Ka頻段網(wǎng)狀天線鍍金鉬絲網(wǎng)的研制

鄭建生，李東偉，張建福

(1. 中國電子科技集團公司第三十九研究所， 陜西 西安 710065；2. 宏達高科控股股份有限公司， 浙江 海寧 314400)

Ka頻段網(wǎng)狀天線鍍金鉬絲網(wǎng)的研制

鄭建生1，李東偉1，張建福2

(1. 中國電子科技集團公司第三十九研究所， 陜西 西安 710065；2. 宏達高科控股股份有限公司， 浙江 海寧 314400)

由微細金屬絲編織而成的高性能彈性網(wǎng)微波反射面材料，是研制空間大型可展開網(wǎng)狀拋物面天線的關鍵材料之一。用在高頻段(Ka頻段)的絲網(wǎng)材料由于其采用的經(jīng)編針織結(jié)構的編織工藝和超細鍍金絲的批量生產(chǎn)技術難度都很大，目前只有國外才能生產(chǎn)。經(jīng)過9年多的研究，采用直徑27 μm的超細鍍金鉬絲，在國內(nèi)首次研制出平面密度為67.1 g/m2，彈性預緊力20 g/cm，微波反射系數(shù)(30 GHz)大于98%的鍍金鉬絲網(wǎng)天線反射面材料，其性能達到了Ka頻段網(wǎng)面可展開天線使用的基本要求。

Ka頻段網(wǎng)狀天線；鍍金鉬絲網(wǎng)；經(jīng)編結(jié)構；微波反射系數(shù)；網(wǎng)面彈性

引 言

網(wǎng)面材料是研制空間大型可展開網(wǎng)狀拋物面天線的關鍵構件之一，金屬絲網(wǎng)材料在天線展開機構作用下形成反射面天線的柔性高精度曲面。在空間環(huán)境下，網(wǎng)面材料必須滿足衛(wèi)星可展開天線結(jié)構的力學性能與電氣性能兩方面的綜合使用要求。

國外的衛(wèi)星型號產(chǎn)品使用的是由直徑15～30 μm的超細鍍金鉬絲或鍍金鎢絲編織而成的高難度“彈性針織絲網(wǎng)材料”。特別是用在高頻段(Ka頻段)的絲網(wǎng)材料，由于其網(wǎng)孔直徑很小，并且天線曲面精度要求很高，其超細、超長鍍金絲的批量生產(chǎn)以及絲網(wǎng)采用的經(jīng)編針織結(jié)構的編織工藝難度都很大，目前只有美國和俄羅斯才能生產(chǎn)[1]。高頻段星載天線絲網(wǎng)材料從國外引進的價格極高，而且存在許多限制，迫切需要解決其國產(chǎn)化的問題。經(jīng)過9年多的不斷研究，我們在2009年采用直徑27 μm的超細鍍金鉬絲，對俄羅斯Ka頻段的絲網(wǎng)材料進行了仿制試驗研究，在國內(nèi)首次研制出了高頻段的鍍金鉬絲網(wǎng)樣品，并作了初步的性能測試與對比研究。研制樣品的主要性能指標基本滿足網(wǎng)面可展開天線的使用要求，為其國產(chǎn)化研制邁出了關鍵的一步。

1 國外Ka頻段金屬絲網(wǎng)材料的編織結(jié)構特點

美國Ka頻段網(wǎng)面材料編織結(jié)構的主要特點：采用直徑20～30 μm的超細鍍金鉬絲或鎢絲，為單面鏈孔結(jié)構的單絲經(jīng)編針織織物，菱形網(wǎng)孔的排列結(jié)構，具有良好的各向彈性一致性。

俄羅斯Ka頻段網(wǎng)面材料編織結(jié)構的特點：采用直徑15 μm的多股超細鍍金鎢絲，為雙面組合的多絲經(jīng)編針織織物，絲網(wǎng)材料具有較小的網(wǎng)孔直徑和較好的平整度。

美國和俄羅斯的絲網(wǎng)材料的編織結(jié)構類型相同，都是經(jīng)編針織結(jié)構，即都是采用相同的經(jīng)編針織工藝組合編織而成的超薄超輕彈性針織網(wǎng)孔絲網(wǎng)材料。但兩者編織結(jié)構的網(wǎng)孔花形不同，編織工藝過程中的難易程度略有不同。

2 Ka頻段鍍金鉬絲網(wǎng)的研制試驗

2.1 超細金屬絲的針織工藝適應性試驗

由于超細超長金屬絲的拉拔加工、連續(xù)鍍金，以及高密度彈性金屬絲網(wǎng)的經(jīng)編針織編網(wǎng)難度都已經(jīng)達到或接近相應領域的生產(chǎn)加工水平極限。開展Ka網(wǎng)的綜合仿制試驗研究，在研究技術條件和經(jīng)費兩個方面都很困難。仿制試驗的早期曾采用國產(chǎn)直徑30 μm的不銹鋼絲、20和25 μm的鎢絲、30 μm的鉬絲、50 μm的銅絲做過緯編結(jié)構樣品的簡單編織試驗，以了解這些超細金屬絲的編織工藝適應性。由于這些絲的性能在編織方面差距較大，編織樣品的斷絲情況或彈性變形均勻性都不好。

