一种共形TR组件及其全打印制备方法与流程

本发明属于共形发射/接收(transmitterandreceiver，tr)组件相关技术领域，更具体地，涉及一种共形tr组件及其全打印制备方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，雷达已经成为了战场上主要的以及核心的传感器。在发现即为摧毁的现代战场上，雷达的重要性更是与日俱增。相控阵雷达是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，其解决了传统机械扫描雷达的种种问题，在相同的孔径和操作波长下，相控阵的反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性、电子对抗能力等都远优于传统雷达，成为现代军事电子装备中的重要组成部分。而有源相控阵雷达作为相控阵雷达的一种，由于其工作范围大，抗干扰能力强，重复性、可靠性、一致性好，宽带性能高，同时具有较快的扫描速度、灵活多变的波束控制、能进行多目标跟踪能力等优点，逐渐成为了现代雷达发展的主要方向。

tr组件是有源相控阵雷达的核心部件，用于完成对发射和接收信号的各种处理，其性能直接影响雷达系统的工作能力。有源相控阵tr组件的应用领域从地面逐渐向海洋、天空、太空扩展，因此对其性能和质量的要求越来越高。除了大功率、高效率、低噪声等要求外，tr组件还要求尽可能的小型化、轻量化、集成化、多功能和高可靠性。

传统的相控阵雷达天线或tr组件一般采用线阵或者平面阵，其优点是结构简单，各方面技术理论成熟，但平面相控阵雷达的扫描角度受限，随着波束扫描角的增大，会造成有效孔径投影区的下降，从而导致波束的展宽和天线增益的下降，严重影响雷达的探测性能。此外，平面相控阵雷达在探测时必须正对工作区域，对于速度较高的系统(如飞机、导弹等武器系统)会显著增加阻力，在此情况下，雷达天线的直径因空气动力等因素不能过大，所以从整体限制了雷达的探测性能。同时，传统的相控阵tr组件整体发热量较大，目前有源相控阵天线中tr组件的效率只有30％，大部分能源被转换成了热量，在狭窄的空间中散热和冷却成为了一大难题。

共形tr组件能够和载体表面共形，且不破坏载体的外形结构及空气动力学特性，具有多目标同时跟踪等更优的天线性能和更高效的一体化集成能力，可以有效扩展雷达天线的探测区域，提高雷达的探测距离，扩大可进行态势探测的平台范围。共形tr组件还能扩展雷达的扫描范围，将平面相控阵的扫描限制扩展到半球乃至3/4球区域，且可以在扫描过程中保证稳定。由于共形tr组件贴附于载体表面，载体内不需安装雷达，则节省载体空间，节省的空间可以用来安装其他设备、燃料等，从而提升载荷能力。

现阶段已有相关技术人员做了一些研究，如申请号为201010100738.7的专利公开了一种共形有源相控天线单元，将天线辐射体与tr组件一体化集成到与天线在飞机安放部位适配的金属共形曲面薄壁腔结构的辐射体内，但其工艺过程复杂且共形能力十分有限。申请号为201711328715.x的专利申请公开了一种应用于无人机平台的有源共形阵列天线，解决了上述的部分问题，其利用天线阵面与机身蒙皮结构共形，采用刚性和柔性印制板相结合的方式将有源模块、天线阵列以及机身蒙皮结构集成，这种天线虽然可以将tr组件与天线阵列一同共形于机身表面，但tr组件依然是以传统方式制造而成的硬质器件，在很多场合不利于共形要求，并且共形过程中需要将通过封装结构与其他功能模块组合，整体的制作成本高且复杂。申请号为201811013761.5的专利公开了一种360°全方位扫描的圆锥面共形相控阵天线，多个天线单元组成整体为圆锥面共形结构的相控阵，该结构利于阵列组合排布实现曲面共形，但不利于高效高集成化制造，且tr组件本身属于硬质器件，不利于在高曲率和复杂表面共形。申请号为201811231615.x的专利公开了一种一体化圆柱共形相控阵天线，每个天线单元都与其背部的tr芯片通过探针进行垂直互联构成阵元，阵元按列排布，每列子阵在空间上按圆柱共形结构排列，多层布线、多片级联，其只能在规则的曲面上进行共形，且布线复杂，子阵不便于在复杂曲面上排列。申请号为201910388777.2的专利公开了一种基于强耦合效应的机翼载低散射超宽带共形相控阵，其采用泡沫支撑位于天线辐射贴片层上方的一层薄共形介质，各组件都以机翼局部为载体进行了共形处理，整体共形能力提升，但该结构需额外加工一共形介质板，并用泡沫支撑，因此该共形相控阵体积大，空间利用率低。

