馈送层压工具的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月4日提交的申请号为62/568,199的相应美国临时申请以及于2018年10月1日提交的申请号为16/148,811美国非临时申请的优先权，并且通过引用并入这些申请。

所公开的实施例总体涉及层压材料叠层，并且特别地、但并非排他地，涉及一种工具以及用于形成在卫星天线中使用的层压材料叠层的方法。

背景技术：

在层压总成的制造过程中，构成该总成的许多层之间的对准通常通过将层的边缘与一些公共参照点对准来实现。这对于大多数总成而言非常有效。但是偶尔会有总成的中心处的精确对准比边缘的精确对准更重要的层压总成。在这些应用中，边缘对准可能由于工具的制造公差、材料变化等原因而不足以提供足够精确的中心对准。

附图说明

参照以下附图描述非限制性且非穷举性的实施例，其中，除非另外指明，否则相同的附图标记在各个视图中都指代相同的部件。除非明确指定，否则附图未按比例绘制。

图1是包括多层馈送总成的天线的实施例的简化横截面图。

图2是使用诸如图1所示天线的天线的系统的实施例的框图。

图3a至图3d是工具的实施例的示图，该工具用于制造如图1所示的天线的多层馈送总成的实施例。图3a至图3c是透视图，图3d是横截面图。

图4a至图4b是图3a至图3d所示的工具的一部分的实施例的示图，该工具用于制造如图1所示的天线的多层馈送总成的实施例。图4a是透视图，图4b是横截面图。

图5是多层馈送总成的组装件的实施例的分解横截面图。

图6a至图6b是图5中所示的总成的实施例的一部分的透视图。

图7a至图7b是图5中所示的总成的实施例的另一部分的透视图。

图8a至图8b是图5中所示的总成的实施例的另一部分的透视图。

图9a至图9b是图5中所示的总成的实施例的另一部分的透视图。

图10是图5中所示的总成的实施例的另一部分的透视图。

具体实施方式

描述了用于形成用于多层天线馈送总成的材料叠层的设备、系统和方法的实施例。描述了具体细节以提供对实施例的理解，但是相关领域技术人员将认识到的是可以在没有一个或多个描述的细节或使用其它方法、组件、材料等的情况下实施本发明。在一些示例中，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作，但是它们仍包含在本发明的范围内。

在整个说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的参考是指所描述的特征、结构或特性可以包括在至少一个所描述的实施例中，因此，“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现不一定都指相同实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式组合特定的特征、结构或特性。

描述了用于除了使用中心区域以外在无关键特征的情况下组装层压材料叠层的方法和设备的实施例。在一个实施例中，馈送或介电叠层组装工具用于组装诸如例如图1中描述的天线馈送部的天线馈送部中使用的叠层部分。在一个实施例中，组装工具包括工作台。使用该工具，可以使用用于对准的内部射频(rf)组件生成同心合成件。注意的是，如在附图描述中所使用的诸如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“上方”和“下方”的绝对或相对位置表达是指附图中所示的方向，并且并非旨在实际使用时限制或强制任意特定元件的方向。

下文描述的工具和方法实施例对于具有多个组件的总成是有用的，其中为了优异性能而需要组件之间的高同心度。示例包括诸如下文描述的天线馈送部的总成，其中多个层必须被放置在一起，以使它们精确且可重复地同心，这是指每层的中心都在严格的公差内沿轴对准。

图1示出了圆柱形馈送天线100的实施例。天线100使用双层馈送结构(即两层的馈送结构)产生向内行进波。在一个实施例中，天线具有圆形外部形状，但这不是必需的。也就是说，可以使用非圆形向内行进结构。在天线100中，同轴引脚101用于激励天线的低层级上的场(field)。在一个实施例中，同轴引脚101是容易获得的50ω同轴引脚。同轴引脚101联接(例如，螺栓连接)到天线结构的底部，该天线结构的底部是导电接地平面102。

