大型星載薄膜天線高精度制造技術(shù)研究

謝 超，嚴(yán) 飆，劉 鈺，張利平，彭福軍

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109）

1 引言

隨著天基遙感衛(wèi)星系統(tǒng)監(jiān)視能力及分辨率性能的不斷提升，星載天線大量采用具有高增益的大口徑平面相控陣天線，并通過(guò)可展開(kāi)結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型天線的小包絡(luò)收藏和高精度展開(kāi)［1］。為滿足星載天線的輕量化要求，國(guó)外首先提出了薄膜天線技術(shù)方案，采用薄膜結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的剛性天線固面板，可大幅降低天線重量和收藏體積［2］。20世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）、加拿大航天局（CSA）以及德國(guó)宇航中心（DLR） 相繼開(kāi)展了薄膜天線技術(shù)研究［3?6］，研制出多種十平米量級(jí)的薄膜天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)，驗(yàn)證了薄膜天線技術(shù)方案的可行性。

薄膜天線的基本設(shè)計(jì)思路是將天線的輻射單元、饋線網(wǎng)絡(luò)等電訊器件分層加工在柔性膜面上，從而構(gòu)成多層薄膜陣面結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)雖然具備較好的折展能力，但柔性陣面的平面精度比傳統(tǒng)剛性陣面更難實(shí)現(xiàn)，另外還要滿足層間距精度、層間對(duì)位精度等形位精度要求，給薄膜天線制造技術(shù)帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)。JPL曾對(duì)小口徑多層薄膜天線陣面的組裝工藝和層間形位精度保持技術(shù)進(jìn)行了研究［7］，但主要適用于小型驗(yàn)證樣機(jī)的研制。國(guó)內(nèi)外針對(duì)百平米量級(jí)大型薄膜天線的高精度制造技術(shù)尚未開(kāi)展系統(tǒng)性研究，大型薄膜天線陣面的制造精度難以保證，制約了薄膜天線技術(shù)的工程化應(yīng)用。

本文針對(duì)百平米量級(jí)星載可展開(kāi)薄膜天線，提出一種面向工程應(yīng)用的大型薄膜天線陣面制造方案，通過(guò)對(duì)大面積膜面成形制備、多層膜面復(fù)合與集成等重要工藝環(huán)節(jié)采取精度控制手段，實(shí)現(xiàn)大型薄膜天線樣機(jī)的平面度和層間形位精度設(shè)計(jì)要求。

2 薄膜天線方案

本文針對(duì)的用于對(duì)地觀測(cè)雷達(dá)的星載薄膜相控陣天線方案如圖1所示。天線有效展開(kāi)尺寸為5 m×20 m，主要由可展開(kāi)支撐框架、陣面結(jié)構(gòu)、張拉與形狀控制機(jī)構(gòu)等組成。其中，可展開(kāi)支撐框架可在展開(kāi)機(jī)構(gòu)控制下實(shí)現(xiàn)卷繞收攏和伸展，同時(shí)帶動(dòng)框架及陣面實(shí)現(xiàn)收攏展開(kāi)。天線框架展開(kāi)到位后，由張拉機(jī)構(gòu)對(duì)薄膜天線陣面張緊成形，并在形狀控制機(jī)構(gòu)配合下維持薄膜天線在軌運(yùn)行過(guò)程中的型面精度。

圖1 薄膜天線構(gòu)型Fig．1 Configuration of membrane antenna

天線陣面設(shè)計(jì)為5層薄膜結(jié)構(gòu)，依次定義為貼片一層、貼片二層、縫隙層、饋電層、反射層，如圖2所示。天線平面度要求為±10 mm，各層之間還需保持較高的層間距精度和層間對(duì)位精度。層間采用彈性隔件支撐，這種隔件可壓扁和自動(dòng)回彈，以適應(yīng)薄膜天線陣面壓縮折疊及展開(kāi)功能。同時(shí)，彈性隔件還具有較好的抗剪切剛度，可保證膜層間的對(duì)位精度。

3 薄膜天線制造技術(shù)