2.2 進口網(wǎng)的經(jīng)編針織結(jié)構仿制試驗

在仿制試驗的過程中，采用低成本的尼綸絲，采用進口高端數(shù)控經(jīng)編設備，直接仿制了俄羅斯Ka網(wǎng)的經(jīng)編針織編織結(jié)構，并研制出低成本的Ka頻段尼綸絲代用網(wǎng)材料，可用于星載天線地面原理樣機的力學性能試驗。

2.3 鍍金鉬絲網(wǎng)測試樣品的仿制試驗

經(jīng)過與超細金屬絲的鍍涂研制單位合作，研制出直徑25 μm的超細超長鉬絲的連續(xù)鍍金批量生產(chǎn)工藝，鍍金層厚度1 μm。這些都為直接采用國產(chǎn)超細鍍金鉬絲仿制進口Ka頻段鍍金絲網(wǎng)產(chǎn)品的最終樣品創(chuàng)造了條件。仿制的Ka頻段鍍金鉬絲網(wǎng)樣品的手感沒有進口鍍金鎢絲網(wǎng)柔軟性好，稍微有些發(fā)硬。

圖1是采用直徑27 μm的國產(chǎn)鍍金鉬絲仿制的進口Ka頻段鍍金鉬絲網(wǎng)的樣品照片。該樣品幅寬0.5 m，長度2.5 m，滿足網(wǎng)面材料基本的機械性能和電性能測試要求。

圖1 仿制的鍍金鉬絲網(wǎng)樣品照片

3 鍍金鉬絲仿制網(wǎng)的基本性能測試

3.1 網(wǎng)面編織結(jié)構和網(wǎng)孔尺寸的測試

使用放大倍數(shù)50倍左右的放大鏡，對研制出的鉬絲網(wǎng)網(wǎng)孔結(jié)構尺寸參數(shù)進行理化測試分析，圖2是編織結(jié)構的對比放大照片。仿制網(wǎng)的編織結(jié)構與進口網(wǎng)完全相同，鍍層表面質(zhì)量良好，但網(wǎng)單元的編織均勻性還是與俄羅斯進口網(wǎng)有一定的差距。

圖2 進口網(wǎng)(左)與仿制網(wǎng)(右)網(wǎng)孔尺寸與編織結(jié)構放大照片

預緊后網(wǎng)孔尺寸約為0.65 mm × 0.43 mm，比進口網(wǎng)0.53 mm × 0.53 mm略大，但網(wǎng)孔面積近似，完全滿足Ka頻段微波全反射對網(wǎng)孔尺寸的要求[2]。

3.2 編織密度測試

按照紡織行業(yè)標準方法，測試網(wǎng)面在自然狀態(tài)下的平面密度，仿制網(wǎng)的面密度為67.1 g/m2，比美國研制的鍍金鉬絲網(wǎng)的面密度51.9 g/m2要大。該指標說明仿制網(wǎng)與國外產(chǎn)品還是有一定的差距[2]。

3.3 力學性能測試

對仿制網(wǎng)與進口Ka網(wǎng)的彈性進行單向拉伸變形性能測試，見圖3和圖4。對比測試曲線可以看出：在20 g/cm的拉伸預緊力下，仿制網(wǎng)的緯向彈性變形率約為8.5%，進口網(wǎng)為6.5%～8.5%，二者較為接近；仿制網(wǎng)的經(jīng)向彈性變形率為3.5%～4.5%，進口網(wǎng)約為6%，二者相差較大，但都能滿足天線網(wǎng)面鋪設工藝要求。

圖3 緯向拉伸變形曲線

圖4 經(jīng)向拉伸變形曲線

3.4 電性能指標測試與分析

采用波導法對仿制網(wǎng)的網(wǎng)面反射系數(shù)進行了測試。在20 g/cm預緊力下，仿制網(wǎng)在30 GHz時的微波反射系數(shù)大于98.3%，滿足可展開天線微波反射面的使用要求。對于金屬網(wǎng)無源交調(diào)干擾電平(PIM)指標，國外研究資料表明[3]，只要仿制網(wǎng)網(wǎng)面材料的網(wǎng)孔結(jié)構參數(shù)和鍍層質(zhì)量達到要求，其PIM電性能指標就能滿足相同頻段天線反射面的使用要求。

4 結(jié)束語

通過這次Ka頻段鍍金鉬絲網(wǎng)的仿制試驗與性能對比測試，可以得到以下結(jié)論：

1)采用進口的經(jīng)編針織設備，使用國內(nèi)研制的直徑27 μm的超細鍍金鉬絲，可以仿制出與進口產(chǎn)品編織結(jié)構完全相同的Ka頻段金屬網(wǎng)樣品。仿制網(wǎng)的編織結(jié)構參數(shù)和力學性能基本與進口產(chǎn)品相近。

2)研制樣品的微波電性能滿足可展開天線的使用要求，網(wǎng)面彈性基本滿足要求，但在經(jīng)向(縱向)與進口網(wǎng)有明顯差距，有待改進。

3)研制的直徑27 μm的超細鍍金鉬絲的編織性能尚可，但其鍍金層厚度的均勻性以及絲的柔軟性還有待進一步提高。

[1] 鄭建生, 李東偉, 田玉華, 等. 空間可展開網(wǎng)狀天線網(wǎng)面材料的性能研究[J]. 電子機械工程, 2005, 21(3): 49-51.