与导电接地平面102分离的是中间导板(igp)103，该中间导板103是定位于下介电层104和上介电层105之间的内部导体——换言之，中间导板103是定位于上介电层和下介电层之间的间隙导电层。在一个实施例中，导电接地平面102和中间导板103彼此平行。通常，接地平面102与中间导板103之间的距离—本质上，下介电层104的厚度—将取决于用于下介电层104的材料的性质。在一个实施例中，接地平面102和中间导板103之间的距离为0.1-0.15"，但在其它实施例中，该距离可以为0.1-0.25"。在另一个实施例中，该距离可以为λ/2，其中λ是行进波在操作频率下的波长。在其它实施例中，该距离可以是λ的其它分数，诸如λ/4、λ/5、λ/6等。

接地平面102通过下介电层104与中间导板103分离。在一个实施例中，下介电层104是柔性泡沫或空气式介电材料，但是在其它实施例中，它可以是刚性或半刚性塑料介电材料。上介电层105在中间导板103的顶部。在一个实施例中，上介电层105是塑料。上介电层105的目的是使行进波相对于自由空间速度变慢。在一个实施例中，上介电层105使行进波相对于自由空间速度变慢30％。在一个实施例中，适于波束成形的折射率范围为1.2-1.8，其中，自由空间根据定义具有等于1的折射率。诸如例如塑料的其它介电材料可用于实现该效果。注意的是，只要能够达到期望的波变慢效果，可以使用除塑料以外的其它材料。可选地，具有分布结构的材料可以用作上介电层105，例如可以被机械加工或光刻界定的周期性亚波长金属结构。

射频(rf)阵列106在上介电层105的顶部。通常，中间导板103与rf阵列之间的距离—本质上，上介电层105的厚度—将取决于用于上介电层的材料的性质。在一个实施例中，中间导板103和rf阵列106之间的距离为0.1-0.15"，但在其它实施例中，该距离可以为0.1-0.25"。在另一个实施例中，该距离可以为λ_eff/2，其中λ_eff是在设计频率下介质中的有效波长。在其它实施例中，该距离可以是λ_eff的其它分数，诸如λ_eff/4、λ_eff/5、λ_eff/6等。

天线100包括侧部107和108。侧部107和108成角度以使来源于同轴引脚101的行进波通过反射从中间导板103下方的区域(下介电层104)传播到中间引流板103上方的区域(上介电层105)。在一个实施例中，侧部107和108的角度为45°角。在可选实施例中，侧部107和108可以利用连续半径替代以实现反射。虽然图1示出具有45度角的成角度侧部，但也可以使用实现从低层级馈送到高层级馈送的信号传输的其它角度。也就是说，假设下部馈送中的有效波长通常将不同于上部馈送中的有效波长，则与理想的45°角的一些偏离可以用于辅助从下馈送层级到上馈送层级的传输。例如，在另一实施例中，可以利用单个阶梯部(step)或多个阶梯部替代45°角。在其它实施例中，导电接地平面102以及侧部107和108的功能由单个波导结构526(例如，参见图5)提供。

在操作中，当馈送波从同轴引脚101被馈送时，该波在接地平面102和中间导板103之间区域中、从同轴引脚101起源、同心地向外行进。同心出射波被侧部107和108反射，并在中间导板103和rf阵列106之间的区域中向内行进。从圆形外周的边缘的反射使波保持同相(即，它是同相反射)。行进波由于上介电层105而变慢。此时，行进波开始与rf阵列106中的元件相互作用并且激励，以获得所需的散射。在一个实施例中，(下文描述的)配件400，在设置在天线馈送(例如，参见图5)中的适当位置时执行同轴引脚101的功能。利用其同心分层，配件400有助于使用其从输入(同)轴模式(传播方向是通过导体)到径向模式(rf波的传播方向发生在由导体的边缘向其中心)的分层转变而匹配在同轴模式和径向模式之间的阻抗。该转变使输入引脚短路到补偿探针电感的电容阶跃，然后阻抗向外步进到径向波导201的整个高度。转变所需的分层的数量与所需的操作带宽以及发射的初始阻抗和波导的最终阻抗之间的差异有关。例如，在一个实施例中，对于带宽中的10％的改变，使用一个分层转变；对于带宽中的20％的改变，使用两个分层转变；对于带宽中的50％的改变，使用三个(或更多个)分层转变。