3.1 工藝總流程

圖2 薄膜天線陣面結(jié)構(gòu)方案Fig．2 Architecture of membrane antenna array

薄膜天線陣面尺寸大，無(wú)法直接制備獲得，需要首先制備不同規(guī)格的膜條，隨后將膜條拼接、裁切成多種大尺寸膜面，最后將多層膜面復(fù)合為薄膜天線陣面。薄膜天線陣面的主要制造過(guò)程分為膜條制作、膜面制作、多層薄膜陣面復(fù)合、系統(tǒng)集成四個(gè)部分。綜合考慮天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造工藝特點(diǎn)、相互影響及工藝接口要求，研究制定出薄膜天線陣面制造工藝總流程，如圖3所示。膜條制作階段主要實(shí)現(xiàn)特定規(guī)格膜條及其面上電訊單元、定位接口的制備；膜面制作階段主要實(shí)現(xiàn)大型膜面的拼接制備；陣面復(fù)合階段主要實(shí)現(xiàn)大型膜面的懸吊、定位、組裝；系統(tǒng)集成階段則實(shí)現(xiàn)薄膜陣面與展開(kāi)機(jī)構(gòu)的集成和精調(diào)，最終完成大型薄膜天線的集成測(cè)試。

圖3 薄膜天線制造流程Fig．3 Manufacturing process of membrane antennas

3.2 膜條制作

天線陣面外包絡(luò)尺寸較大，各層膜面上的電訊單元和復(fù)合方法也存在差異，故將各層膜面劃分為不同規(guī)格的小尺寸膜條，如圖4所示，對(duì)各類(lèi)膜條采取特定的加工處理，從而構(gòu)成完整的天線膜層。將這些特定類(lèi)型的膜條規(guī)格化，有利于保證膜條批量加工的質(zhì)量穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)于不同構(gòu)型和不同尺寸的天線應(yīng)用也具有較好的適應(yīng)性。

圖4 薄膜天線膜條劃分示意圖Fig．4 Schematic sketches of membrane strips

天線陣面上的輻射單元及饋電網(wǎng)絡(luò)等電訊圖形采用蝕刻工藝制成。在全覆銅柔性膜面上，按照電訊圖形去除多余銅層，即制成輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)。具體流程如圖5所示，主要包括膜材裁切、電路圖形菲林制作、印刷絲網(wǎng)制作、電路圖形印刷、蝕刻及表面處理等工藝流程。膜條蝕刻加工過(guò)程如圖6所示，采用電訊圖形連續(xù)印刷和連續(xù)蝕刻技術(shù)，可制得形狀精度高、工藝穩(wěn)定性好的天線單元和饋線結(jié)構(gòu)。

圖5 薄膜天線膜條蝕刻加工流程Fig．5 Etching process of membrane strips

圖6 膜條蝕刻加工Fig．6 Etching of membrane strip

在五層膜面中，縫隙層與饋電層間距較?。ㄒ?jiàn)圖2），對(duì)間距誤差較為敏感，提出采用一體化復(fù)合制造手段，在膜條制備時(shí)便利用泡沫小隔件將兩層膜條復(fù)合為“三明治”結(jié)構(gòu)，既保證層間形位精度，又避免了后續(xù)多層膜面集成裝配對(duì)其層間形位精度的影響。

采用專(zhuān)門(mén)研發(fā)的熱壓設(shè)備實(shí)現(xiàn)縫隙層與饋電層膜條的一體化復(fù)合，加工過(guò)程如圖7所示。首先，將縫隙層膜條定位放置于熱壓工裝的底板上；然后，在膜條上放置多塊小隔件（小隔件上下表面預(yù)先粘附一層熱固型膠膜），小隔件鋪放位置依據(jù)工裝板上的刻線標(biāo)定。隨后，將饋線層膜條定位放置于小隔件上；最后，將熱壓工裝的頂板覆蓋在雙層膜條上，放入熱壓設(shè)備中熱壓，促使小隔件表面的膠膜固化，制成縫隙／饋電復(fù)合膜條。

圖7 縫隙／饋電層膜條復(fù)合加工Fig．7 Composite processing of gap layer and feed?back layer

為確保復(fù)合膜條層間形位精度滿足要求，在熱壓復(fù)合時(shí)，選用抗壓縮、耐高溫、厚度均一性好的泡沫隔件，確保隔件熱壓變形小且受力均勻；采取擠壓行程限位措施，防止隔件因過(guò)壓縮引起壓潰；冷卻狀態(tài)加載／卸載，避免加工過(guò)程中的熱變形對(duì)精度產(chǎn)生影響。

3.3 膜面制作

膜面制作主要是將邊沿膜條進(jìn)行懸鏈邊裁切，并將制成的天線陣面膜條拼接成全尺寸膜面。采用專(zhuān)用自動(dòng)化薄膜裁切設(shè)備，通過(guò)負(fù)壓吸附（展平）、視覺(jué)定位、自動(dòng)裁切等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)薄膜陣面邊沿膜條曲線型懸鏈邊的高精度裁切，加工過(guò)程如圖8所示。