现有的技术能做到良好的天线共形能力，但tr组件的制造仍未摆脱传统方式，其应用于相控阵雷达或天线中，多采用多层布线、层叠结构、高密度集成与装配的方式来尽量实现共形要求，只能在规则曲面上展现出较好的共形能力。若要实现对大面积、大曲率或复杂表面的航空航天飞行器中共形能力的要求，使雷达或天线系统能随着外形变化进行动态调整适应，对于飞行器因气动、冷热等引起的振动和外形变化具有更好的适应性，则tr组件本身需要共形以达到更高集成度和共形程度的要求，使航空装备可以设计成最优的气动外形而无需为安装雷达/天线阵面而付出额外的气动代价。因此，亟待设计一种新型共形tr组件及其制备方法，以提高tr组件的共形能力和散热效率，并满足其小型化、轻量化要求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种共形组件及其全打印制备方法。通过在tr组件内部设置散热微通道，微通道内可以设置流动的散热介质，可以显著提高tr组件的散热能力，通过螺旋电纺丝工艺在通孔内设置同轴度较高、直径为微米级或纳米级的高介电结构，可以在保证整体结构精细程度的同时，提高其内导线制作的可靠性。采用fdm工艺、电流体喷印、螺旋电纺丝工艺等制备tr组件，可以制备出基于待共形曲面的异质高密度集成的多层tr组件，可以实现复杂表面的共形，提高了tr组件的共形能力，并利于制备大面积的tr组件，成本低廉，工艺简单。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种共形tr组件，所述tr组件包括散热模块以及设于所述散热模块两相对表面的芯片连接模块以及信号收发模块，所述散热模块包括金属板，所述金属板内设有相互贯通的多层散热微通道，所述微通道内设有流动的散热介质；所述散热模块上还设有多个贯通所述散热模块的通孔，所述芯片连接模块与所述信号收发模块通过所述通孔相互连接。

优选地，所述通孔内设有柱状高介电结构以及贯通所述高介电结构轴心的导线，所述芯片连接模块以及信号收发模块分别与所述导线的两端连接。所述高介电结构采用螺旋电纺丝工艺制备，所述导线通过打印纳米银墨水制备。

所述信号收发模块包括陶瓷层，该陶瓷层上设有天线阵列层、传感器层和第二导线，第二导线将天线阵列层和传感层连接后与通孔内的导线进行连接。

优选地，所述芯片连接模块包括复合电路板、以及设于所述复合电路板与所述散热模块相对表面的有源芯片和第一导线，所述有源芯片通过所述第一导线与所述导线连接。

优选地，所述复合电路板上与所述散热模块相对的表面的形状与待共形设备匹配。

优选地，每层所述微通道为蛇形结构、螺旋形结构、回字形结构、树状结构中的一种或多种组合，相邻两层所述微通道相互垂直。

本申请还提供了一种上述共形tr组件的全打印制备方法，所述方法包括：s1，逐层打印所述散热模块，以获得具有所述微通道和通孔的散热模块；s2，采用螺旋电纺丝工艺在所述通孔内打印所述高介电结构，以获得同轴度较高、直径为微米级或纳米级尺寸的高介电结构，进而获得垂直度较高的贯通所述高介电结构轴心的导线的放置空间，并在所述放置空间内打印所述导线；s3，采用曲面电流体喷印技术在所述散热模块一表面根据待共形设备的表面形状和所述有源芯片的结构制备所述芯片连接模块；s4，在所述散热模块的另一表面共形打印所述信号收发模块；s5，将所述芯片连接模块和所述信号收发模块分别与所述导线的两端连接，获得所述共形tr组件。