为了终止行进波，终端109被定位在天线的几何中心。在一个实施例中，终端109可以是引脚终端(例如，50ω引脚)。在另一个实施例中，终端109可以是rf吸收器，该rf吸收器终止未使用的能量以防止未使用的能量穿过天线的馈送结构反射回去。可以在rf阵列106的顶部处使用这些。

图2以框图形式示出具有使用诸如天线100的天线的同时传送和接收路径的全双工通信系统的实施例。虽然仅示出一个传送路径和一个接收路径，但是通信系统可以包括多于一个的传送路径和/或多于一个的接收路径。示出的全双工通信系统具有许多应用，包括但不限于互联网通信、车辆通信(包括软件更新)等。

在一个实施例中具有天线100的构造的天线201包括两个空间上交错的rf天线阵列，其可独立地操作以在不同频率下同时传送和接收。在一个实施例中，天线201联接到双工器245。该联接可以通过一个或多个馈送网络进行。在一个实施例中，在径向馈送天线的情况下，双工器245将两个信号组合，并且天线201和双工器245之间的连接是可以承载两个频率的单个宽带馈送网络。

双工器245联接到执行噪声过滤、降频转换和放大功能的低噪声块下变频器(lnb)227。在一个实施例中，lnb227在室外单元(odu)中。在另一实施例中，lnb227被集成到天线设备中。lnb227联接到调制解调器260，该调制解调器260联接到计算系统240(例如，计算机系统、调制解调器等)。双工器245将传输信号提供给天线201以用于传输。

调制解调器260包括将从双工器245输出的接收信号转换成数字格式的模数转换器(adc)222，adc222联接到lnb227。一旦转换为数字格式，则该信号就由解调器223解调并由解码器224解码以获得关于接收波的经编码数据。然后，经解码的数据被发送到控制器225，控制器225将经解码的数据发送到计算系统240。调制解调器260还包括对待从计算系统240传输的数据进行编码的编码器230。经编码的数据由调制器231调制，然后由数模转换器(dac)232转换为模拟数据。然后，模拟信号由buc(升频和高通放大器)233滤波，并且被提供至双工器245的一个端口。在一个实施例中，buc233在室外单元(odu)中。控制器250控制天线201，天线201包括在单个组合物理孔径上的两个天线元件的阵列。

图3a-3d一起示出用于形成诸如天线100的层压馈送总成的材料叠层的工具300的实施例。工具300包括底板302和组装板304。组装板304通过立柱305与底板302分离，立柱305维持两板之间的间距，并且还将组装板304可拆卸地附接到底板302。在一个实施例中，组装板304可通过四个蝶形螺母紧固至立柱305和底板302。在示出的实施例中，底板302和组装板304都是四边形的，但是在其它实施例中，两个板都可以具有除了四边形之外的其它形状。在其它实施例中，底板302和组装板304不需要具有相同的形状。

组装板304包括具有顶表面308和凸起(raised)表面310的顶侧部，由于在凸起表面310的区域中组装板304较厚，因此凸起表面310略高于顶表面308。在所示的实施例中，凸起表面310是圆形的，但是在其它实施例中，凸起表面可以具有与示出的形状不同的形状。凸起表面310允许诸如波导的天线馈送结构的组件的适当定位，并且确保波导526始终与该馈送组件接触，而非在外部边缘(例如，参见图5)上触底。在示出的实施例中，凸起表面310是固定的，但是在其它实施例中，凸起表面可以是可移动的。例如，在各种实施例中，组装板304可以包括允许凸起表面310手动地、机械地、气动地或液压地上下移动的元件。