圖8 膜條裁切加工Fig．8 Cutting of membrane strip

采用專(zhuān)門(mén)研發(fā)的自動(dòng)化薄膜拼接設(shè)備，通過(guò)負(fù)壓吸附實(shí)現(xiàn)相鄰膜條的展平和定位，利用進(jìn)給式熱壓系統(tǒng)對(duì)膜條進(jìn)行雙面熱固化拼接，可達(dá)到較高的拼接精度和加工效率。膜條拼接采用表面附著半固化膠層的帶膜，在熱壓狀態(tài)下膠層固化，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)膜條的粘接，如圖9所示。

圖9 膜條熱壓拼接加工Fig．9 Hot?press stitching of membrane strips

3.4 多層陣面復(fù)合

多層膜面依靠層間彈性支撐隔件連接為一個(gè)整體，其復(fù)合工藝的核心是大尺寸膜面吊裝對(duì)位及層間隔件的裝配工藝。首先，將收納狀態(tài)的單層膜面起吊至懸掛系統(tǒng)下方，將其展開(kāi)并調(diào)平；隨后，使用專(zhuān)用工具將彈性支撐隔件分別與相鄰兩個(gè)膜面固連。每層膜面間設(shè)置有多組彈性隔件，從而有效保證層間形位精度的穩(wěn)定性。重復(fù)以上工序，完成所有膜面的復(fù)合組裝，如圖10所示。

圖10 薄膜天線陣面集成過(guò)程Fig．10 Integration process of membrane antenna

3.5 系統(tǒng)集成與測(cè)試

薄膜天線陣面復(fù)合完成后，進(jìn)行天線可展框架組裝，隨后連接膜面角點(diǎn)與張拉機(jī)構(gòu)，調(diào)整天線裝配精度，完成薄膜天線樣機(jī)系統(tǒng)集成。最后，進(jìn)行了薄膜天線樣機(jī)收攏展開(kāi)測(cè)試，如圖11所示。天線在展開(kāi)機(jī)構(gòu)控制下成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)展開(kāi)和陣面張緊成型，展開(kāi)過(guò)程平穩(wěn)，膜面拼接部位未出現(xiàn)損傷，陣面復(fù)合連接部位未出現(xiàn)分離失效，層間彈性隔件壓平和回彈功能可順利完成。

圖11 薄膜天線樣機(jī)展開(kāi)測(cè)試Fig．11 Deployment test of membrane antenna proto?type

采用Nikon MV?330三維激光雷達(dá)對(duì)薄膜天線陣面平面度和層間形位精度進(jìn)行了測(cè)量，如圖12所示。激光雷達(dá)采用球形測(cè)量系統(tǒng)，利用高精度反射鏡和紅外激光光束測(cè)量三個(gè)物理量：方位角、俯仰角及距離。方位角和俯仰角通過(guò)兩個(gè)高精度的編碼器實(shí)現(xiàn)，距離利用調(diào)頻相干激光雷達(dá)技術(shù)測(cè)量，最后在球形坐標(biāo)系和笛卡爾坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換得出被測(cè)點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)。系統(tǒng)測(cè)量陣面最遠(yuǎn)距離小于15 m，測(cè)量精度優(yōu)于0.2 mm。利用測(cè)取的各層膜面測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，計(jì)算得到薄膜天線陣面平面度及層間形位精度均滿足天線設(shè)計(jì)要求。

圖12 薄膜天線平面精度測(cè)量Fig．12 Surface accuracy test of membrane antenna

4 討論

本文論述的大型薄膜天線高精度制造技術(shù)主要面向工程研制要求，旨在建立一套規(guī)范通用、高質(zhì)高效的工藝實(shí)施方法。首先，梳理了薄膜天線陣面制造、集成和測(cè)試過(guò)程及其相互影響，確立了薄膜天線陣面研制的工藝流程。隨后，提出了薄膜天線陣面的平面和層間精度的工藝控制方法。針對(duì)平面度要求，重點(diǎn)關(guān)注大尺寸膜面的制造精度控制，通過(guò)規(guī)格化的小尺寸膜條劃分，減少了膜條種類(lèi)，且有助于膜條加工質(zhì)量的穩(wěn)定性控制；采用自動(dòng)化拼接與裁切制備，確保了大尺寸膜面的高精度、高效率成型。針對(duì)層間形位精度要求，考慮大間距層需同時(shí)滿足壓縮收攏功能、小間距層精度敏感度高的差異化特點(diǎn)，分別制定了彈性支撐隔件組裝和小隔件一體化復(fù)合兩套工藝方案。上述解決方案的精度可實(shí)現(xiàn)性和工藝穩(wěn)定性在百平米薄膜天線研制和測(cè)試中得到了驗(yàn)證，基本滿足當(dāng)前工程論證階段的研制要求。

