化3D打印工艺过程中，单层打印层厚10-100微米，光学成像精度10-100微米，垂直打印速度1-10毫米/分钟；
步骤S4、基于化学镀工艺，对结构表面依次进行清洗、粗化、活化、化学镀，在天线阵列结构所有表面沉积1-10um厚的表面金属层(102)；
步骤S4、利用激光烧蚀工艺，在波纹喇叭天线单元(101)辐射段(1015)的圆形喇叭开口和矩形波导(1011)的矩形开口周围制作环形或矩形隔离区(105)，将波纹喇叭天线单元(101)表面的金属层与其余表面金属层(102)隔离开。
作为优化的技术方案，所述3D打印方法包括DLP光固化3D打印或LCD光固化3D打印技术。
本发明的优点在于：本发明针对传统太赫兹波纹喇叭天线阵列特征尺寸小、关键结构复杂、加工难、阵面装配复杂等问题，提供了波纹喇叭天线阵列基于光固化3D打印技术，为面成型3D打印技术，打印精度高、速度快，一体化成形，不需要天线单元的进一步装配，结构强度好，服役期间变形小。本发明提供的波纹喇叭天线阵列主要材料为光固化树脂，重量轻，能够直接与前端馈源波导进行互联，安装和使用方便。
利用金属3D打印等传统工艺制作的波纹喇叭天线尺寸大、重量大，难以应用于太赫兹波段天线的制作，基于光固化3D打印技术微纳米级高精度、快速打印的最新进展，结合表面金属化技术，本发明提出了基于光固化3D打印技术的太赫兹波纹喇叭天线阵列，为太赫兹雷达的工程应用奠定了基础。
附图说明
图1中所展示的是喇叭天线阵列示意图。
图2中所展示的是喇叭天线阵列剖面结构示意图。
图3中所展示的是单个波纹喇叭天线单元结构的一半的剖视图。
图4a中所展示的是单个波纹喇叭天线单元结构辐射段一面的一半的俯视图。
图4b中所展示的是单个波纹喇叭天线单元结构矩形波导一面的一半的俯视图。
图5中所展示的是波纹喇叭天线阵列制作工艺流程。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于3D打印的一体化太赫兹波纹喇叭天线阵列，如图1所示，该基于3D打印的一体化太赫兹波纹喇叭天线阵列包括若干个波纹喇叭天线单元101、表面金属层102以及主体支撑结构103。
所述主体支撑结构103为光固化树脂。若干个波纹喇叭天线101一体成型设置在主体支撑结构103上，且波纹喇叭天线101和主体支撑结构103表面覆盖表面金属层102，所述表面金属层102采用铜、金等金属。
如图2所示为图1中波纹喇叭天线阵列的中间剖面图，可以看出，相邻波纹喇叭天线单元101的之间为与波纹喇叭天线单元101一体化的网状支撑结构104，网状支撑结构104可以为均匀的网状结构，也可以为不均匀的网状结构，即有的区域密集、有的区域稀疏，以能够保证整个阵列结构的刚强度最大化、重量最小化为宜。
波纹喇叭天线单元101可以根据需要进行排布，包括正交、三角等各种排布方式。如图3所示，单个波纹喇叭天线单元101是包含五个部分的一体式结构，即矩形波导1011、波导过渡段1012、圆形波导1013、模式变换段1014和辐射段1015。
其中矩形波导1011为直接与外部输入矩形波导直接互联的矩形波导结构；波导过渡段1012是一种由矩形到圆形的圆滑过渡结构，实现由矩形波导1011到圆形波导1013的过渡；圆形波导1013是与模式变换段1014直接相连的圆形波导；模式变换段1014由表面带有多个环形槽的圆形喇叭构成，作用是实现由TEM波到HE波的变换；辐射段1015由表面带有多个环形槽的圆形喇叭构成，作用是实现HE波的对外辐射。网状支撑结构104位于相邻波纹喇叭天线单元101之间。且网状支撑结构104与波纹喇叭天线单元101为一体结构。
如图4a和图4b所示，波纹喇叭天线单元101的辐射段1015的圆形喇叭开口和矩形波导1011的矩形开口制作有环形或矩形隔离区105，将波纹喇叭天线单元101表面的金属层与其余表面金属层102隔离开。
详细的，本波纹喇叭天线的制作方法如图5所示，包括如下步骤：
步骤S1、根据太赫兹波纹喇叭天线阵列的工作频率进行太赫兹波纹喇叭天线阵列的详细设计，得到太赫兹波纹喇叭天线阵列的三维结构图；
步骤S2、根据3D打印的工艺约束对步骤S1得到的太赫兹波纹喇叭天线阵列的三维结构进行适当优化，得到能够直接3D打印的三维结构图；
步骤S3、基于光固化3D打印技术，按照图1中箭头所示的方向进行太赫兹波纹喇叭天线阵列的整体3D打印，所述3D打印方法包括DLP(数字激光投影)光固化3D打印或LCD光固化3D打印等面成型3D打印技术，所述3D打印所使用的材料为光固化树脂，光固化3D打印工艺过程中，单层打印层厚10-100微米，光学成像精度10-100微米，垂直打印速度1-10毫米/分钟；
步骤S4、基于化学镀工艺，对结构表面依次进行清洗、粗化、活化、化学镀，在天线阵列结构所有表面沉积1-10um厚的表面金属层102；
步骤S5、利用激光烧蚀工艺，在波纹喇叭天线单元101的辐射段1015的圆形喇叭开口和矩形波导1011的矩形开口制作环形或矩形隔离区105，将波纹喇叭天线单元101表面的金属层与其余表面金属层102隔离开。
本发明针对传统太赫兹波纹喇叭天线阵列特征尺寸小、关键结构复杂、加工难、阵面装配复杂等问题，提供了波纹喇叭天线阵列基于光固化3D打印技术，为面成型3D打印技术，打印精度高、速度快，一体化成形，不需要天线单元的进一步装配，结构强度好，服役期间变形小。本发明提供的波纹喇叭天线阵列主要材料为光固化树脂，重量轻，能够直接与前端馈源波导进行互联，安装和使用方便。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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