如图3a至图3b和3d所示，中心对准结构312形成在凸起表面310的中部。中心对准结构312包括由孔317和对准环318围绕的中心对准孔316。孔317和对准环318用于帮助将第一层对准以放置在工具上。在一个实施例中，孔317和对准环318被加工到凸起表面310中。释放层326可以围绕对准结构312定位在全部或部分的凸起表面310上，以使以后将组件从工具释放更容易；例如，在对工具施加真空之后，释放层326阻止了沿凸起表面形成真空，该真空将使部件之后难以移除。在一个实施例中，释放层326可以是定位在凸起表面310上的网状层，但是在其它实施例中，释放层可以是其它东西。在其它实施例中，释放层326不需要是与凸起表面310分离的层，而是可以形成在凸起表面中，例如通过在凸起表面中形成槽。在其它实施例中，释放层326可以用机械阀来实施，该机械阀将清除真空并且可以被插入组装板304中。释放层326的其它可能实施例可以使用集成到组装板304中的机械弹簧加载系统或手动球阀系统。这很重要，因为如果工作人员用力过大移动馈送总成，他/她将损坏波导，这可能会影响最终的天线性能。

外周对准引脚314从顶表面308向上延伸，并且用于帮助在工具上对准天线馈送的后续层，诸如波导(例如，参见图5)。在一个实施例中，外周对准引脚314被插入到钻孔/铰孔以精确地位于组装板上的三个位置。套管可以针对各种目的，诸如避免组装板和外周对准引脚之间的材料不兼容，而被插入孔中。在一个实施例中，外周对准引脚314可以被手动插入组装板304中，但是在其它实施例中，对准引脚可以是组装板304的一部分，并且可以机械地、液压地、电动地或气动地延伸或缩回。

如图3c至图3d所示，组装板304的底表面306基本上是平坦的。引脚块320围绕中心对准孔312的出口定位在底表面306上。引脚块320本身具有延伸穿过其厚度的孔，使得之后可以穿过中心对准孔316并穿过引脚块320插入中心对准引脚416(例如，参见图4b)。引脚块320还包括固定螺钉321，以将中心对准引脚416在插入时保持在适当位置。引脚止动件(stop)322沿着组装板304的边缘定位在底表面306上，以将外周对准引脚314维持在适当位置。拐角支撑件324定位在底表面306的每个拐角处，以便之后一旦将组装板304从立柱305上取下并放置在表面上，诸如在将其置于真空室内的真空(例如，参见图10)中时，就帮助支撑组装板304。

图4a至图4b示出可以与工具300一起使用的、成型为同心分层的配件400的实施例。图4a是透视图，图4b是剖视图。配件400包括具有第一侧部403和第二侧部405的基础分层402。多个分层404同心地堆叠在第一侧部403上。在示出的实施例中，多个分层404包括堆叠在第一侧部403上的三个分层404a-404c，但是在其它实施例中，多个分层404可以具有比示出的更多或更少的分层。在示出的实施例中，配件400相对于轴401轴对称，因此基础分层402和分层404a-404c是圆形的，但是在其它实施例中，基础分层402和分层404a-404c不需要为轴对称的。在轴对称实施例中，每个分层404具有厚度h和直径d：分层404a具有厚度ha和直径da，分层404b具有厚度hb和直径db，依此类推。在示出的实施例中，分层404a-404c的直径d随着距基础分层402的距离而减小(即，dc≤db≤da)，并且分层厚度h随着距基础分层402的距离而增大(即，hc≥hb≥ha)，但是直径d和高度h的顺序在分层404的其它设置中可以不同。杆406从最上面分层404c的顶部伸出。在完整的馈送中，杆406将指向天线的后部，使得它能够用作馈送引脚(即，电接触点)，通过该馈送引脚将射频(rf)能量注入到配件400中，并因此进入围绕配件400构建的馈送叠层中(例如，参见图10)。

