增材制造技术(AMT)薄型辐射器的制作方法

政府权利

不适用。

相关申请的交叉引用

本申请要求在2017年11月10日提交的名称为“additivemanufacturingtechnology(amt)lowprofileradiator(增材制造技术(amt)薄型辐射器)”、申请号为62/584,264的美国临时专利申请和在2017年11月10日提交的名称为“lowprofilephasedarray(薄型相控阵列)”、申请号为62/584,300的美国临时专利申请的优先权，这两份美国临时专利申请全部内容通过引用合并于此。

背景技术：

如本领域中已知的，天线或(辐射器)设计通常采用标准的印刷电路板(pcb)制造工艺，该工艺依赖于多个工艺步骤、昂贵的材料以及缓慢的生产周期周转时间。多个工艺步骤会导致高成本和缓慢的周转时间。

而且，通常通过一系列工艺(例如，层压，通过回填进行导电)来制造天线组件，这增加了制造整个天线组件的人工成本。除了增加这类人工成本外，使用多道工艺还会增加生产周期时间，从而导致长的构建时间。此外，如果需要任何电路调整，使用多道工艺可能延长任何故障排除阶段。另外，典型的pcb工艺不允许小的特征尺寸，而这些小的特征尺寸对生产用于基于空间的应用的薄型阵列是必需的。

技术实现要素：

在此描述的是一种厚度在大约0.020英寸(20密尔(mil))范围内的辐射器。这种辐射器称为薄型(lowprofile)辐射器，并且适用于由这种薄型辐射器组成的阵列天线。本文所述的薄型辐射器(lpr)设计是使用增材制造技术(amt)提供的，因此可以被称为amt辐射器。这种amt辐射器适合用于可以使用amt制造工艺来制造的阵列天线。

已经认识到，能够通过amt方法制造的辐射器设计大大降低了生产成本，可以快速进行原型制造和定制以满足设计需求。此外，本文所述的辐射器由于具有薄外形，因此适于在基于空间的应用中使用。

此外，本文描述的辐射器适用于可折叠阵列，其具有的发射体积(即，在运载火箭中将占据的体积)和成本相对于具有相同或相似的工作特性的现有技术的天线所需的成本和体积都降低了。本文描述的辐射器还能够在低地球轨道(leo)空间环境中部署。因此，本文所述类型的辐射器适用于移动卫星系统(mss)。

由于本文描述的辐射器设计可以使用amt制造，因此本文描述的辐射器解决了与使用常规印刷电路板(pcb)制造技术提供的辐射器相关的问题。如上所述，因为amt机器的铣削和印刷能力允许薄型阵列所需的较小的特征尺寸，所以本文所述的辐射器的总厚度可以被限制在约20密尔(508微米)内。特征尺寸将包括但不限于传输线的宽度和法拉第壁(隔离元件)二者，它们可以比使用传统方法制造的更小。

此外，本文所述的辐射器使用印刷的导电“法拉第壁”，所述导电“法拉第壁”被设置为使电场约束在辐射器的期望区域中。这样的法拉第壁可以在铣削其它特征的同一制造步骤中制造。这节省了可观的人工成本，从而降低了组件的总成本。

本文所述的辐射器设计还利用amt能力以在机器约束范围内印刷几乎任何形状和尺寸的导电元件。这些导电元件用作调谐元件，以实现薄型阵列的所需性能。

最后，使用定制的印刷连接器接口，以便可以使用标准的bmb连接器来测试该器件。

本文所述的辐射器设计由amt单步铣削和填充操作来提供，以产生具有法拉第壁、垂直发射件(launch)连接、小(2x2元素)构建块和铣削铜迹线的辐射器。

提供的amt天线具有的几何形状与具有类似工作特性(例如，工作频率范围，带宽等)的常规辐射器的几何形状相比相对简单。此外，通过使用amt制造技术，天线可包括具有产生双重调谐性能所需的形状和/或尺寸的印刷调谐元件。

此外，本文描述的天线设计可以被集成到可在短时间内被印刷和原型制造的完整阵列中。

本申请的一个方面针对一种使用增材制造技术(amt)制造的天线元件。在一个实施例中，该天线元件包括基板和至少一个法拉第壁，该基板具有第一表面和相对的第二表面，在该第一表面上设置有铣削的领结隙孔，并且所述至少一个法拉第壁设置在所述领结隙孔附近。