优选地，步骤s1包括以下子步骤：s11，将金属材料安装于fdm打印机以制备所述散热模块的金属板，并将牺牲层浆料安装于电流体喷头，采用所述fdm打印机逐层打印所述金属板并预留出所述通孔部分，待打印至所述金属板上的微通道时切换至所述电流体喷头进行打印，以实现微米级或纳米级微通道的打印，而fdm打印机无法实现微米级或纳米级尺寸微通道的直接打印；s12，将步骤s11制得的结构浸泡于刻蚀溶液，以去除牺牲层获得所述微通道。

优选地，步骤s3包括以下子步骤：s31，将金属墨水装入电流体喷头中，利用曲面电流体喷印技术在所述散热模块一表面根据待共形设备的表面形状和所述有源芯片的结构制备所述复合电路板，以使所述复合电路板与所述待共形设备的表面匹配；s32，将所述有源芯片固定于所述复合电路板，并将金属墨水装入电流体喷头中，利用曲面电流体喷印技术在所述复合电路板上打印所述第一导线。

优选地，步骤s4包括以下子步骤：s41，将陶瓷材料安装于fdm打印机，在所述散热模块的另一表面打印所述信号收发模块的陶瓷层；s42，将金属墨水装入电流体喷头中，利用曲面电流体喷印技术在所述陶瓷层上打印所述信号收发模块的天线阵列和传感器；s43，在所述陶瓷层表面打印第二导线以连接所述天线阵列、传感器和导线。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的共形tr组件及其全打印制备方法至少具有如下有益效果：

1.由于微通道的直径为微米级或纳米级尺寸，因此可以在散热模块中布置大量的微通道，微通道内设置流动的散热介质，进而可以显著提高tr组件的散热能力，实现tr组件工作时降温，极大提高了tr组件的散热效率；

2.采用电流体喷印工艺可以制备复杂且精度极高的微米级或纳米级的微通道，能够实现精细而复杂的制备要求，极大提升微通道的散热效率，且满足tr组件小型化、轻量化需求；

3.采用牺牲层浆料制备微通道，而后在刻蚀溶液中浸泡去除，操作简单，易于实现；

4.多层散热微通道可以为蛇形结构、螺旋形结构、回字形结构、树状结构中的一种或多种组合，且相邻两层微通道相互垂直，使得相互两层之间的散热不会相互影响，散热效率更高；

5.采用fdm工艺、电流体喷印工艺、螺旋电纺丝工艺等的结合实现散热模块、芯片连接模块以及信号收发模块的全打印制造，进而可以制备出基于待共形曲面的异质高密度集成的多层tr组件，结构成形灵活度高且可以实现复杂表面的共形，提高共形能力，并利于制备大面积的tr组件，成本低廉，工艺简单；

6.通过螺旋电纺丝工艺在通孔内设置同轴度较高、直径为微米级或纳米级尺寸的高介电结构，进而获得垂直度较高的贯通所述高介电结构轴心的导线的放置空间，在垂直度极高的空间中打印金属墨水可以防止在打印过程中金属墨水材料由于表面张力不足而摊开，可以在确保整体结构精细程度的同时，提高其内导线制作的可靠性。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的共形组件的结构示意图和局部剖视图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的散热模块的阶梯剖视图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的共形组件的另一视角的示意图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的共形组件的全打印制备方法的步骤图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的共形组件的全打印制备过程中的结构示意图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的高介电结构和导线的制备过程中的结构示意图；

图7示意性示出了根据本公开实施例的信号收发模块的制备过程中的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

100-散热模块：

110-微通道，111-进口，112-出口，120-通孔，121-高介电结构，122-导线，130-金属板；

200-芯片连接模块：

210-复合电路板，220-有源芯片，230-第一导线；

300-信号收发模块：

310-陶瓷层，320-天线阵列层，330-传感器层，340-第二导线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供了一种共形tr组件，所述tr组件包括散热模块100以及设于所述散热模块两相对表面的芯片连接模块200以及信号收发模块300。

如图2所示，散热模块100的金属板130上设有相互贯通的多层微通道110，所述微通道110内设有流动的散热介质。微通道110蛇形结构、螺旋形结构、回字形结构、树状结构中的一种或多种，相邻两层微通道110相互垂直，本公开实施例中，每层微通道设置为蛇形结构，相邻两层微通道110之间相互垂直并连接，微通道110的进口111和出口112设于散热模块100的侧表面，用于散热介质的输入和输出。该微通道110可以为纳米级或纳米级尺寸，以满足tr组件小型化要求，由于微通道110的尺寸较小，因此在金属板130内可以设置大量的微细通道，进而增大换热量，显著提高散热模块100的散热效率。