對(duì)于執(zhí)行不同任務(wù)的薄膜天線，其空間環(huán)境差異會(huì)給制造過(guò)程中的選材、工藝處理及過(guò)程控制帶來(lái)更多約束或新要求。另外，為適應(yīng)將來(lái)更高頻段的平面相控陣天線應(yīng)用，需要研發(fā)更高精度的薄膜天線，對(duì)制造過(guò)程的精度控制要求也隨之提高。因此，研究空間／地面環(huán)境差異對(duì)薄膜天線陣面制造精度的影響，進(jìn)一步開(kāi)展適應(yīng)空間環(huán)境的大型薄膜天線高精度制造工藝優(yōu)化，對(duì)于最終保證薄膜天線服役精度及性能穩(wěn)定性具有重要意義。

5 結(jié)論

1）提出了大型薄膜天線陣面高精度制造工藝方案，確定了工藝實(shí)施流程，研制出的5 m×20 m薄膜天線原理樣機(jī)滿足設(shè)計(jì)精度，制造技術(shù)可適應(yīng)工程應(yīng)用需求；

2）采用規(guī)格化的膜條拼接大尺寸膜面，有利于膜條加工質(zhì)量穩(wěn)定性保證，同時(shí)具備較好的構(gòu)型和尺寸適應(yīng)能力；

3）研發(fā)專(zhuān)用的自動(dòng)化拼接、裁切等設(shè)備，提升了大面積膜面成型制造的平面精度和加工效率；

4）針對(duì)薄膜天線陣面層間形位精度控制問(wèn)題，采用多組彈性支撐隔件組裝方式，實(shí)現(xiàn)了大間距膜層間的定位、連接和精度保持，同時(shí)滿足收展功能要求；采用泡沫小隔件一體化復(fù)合方式，實(shí)現(xiàn)了小間距膜層間的形位精度，并避免了集成裝調(diào)等操作帶來(lái)的影響。

（

）

［1］ 王從思，韓如冰，王偉，等.星載可展開(kāi)有源相控陣天線結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016，52（5）：107?123.Wang Congsi， Han Rubing， Wang Wei， et al.Development of spaceborne deployable active phased array antennas［J］.Journal of Mechanical Engineering， 2016， 52（5）： 107?123.（in Chinese）

［2］ 陳升友.天基雷達(dá)大型可展開(kāi)相控陣天線及其關(guān)鍵技術(shù)［J］. 現(xiàn)代雷達(dá)， 2008， 30（1）： 5?8.Chen Shengyou，Large deployable phased array antenna for space?based radar and its key techniques［J］.Modern Radar，2008， 30（1）： 5?8.（in Chinese）

［3］ Huang J，F(xiàn)ang H F，Lopez B，et al.The development of in?flatable array antennas［R］.AIAA?2003?6320， Long Beach，California，2003.

［4］ Lopez B C，Lou M C，Huang J，et al.Development of an in?flatable SAR engineering model［C］／／42nd AIAA／ASME／ASCE／AHS／ASC Structures， Structural Dynamics， and Mate?rials Conference and Exhibit， Seattle， WA， 2001： 16?19.

［5］ Baylis A，Gavrilovic M M，Girard R，et al Progress in large membrane antennas for SAR applications［ C］ ／／5th Europe Conference on Synthetic Aperture Radar， EUSAR 2004，Ulm， Germany， 2004： 485?488.

［ 6 ］ Macro Straubel， Joachim Block， Michael Sinapius， et al.De?ployable composite booms for various gossamer space struc?tures［ C ］ ／／52nd AIAA／ASME／ASCE／AHS／ASC Struc?tures， Structural Dynamics and Materials Conference， 2011.

［7］ Fang H F，Huang J，Quijiano U.Design and technologies de?velopment for an eight?meter inflatable reflect array antenna［ C ］ ／／47th AIAA／ASME／ASCE／AHS／ASC Structures，Structural Dynamics， and Materials Conference， Newport，Rhode Island，2006.