天线元件的实施例还可以包括该至少一个法拉第壁，该至少一个法拉第壁具有多个法拉第壁中的第一壁和第二壁。该多个法拉第壁可以围绕该孔对称地设置，所述多个法拉第壁中的第一壁形成第一组调谐元件，该第一组调谐元件对称地设置在所述领结隙辐射器的两侧，并且所述多个法拉第壁中的第二壁形成第二组调谐元件，该第二组调谐元件对称地设置在所述领结隙辐射器的两侧。所述天线元件还可包括馈送电路。所述馈送电路包括从所述基板的第一表面延伸到第二表面的垂直发射件；以及馈线，其跨所述铣削孔的隙缝部分设置。所述馈送电路可以设置在第一组调谐元件和第二组调谐元件之间。

本申请的另一方面涉及一种天线组件，该天线组件包括：具有第一表面和相对的第二表面的基板，在其第一表面中设置有铣削孔；第一组调谐元件，其对称地设置在所述铣削孔的两侧；第二组调谐元件，其对称地设置在所述铣削孔的两侧，以及馈送电路，其包括从所述基板的第一表面延伸至第二表面的垂直发射件以及跨该铣削孔的隙缝部分设置的馈线。

实施例还可以包括具有多个天线组件的阵列天线。所述天线组件可以包括四个天线组件，其设置为使得第一天线组件的第一组调谐元件和第二天线组件的第一组调谐元件分别与第三天线组件的第二组调谐元件和第四天线组件的第二组调谐元件相邻。

本申请的又一方面针对一种用于制造领结隙天线的amt工艺。在一个实施例中，该方法包括：(a)从双覆层电介质基板的第一表面铣削铜以形成孔；(b)从所述双覆层电介质基板的相对的第二表面铣削铜，以形成用于所述孔的馈线；(c)将所述双覆层电介质基板粘合(bond)到第二基板的第一表面上以用于粘合组件，该第二基板具有设置在其第二表面上的接地平面导体；(d)铣削所述粘合组件，以在所述孔附近形成用于法拉第壁的至少一个开口；以及(e)用导电液填充所述至少一个开口以形成法拉第壁。

该方法的实施例还可以包括铣削所述粘合组件以形成用于垂直信号路径的至少一个开口，以及填充用于垂直信号路径的至少一个开口。所述导电液可以是导电油墨。

附图说明

下面参考附图讨论至少一个实施例的各个方面，这些附图并非旨在按比例绘制。包括附图以提供对各个方面和实施例的说明和进一步的理解，并且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分，但是不旨在作为对本公开的限制的定义。在附图中，在各个附图中示出的每个相同或几乎相同的部件可以由相似的数字表示。为了清楚起见，并非每个部件都可以在每个图中被标记。从以下附图描述中可以更充分地理解前述特征，其中：

图1是使用增材制造技术(amt)制造的领结辐射器的俯视图。

图1a是在辐射器输入/输出端口处的反射系数(s11)的曲线图，其示出了通过调谐元件实现的所谓的“双重调谐”特性。

图1b是设置形成2×2阵列天线的多个领结辐射器的俯视图，该领结辐射器可以与图1中描绘的领结辐射器相同或相似；

图2是通过使用印刷的电抗性调谐元件实现的领结辐射器场构造的模型；

图3是领结辐射器的等角视图(isometricview)，该领结辐射器可以与以上结合图1描述的领结辐射器相同或相似；

图4是沿图3中的线4-4剖开的图3的领结辐射器的剖视图；以及

图5-5d是示出将孔径天线耦接到馈线的工艺的一系列图。

具体实施方式

本文描述的概念、系统和技术针对使用增材制造技术提供的相控阵列天线，以提供具有薄外形(即，厚度在约15密尔至约25密尔的范围内)的相控阵列天线(本文称为薄型相控阵列)。

应当理解，本文讨论的方法和装置的实施例在应用中不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和部件布置。该方法和装置能够在其它实施例中实施并且能够以各种方式被实践或执行。本文提供的特定实施方式的示例仅出于说明性目的，并不旨在进行限制。同样，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，并且不应被视为限制。本文中“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及额外项目。对“或”的引用可以被解释为包括性的，使得使用“或”描述的任何术语可以指示单个，一个以上以及所有所描述的术语中的任何一个。对前和后，左和右，顶和底，上和下，端部，侧面，垂直和水平等的任何引用旨在方便描述，而不是将本系统和方法或其部件限制为任何一种位置或空间方向。

现在参考图1，使用增材制造技术(amt)制造工艺制造的辐射器10包括第一电介质基板14，该第一电介质基板14设置在第二电介质基板15上方并粘合(bond)(或耦合)到第二电介质基板15。基板14的第一表面14a上提供有导电材料16(例如，铜或等效导电材料)(导体16的一部分已经被去除，以露出电介质基板表面14a的一部分)。