所述散热模块100上还设有多个贯通散热模块100表面的通孔120，所述芯片连接模块200与所述信号收发模块300通过所述通孔120相互连接。为了使通孔120和微通道110的设计方便，通孔120优选为设置在金属板130的边沿处。通孔120的个数根据实际需要设定。在通孔120内可以通过螺旋电纺丝工艺沉积高介电结构121，通过该螺旋电纺丝工艺可以获得同轴度较高、直径为微米级或纳米级尺寸的高介电结构121，进而获得垂直度较高的贯通所述高介电结构轴心的导线122的放置空间，进而可以进一步打印垂直度比较高的导线122。导线122的材料是高粘度、高导电性能的金属墨水，例如，纳米银墨水，在垂直度极高的空间中打印金属墨水可以防止在打印过程中金属墨水材料由于表面张力不足而摊开，确保导线竖直成型。

如图3所示，芯片连接模块200包括复合电路板210、以及设于所述复合电路板210与所述散热模块100相对表面的有源芯片220和第一导线230，所述有源芯片220通过所述第一导线230相互连接。

如图1所示，信号收发模块300包括陶瓷层310，陶瓷层310的上表面设有天线阵列层320、传感器层330以及第二导线340，第二导线340将天线阵列层320以及传感器层330连接起来，并通过上述导线122与第一导线230连接。天线阵列层320和传感器层330可以采用电流体喷印的方式进行图案化制作，第二导线340可以通过打印的方式制作。

散热模块100、芯片连接模块200以及信号收发模块300的形状与待共形设备的表面形状匹配，使得tr组件具有好的共形性。

本公开另一方面提供了一种上述共形tr组件的全打印制备方法，如图4所示，所述方法包括：

s1，逐层打印所述散热模块100，以获得具有所述微通道110和通孔120的散热模块100；

s2，采用螺旋电纺丝工艺在所述通孔120内打印所述高介电结构121，并在所述高介电结构121的轴心打印所述导线122；

s3，采用曲面电流体喷印技术在所述散热模块100一表面根据待共形设备的表面形状和所述有源芯片220的结构制备所述芯片连接模块200；

s4，在所述散热模块100的另一表面共形打印所述信号收发模块300；

s5，将所述芯片连接模块200和所述信号收发模块300分别与所述导线122的两端连接，获得所述共形tr组件。

该tr组件的全打印制备方法，采用fdm工艺、电流体喷印工艺、螺旋电纺丝工艺等的结合实现散热模块、芯片连接模块以及信号收发模块的全打印制造，进而可以制备出基于待共形曲面的异质高密度集成的多层tr组件，结构成形灵活度高且可以实现复杂表面的共形，提高共形能力，并利于制备大面积的tr组件，成本低廉，工艺简单。

本申请首先制备散热模块100，而后制备芯片连接模块200或信号收发模块300，其中，芯片连接模块200和信号收发模块300的制备顺序不受限制，以下对本共形tr组件的制备方法进行详细介绍。

上述步骤s1包括以下子步骤s11～s12：

s11，将金属材料安装于fdm打印机以制备所述散热模块100的金属板130，并将牺牲层浆料安装于电流体喷头，采用所述fdm打印机逐层打印所述金属板130并预留出所述通孔120部分，待打印至所述金属板130上的微通道110时切换至所述电流体喷头进行打印，以实现微米级或纳米级微通道的打印，而fdm打印机无法实现微米级或纳米级尺寸微通道的直接打印。本公开实施例中将铜粉末与磷酸酯基复合树脂粘结剂预先制成的丝材，安装在fdm打印机上以制备金属板130。在此之前需要对待打印的tr组件进行建模，将tr组件模型导入fdm打印机中，启动打印机进行逐层打印。将牺牲层浆料，例如，光刻胶az4620，安装于电流体喷头上，当打印到微通道110时切换至电流体喷头进行打印，二者交替进行，逐层打印，打印结束后形成如图5所示的金属板130和光刻胶az4620复合的实心结构。

s12，将所述步骤s11制得的结构浸泡于刻蚀溶液，以去除所述牺牲层获得所述微通道。本公开实施例中，将上述步骤制得的实心结构浸泡于丙酮溶液中，将步骤s11打印的光刻胶溶解去除，即可得到高精度的微通道110，并通过进口111和出口112输入输出散热介质。