[2] 王援朝, 譯. 應用于Ku和Ka波段商業(yè)衛(wèi)星的Astro MeshTM可展開反射器[J]. 通信與測控, 2005, 29(2): 55-64.

[3] 楊梅, 譯. 關于可展開通信天線的低無源互調(diào)、零熱膨脹系數(shù)網(wǎng)的研制[J]. 通信與測控, 1995(4): 70-72.

鄭建生(1964-)，男，高級工程師，主要從事雷達天線結(jié)構特種工藝研究工作。

2014年電子機械與微波結(jié)構工藝學術會議征文通知

中國電子學會電子機械工程分會與微波分會，定于2014年8月，在呼和浩特市聯(lián)合召開2014年電子機械與微波結(jié)構工藝學術會議。熱忱歡迎業(yè)界專家、學者、企業(yè)家及分會團體會員單位的同行們積極組稿、撰稿并參加會議進行交流?，F(xiàn)就會議征文有關事項通知如下：

一、會議主題內(nèi)容和征文范圍

1. 面向電子設備與系統(tǒng)設計的理論、方法與技術。廣義機電場耦合理論與方法/機電參數(shù)綜合設計與測控技術/機、電、熱、磁兼容技術/微波結(jié)構設計技術/熱設計與熱分析技術/振、沖隔離設計與分析/人、機、環(huán)境工程/ CAD與仿真。

2. 電子機械先進制造技術。數(shù)字化制造與制造信息化技術/虛擬制造技術/設計、制造一體化技術/微波工藝技術/特種制造和工藝技術。

3. 微電子組裝與微機電系統(tǒng)。微組件封裝與表面組裝技術(SMT)/高密度組裝與立體組裝/組裝測試與組裝可靠性/MEMS(微傳感器與微執(zhí)行器等)/微光、機、電系統(tǒng)/微尺度制造技術。

二、會議征文投稿方式

會議征文投稿請以word格式電子文件發(fā)送至《電子機械工程》編輯部投稿郵箱dzjxgc@126.com，請注明“會議征文”字樣，論文排版格式請按《電子機械工程》期刊格式要求。

三、會議征文要求

論文請勿涉及保密內(nèi)容，所投論文保密審查由各單位自行負責并提供保密審查證明。論文應論點明確、論據(jù)充分，未在全國性學術會議及公開刊物上發(fā)表過。本次論文集不正式出版，以電子版形式發(fā)放。大會將進行論文評優(yōu)并頒發(fā)獎狀，優(yōu)秀論文將推薦在《電子機械工程》刊登，每篇錄用的論文收取版面費。

四、時間安排

2014年6月15日征文截止；2014年7月15日前通過E-mail(或紙質(zhì)文件)發(fā)錄用參會通知；2014年7月25日前參會確認(通過E-mail)。

會議聯(lián)系人：尹翔陵 TEL: 025-51821008；13851458685

投稿聯(lián)系人：汪琳 TEL: 025-51821082 投稿郵箱：dzjxgc@126.com

中國電子學會電子機械工程分會

Development of Gold-plated Molybdenum-wire Knitted Mesh for Ka-band Paraboloid Antenna

ZHENG Jian-sheng1，LI Dong-wei1，ZHANG Jian-fu2

(1.The39thResearchInstituteofCETC，Xi′an710065,China；2.HongdaHighTechnologyInc.,Haining314400,China)

The high-performance elastic microwave-reflective mesh material knitted with ultra-fine metal wires is one of the key materials for developing large space-deployable paraboloid mesh antenna. The mesh material working in high frequency (Ka-band) can be produced only by foreign manufacturers at present due to the difficulty of knitting technology used to weave its tricot structure and the batch technology for producing ultra-fine gold-plated wires. After more than nine years research, using ultra-fine gold-plated molybdenum wires with diameter of 27 μm, the gold-plated molybdenum-wire knitted mesh material with surface density of 67.1 g/m2, mesh surface elasticity of 20 g/cm and microwave reflectivity (30 GHz) of more than 98% is developed firstly in China, its performance meets the basic requirements of deployable mesh antenna in Ka-band.

Ka-band mesh paraboloid antenna; gold-plated molybdenum-wire knitted mesh; tricot structure; microwave reflectivity; mesh-surface elasticity

2013-12-23

TN823+.28

A

1008-5300(2014)02-0040-03