保持器(retainer)408定位在基础分层402的第二侧部405上，以帮助对准并且保持材料层与第二侧部405导电接触。在示出的实施例中，保持器408是圆柱形的，并且包括在其外表面上的螺纹410，以接收相应螺纹螺母414，然后螺纹螺母414保持材料层与第二侧部405抵靠。其它实施例不需要使用示出的螺纹加螺母的方法来固定。例如，在一个实施例中，保持器408可以是滑动配合或具有平头和固定螺钉的径向件。在另一个实施例中，保持器408可以是用于对准的无螺纹圆柱，其与焊料、导电粘合剂、压入配合等一起保持材料层与第二侧部405接触。在又一个实施例中，保持器408可以是将材料层压配合到其上的无螺纹圆柱。

保持器408还包括被设计成接收中心对准引脚416并且与中心对准引脚416啮合的孔412。中心对准引脚416本身适于插入到组装板304上的中心对准孔316中(例如，参见图3d)。保持器408还可以包括将中心对准引脚416保持在保持器408中适当位置的固定螺钉或某些其它方式。在示出的实施例中，中心对准引脚416被示出为先插入保持器408中，但是在其它实施例中，保持器408可以是中空的，并且可以与已经从馈送总成板的中心延伸的中心对准引脚配合。在中心对准引脚416已经从组装板304延伸的实施例中，中心对准引脚416可以手动地、机械地、液压地、电动地或气动地延伸或缩回。

在一个实施例中，配件400可以形成为单件并且可以由导电材料形成，例如通过机械加工或研磨金属块。在一个实施例中，导电材料可以是诸如黄铜或钢的金属，但是在其它实施例中，配件400可以由导电非金属制成。

图5至图10一起示出使用工具300和配件400制作馈送总成的过程的实施例。图5是示出整个组装顺序的分解横截面图，而图6a至图9b是示出该顺序中的各个步骤的透视图。图10是示出该顺序中的最终步骤的横截面图。在图示的过程中，多层天线馈送的组件颠倒地组装，天线馈送的上组件首先进入工具，下组件最后进入—因此，这是为何例如放置在工具上的第一层被称为上介电层，尽管如附图中所示，该第一层看上去是下介电层。

该过程起始于处于图3d所示状态的工具300，其中外周对准引脚314定位于组装板304中，并且释放层326定位于凸起表面310上并且位于其中心，释放层326的边缘与凸起表面的边缘对准。上介电层502首先下降到释放层326上。在一个实施例中，上介电层502由刚性介电材料制成，并且包括在其表面之一上的一个或多个定位环504。定位环504适于与组装板304的凸起表面310上的对准环318配合(例如，参见图6a-图6b)。

一旦上介电层502已经下降到释放层326上，粘合剂506被定位在上介电层502的、与安置在释放层326上的表面相对的表面上。在示出的实施例中，粘合剂506是压敏粘合剂(psa)薄片，但是在其它实施例中，可以使用其它种类的粘合剂。可以使用的粘合剂的示例包括热固化的层状粘合剂、诸如氰基丙烯酸酯的配有液体的粘合剂等。在示出的实施例中，psa层506被示出为与上介电层502分离的粘合剂薄片，但是，在其它实施例中，psa层506可以预层化或预施加到上介电层502的表面，从而只需要拉回保护层即可。可以在psa层506上使用滚轮以使压敏粘合剂活化。

如图5和图7a至图7b所示，在中间导板(igp)508被下降到组装板304上之前，首先通过将igp层508安装到配件400上以形成子总成。igp层508在上介电层和下介电层之间形成导电层。igp层508本质上是诸如金属的导电材料层。igp层508放置在保持器408上(igp层508在其设计上具有孔，以接收保持器408(参见图4b))。一旦igp层508被定位在保持器408上，螺母414螺接(threaded)到螺纹410上并拧紧，直到igp层508与基础分层402的第二侧部405平齐为止。在一个实施例中，螺母414向下扭转，以使igp层508与第二侧部405实质上100％物理和电接触。在一些实施例中，这对性能至关重要。在上述天线馈电中，igp层508与第二侧部405之间完全且均匀的电接触对于确保同轴到径向转变之间的最佳阻抗匹配非常重要。虽然示出的实施例使用螺母，但是其它实施例可以使用其它方式形成完全且均匀的物理和电接触；示例包括使用定位于igp层508和第二侧部405之间的导电粘合剂以及将igp层508焊接到第二侧部405。对准引脚416也插入到保持器408中以完成子总成。