然后将高介电材料(例如，钛酸铜钙溶胶)装入电流体喷头中，使用螺旋电纺丝工艺，在金属板130预留的通孔120内表面打印堆积的高介电结构，如图6所示，通过螺旋电纺丝工艺制作出同轴度较高、直径为微米级或纳米级尺寸的高介电结构，进而能够预留出垂直度极高的竖直导线122的放置空间。通过该高介电结构可以将导线122与金属板130隔离。然后将高粘度、高导电性的金属墨水，例如，纳米银墨水，装入电流体喷头中，并在高介电结构121的螺旋结构内部打印堆积，得到高纵横比的竖直导线122。在垂直度极高的空间中打印纳米银墨水可以防止在打印过程中金属墨水材料由于表面张力不足而摊开，确保导线122竖直成型。

上述步骤s3包括以下子步骤s31～s32：

s31，将金属墨水装入电流体喷头中，利用曲面电流体喷印技术在所述散热模块100一表面根据待共形设备的表面形状和所述有源芯片220的结构制备所述复合电路板210，以使所述复合电路板210与所述待共形设备的表面匹配。本实施例中，在散热模块的表面喷印纳米银墨水，喷印过程中预留出有源芯片220的位置，重复喷印多次，保证制备的复合电路板210的可靠性，得到高精度的复合电路板210。

s32，将所述有源芯片220固定于所述复合电路板210，并将金属墨水装入电流体喷头中，利用曲面电流体喷印技术在所述复合电路板210上打印所述第一导线230。将有源芯片220粘贴于复合电路板210的表面预留位置，将金属墨水，例如，纳米银墨水，装入电流体喷头中，采用曲面电流喷印技术在复合电路板210的表面打印第一导线230，通过第一导线230将复合电路板210与有源芯片220连接，并将复合电路板210和导线122连接。

上述步骤s4包括以下子步骤s41～s43：

s41，将陶瓷材料安装于fdm打印机，在所述散热模块100的另一表面打印所述信号收发模块的陶瓷层。本公开实施例中，将由氧化铝粉末与磷酸酯基复合树脂粘结剂预先制成的陶瓷丝材装入fdm喷头，在金属板130表面均匀打印隔热陶瓷层310，与上述金属板130的打印过程相类似，打印过程中预留与金属板130中数量、位置相同的柱状通孔120，内径与高介电结构121的内径相同。延长竖直导线122，将高粘度、高导电性的金属墨水装入电流体喷头中，在陶瓷层310预留柱状通孔120中打印堆积，以延伸竖直导线122至陶瓷层310上表面。

s42，将金属墨水装入电流体喷头中，利用曲面电流体喷印技术在所述陶瓷层310上打印所述信号收发模块300的天线阵列320和传感器330。如图5和图7所示，将金属墨水装入电流体喷头中，利用曲面电流体喷印技术，在陶瓷层310上按预设轨迹图案进行喷印，重复喷印多次保证电路结构的可靠性，进而得到天线阵列320和传感器330。

s43，在所述陶瓷层310表面打印第二导线340以连接所述天线阵列层、传感器层和导线。本公开实施例中，将金属墨水装入电流体喷头中，利用曲面电流体喷印技术在陶瓷层310上表面打印第二导线340，分别将天线阵列层320、传感器层330与导线122连接。

综上所述，本申请提供的共形tr组件及其全打印制备方法，通过在共形tr组件内设置散热微通道，提高了tr组件的散热效率，通过螺旋电纺丝工艺在通孔内设置垂直度极高的放置空间，提高其内导线制作的可靠性。通过fdm工艺、电流体喷印工艺、螺旋电纺丝工艺等的结合实现散热模块、芯片连接模块以及信号收发模块的全打印制造，进而可以制备出基于待共形曲面的异质高密度集成的多层tr组件，结构成形灵活度高且可以实现复杂表面的共形，提高共形能力，并利于制备大面积的tr组件，成本低廉，工艺简单。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。