将具有大致“领结”形状的孔径天线元件12(或更简单地称为“孔”12)铣削到第一电介质基板14的表面14a中。通过amt铣削操作形成领结形孔12，该铣削操作从基板表面14a上去除导电材料16以形成领结形状的孔12。在一些实施例中，由具有0.0007英寸的厚度的铜(即，1/2盎司(oz)的铜)作为导电材料16设置在基板表面上。在一特定实施例中，孔12的中央部分具有约7密尔(178微米)的宽度。孔12的宽度是很重要的，因为需要选择它以便适当地激发领结孔。因此，根据多种因素来选择特定的孔宽度，这些因素包括但不限于期望的工作频率(或工作的频率带宽)，提供辐射器的基板的厚度以及孔的特定形状。

此外，尽管在该说明性实施例中，导体16提供为1/2盎司的铜，但是，应当理解，在其它实施例中，其他导电材料(即，除铜以外的导体)和其它厚度(即，导体具有除0.0007英寸以外的厚度)也是可以使用的。

领结辐射器10还包括第一组调谐元件18和第二组调谐元件20。第一组调谐元件18包括两对导体18a和18b，导体对中的每个导体具有矩形形状。第二组调谐元件20包括两对导体20a和20b，导体对中的每个导体具有正方形形状。

在一些实施例中，调谐元件18a、18b、20a，20b通过amt铣削和填充操作形成。amt操作的细节将在下面描述。这里只需要说明一下，在铣削操作中，去除导电材料16以及基板材料14以便在基板中形成具有调谐元件所需形状的开口(这里，成对的矩形和正方形形状通常分别标为18和20)。然后将导电油墨(或更一般地，导电流体)设置在开口中以形成调谐元件18和20。

利用这项技术，提供了与具有类似工作特性(例如，工作频率，带宽特性，增益特性等)的现有技术的辐射器相比几何形状相对简单的辐射器。

印刷的调谐元件可以具有产生双重调谐性能所需的形状或尺寸。即，如将在下面结合图2所描述的，两组调谐元件用于在单元中产生期望的场配置。

简要地参考图1a，在辐射器输入/输出端口处的曲线反射系数(s11)示出了通过调谐元件18和20获得的所谓的“双重调谐特性”。从图1a中可以看出，调谐元件18和20可以用于在辐射器10的期望工作频带内的不同频率f1和f2处产生两个谐振。

现在参考图1b，设置多个(这里是四个)领结辐射器10a-10d以形成阵列天线30。在图1a的图示中，设置四个领结辐射器10a-10d以形成2x2的阵列。当然，本领域普通技术人员将理解，可以通过辐射器形成任何尺寸的阵列或任何形状的阵列。阵列天线30可用作构建相对较大的阵列天线的构建块(例如，取决于特定应用的需求，阵列天线包括数十、数百或数千个天线元件)。因此，以上结合图1所描述的辐射器设计可以被集成到完整的天线阵列中，该天线阵列可以在短时间内被打印和原型制造。

现在参考图2，上面结合图1描述的这种类型的amt辐射器的仿真示出了印刷的电抗性调谐元件(或调谐杆(tuningpost))18、20在天线单位单元内产生期望的场配置。因此，调谐元件18和20用作所谓的法拉第壁，以便控制和成形天线单位单元内的场构造。

应当理解，所述设计依赖于amt性能。例如，在载流区域(例如，与法拉第壁相比的传输线)中使用具有相对高的导电率(例如，基本上在铜的导电率范围内的导电率)的导体。

馈送电路32包括印刷的垂直发射件信号路径33和焊盘34。信号通过馈送电路32耦合到辐射器12或来自于辐射器12。

现在参考图3，其中与图1和图2相同的元件用相同的附图标记表示。领结辐射器包括孔12、调谐结构18和20、以及馈送电路32，馈送电路32包括垂直发射件结构33，馈点(或焊盘)34和跨领结孔12的传输馈线36。应当理解，传输馈线36设置在与设置有孔12的基板表面相对的基板14的表面上。因此，传输馈线上的电压产生电压梯度，该电压梯度从下方激励孔。

在一个实施例中，可以如下形成amt孔径辐射器。提供天线基板14，在该天线基板14两侧上具有导体(即，该基板设置为双覆层基板)。在基板的一侧(例如，第一表面14a)上执行铣削操作，在该一侧上通过移除孔所需形状的导体(例如，图1中的导体16)而形成孔(例如，孔12)。在基板的相对的第二侧上，将所有铜铣削掉，以留下一条馈线(例如，如图3中最清楚地示出的馈线36)。