当完成后，整个子总成(即igp层508、配件400和对准引脚416)下降到组装板304上，利用中心对准引脚416与中心对准孔316和引脚块320啮合，以保持整个子总成精确地位于中心处。子总成下降直到igp层508与psa层506接触为止，并且另一psa层520接着下降到igp层508的上部，psa层520围绕但不接触配件400。在示出的实施例中，psa层520是分开的薄片，但是在其它实施例中，psa可以被预施加到igp层508的上表面。

如图5和图8a至图8b所示，一旦psa层520处于适当位置，管状插入件522就会下降到配件400上。管状插入件522是具有内径和外径的环形圆柱。管状插入件522的内径基本上等于配件400的分层404a-404c中的一个的直径d，使得当管状插入件522被放置在配件400上时它可以紧贴在分层之一上，并且可以用作后续材料层的精确定心引导件。管状插入件522还在组装期间保护包括杆406的配件400。一旦管状插入件522处于下介电层524上的适当位置，则其下降到igp层508和psa层520上，该下介电层524具有直径与管状插入件522的外径基本匹配的中心孔。在一个实施例中，下介电层524可以是诸如介电泡沫的柔性介电材料，但是在其它实施例中，下介电层524也可以是类似于用于上介电层502的更刚性的介电材料。

一旦下介电层524处于psa层520的顶部上的适当位置，则另一psa层525就被放置在下介电层524的顶部上。在一个实施例中，psa层525是具有中心孔的粘合剂薄片，该中心孔的直径与管状插入件522的外径基本相同，使得管状插入件522有助于维持psa层525与下介电层524之间的对准。一旦处于下介电层524的表面上的适当位置，psa520可以使用硬滚轮或类似工具被按压抵靠下介电层524的表面以使压敏粘合剂活化。

如图5和图9a至图9b所示，一旦psa层525处于适当位置，就移除管状插入件522并且将波导526下降到总成的其余部分上。围绕波导526的外围的孔528被对准以与外周对准引脚314啮合，以保持波导与已经在组装板上的其它组件对准。波导526自始至终被向下定位，从而使中部与先前组装的组件接触。如图9b所示，一旦波导526已经被定位在组装板304上，盖组902就可以可选地放置于波导的角上。当外部边缘由于馈送组装板上的凸起中心而“漂浮”时，盖902a-902d保护波导的角部，并且防止波导在真空下时弯曲。

图10示出组装顺序中的最终步骤。由于图5是简化图，所以图10示出的总成看起来与图5示出的总成不同。图10示出了实际的生产总成。在所有组件都放置在组装板304上之后，组装板304本身与将其连接到底板302的立柱305分离，并且组装板连同其上组装的组件一起被插入到真空室1002中。在一个实施例中，真空室1002是具有打开和关闭的盖的真空工作台。

一旦总成在真空室内部，就启动真空以确保框架密封，从而使总成内部承受真空。通常，总成所承受的压力以及其承受该压力的时间将取决于所用的粘合剂的类型。在使用压敏粘合剂的实施例中，该总成在真空下处于12英寸汞柱压力持续10分钟。室内真空将不同的组件压在一起，并且使压敏粘合剂层活化，以便将叠层中的不同组件粘合在一起。一旦被粘合，就释放真空并且将该总成从真空室移出，并且将完成的天线馈送从组装板304移除。

使用工具300的益处在于，该工具以允许通过抓住工作台来操纵天线总成的方式提供了一种表面以使多个孔径组件与中心天线馈送对准。

对实施例的以上描述并不旨在穷举或将本发明限制为描述的形式。出于示出的目的，本文描述了本发明的特定实施例和示例，但是各种修改是可能的。