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，并通過可展開結(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［1］。為滿足星載天線的輕量化要求，國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，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）、加拿大航天局（CSA）以及德國宇航中心（DLR） 相繼開展了薄膜天線技術(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。天線有效展開尺寸為5 m×20 m，主要由可展開支撐框架、陣面結(jié)構(gòu)、張拉與形狀控制機(jī)構(gòu)等組成。其中，可展開支撐框架可在展開機(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。天線框架展開到位后，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小（見圖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。

采用專門研發(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，防止隔件因過壓縮引起壓潰；冷卻狀態(tài)加載／卸載，避免加工過程中的熱變形對(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。采用專用自動(dòng)化薄膜裁切設(shè)備，通過負(fù)壓吸附（展平）、視覺定位、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，加工過程如圖8所示。

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

采用專門研發(fā)的自動(dòng)化薄膜拼接設(shè)備，通過負(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，將其展開并調(diào)平；隨后，使用專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)收攏展開測(cè)試，如圖11所示。天線在展開機(jī)構(gòu)控制下成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)展開和陣面張緊成型，展開過程平穩(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，通過規(guī)格化的小尺寸膜條劃分，減少了膜條種類，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)給制造過程中的選材、工藝處理及過程控制帶來更多約束或新要求。另外，為適應(yīng)將來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)等操作帶來的影響。

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