然后，在39处将天线基板粘合到第二基板15(有时称为接地平面基板)，从而形成粘合组件(如图4所示)。第二基板有导体(例如，接地平面导体40)，该导体设置在第二基板的与馈线相对的表面上。

进行铣削操作以提供法拉第壁的开口(例如，调谐元件18a、18b、20a和20b)。显着地，在铣削操作期间，去除了基板和粘合材料，但是接地平面导体40保持完整。因此，可以从所粘合基板的有孔一侧进行铣削操作(即，在所粘合组件的设置有孔导体16的同一侧进行铣削)。

还执行铣削操作以提供用于垂直发射件信号路径(例如，垂直发射件33)的开口。用于垂直发射件开口的铣削也从所粘合基板的有孔的一侧进行(即，在所粘合的组件的设置有孔导体16的同一侧进行铣削)。

还执行铣削操作以在接地平面40中在垂直发射件开口周围的区域中形成焊盘。该铣削操作是在所粘合组件的接地平面侧上进行的(即，铣削是在所粘合组件的设置有接地平面导体40的同一侧上进行的)。

然后用导电油墨填充用于法拉第壁和垂直发射件的开口，以形成法拉第壁18a、18b、20a、20b和垂直发射件33。在另一个实施例中，导线可以在基板的各层之间“垂直”传递信号，并且可以用于向各个其它层或从各个其它层馈送信号。这样，可以通过在一个或多个基板中机加工孔，将焊料施加到一个或多个导体表面，将一段导线(例如，铜线)插入孔中以及将焊料回流以机械地和电气地固定连接来形成这种垂直发射件。

现在参考图4，其中与图3相同的元件提供相同的附图标记，天线包括接地平面，该接地平面具有设置在其中的铣削的领结隙辐射器。该领结辐射器通过耦接到垂直发射件的传输线馈送。在具有约10密尔的厚度的电介质基板中形成这些结构。在提供的基板中具有形成于其中的一对经铣削和印刷的法拉第壁。

图5-5d在下面描述了提供导电的垂直发射部的结构和技术，该导电的垂直发射件是可增材的和廉价的，并且从pcb制造工艺中去除了铜的电沉积。

现在参照图5-5d，通过将底部迹线(即馈送电路线36)铣削到双覆层电介质的一侧中(图5和5a)来开始这样一项技术，即该技术用于形成导电(例如，铜)的垂直发射件(例如上面结合图3和4描述的垂直发射件33)以将amt孔径天线(例如上面结合图1描述的孔径天线12)耦接到amt馈送电路(例如上面结合图3和4描述的馈送电路36)。图5示出了双覆层电介质基板(孔基板)。

图5a示出了在双覆层电介质基板中形成的铣削孔和馈线。

天线基板粘合到接地平面基板(图5b)。

通过铣削、钻孔或以其他方式形成通到馈线的开口或空腔(图5c)。

在形成开口之后，将焊料块再次设置在开口中，并且插入馈线和铜圆柱体(或其他导电材料)直到其向下接触到下方的焊料块。已经发现，这样的铜圆柱体的直径可以至少小至5密尔，这比常规工艺可以产生的直径小得多(图5d)。

将烙铁或其他热源施加到插入的铜柱体的顶部。由于距离很小，热沿铜的长度方向传导，使焊料在进料层处回流，从而在插入的铜圆柱体和馈线之间形成连接(图5d)。

法拉第壁是提供“垂直”穿过基板的电磁边界的导体。如本文所述，法拉第壁可通过以下方式形成：机加工向下穿过基板直至接地平面的沟槽，并用导电材料填充该沟槽，所述导电材料例如是应用增材制造技术施加的导电油墨。当固化时，导电油墨可以形成基本上电连续的导体。其内形成有法拉第壁的沟槽不必穿透或穿过接地平面。法拉第壁因此可以与接地平面电接触。此外，法拉第壁的顶部可以与另一个接地平面电接触，这可以例如通过对机加工的沟槽进行稍微过量填充以确保导电油墨和接地平面之间的接触和/或通过施加焊料来实现。可以选择法拉第壁的位置，因为它对由馈送电路传送的信号有影响。在各种实施例中，法拉第壁可以被定位成提供隔离而不考虑除了提供隔离之外以任何特定方式对信号的影响。

已经描述了用于说明本专利的主题的各种概念、结构和技术的优选实施例。对于本领域普通技术人员而言，现在显而易见的是，可以使用结合了这些概念、结构和技术的其它实施例。另外，本文描述的不同实施例的元件可以组合以形成以上未具体阐述的其它实施例。

因此主张，本专利的范围不应限于所描述的实施例，而应仅由所附权利要求的精神和范围来限定。