张洁雯
中国电子科技集团公司第39研究所
3D 打印的应用涉及到很多领域，对于立方星的天线制造是一个很有效的技术。然而，在采用 3D 打印制造天线时，必须考虑其特征。文章给出了极轨立方星辐射计有效载荷的馈源喇叭增益和远场方向图结果。波纹馈源喇叭是用AlSi10Mg 合金，采用粉末颗粒熔融（PBF）技术制造的。用位于科罗拉多州的美国国家标准技术协会（NIST）的可重构机器人毫米波天线（CROMMA）设备，在118.7503GHz 频率进行了测量，并对测量值和理论值进行比对，给出了馈源喇叭的性能评估结果。
1立方星概述
针对空间基应用的多样化，立方星提供一个可实现的、有效的平台。许多货架产品能够快速用于立方星样机和子系统。因为波长较短，使其具有低绕射、宽带宽和体积小的优点，在空间基毫米波应用时获益。由于无源黑体辐射和大气光谱特征的存在，一般辐射计在毫米波段工作。在新兴应用中，例如全球互联网[1]， 计划采用 100GHz 以上多于 1000 个立方星的星座实现星-星、星-地通信。相对于其他立方星部件，仪器和科学研究的需要经常促使天线设计的创新。因此，天线必须采用逐项设计来获得想要的性能特性，例如增益和旁瓣电平。
快速建造、测试毫米波天线样机的能力和更容易获得货架产品使人们更愿意使用立方星。目前正在发展的 3D 打印技术能够快速地定制、建造具有复杂结构的天线，以满足特定的应用需求。然而，我们不能确定印刷天线的质量和性能与更多传统的制造技术一样好，例如机械加工和电铸。在毫米波频率，对制造误差的要求变得更加精确。孔径的边缘精度、波纹特征等等，对于复制是一个挑战， 因为 3D 打印会导致粗糙的表面而影响天线性能。根据对天线性能要求，通过 3D 打印的便利性可以在天线性能与精度之间进行折衷。本文给出了一种全金属 3D 打印圆锥波纹馈源喇叭测量的增益和理论增益的对比，以及 118.7503GHz 的远场方向图，该天线将用于极轨立方星的辐射计有效载荷。
1极轨立方星
极轨立方星是一个三单元立方星，它的有效载荷由一个频率 118.75GH 八通道、双边带扫描迷你型无源微波温度探测器组成[2],[3]。工作于 118.7503GHz 的氧线辐射计被用于探测剖面大气温度[4],[5]。辐射计的有效载荷是由一个网状偏置抛物面主反射器和一个固定的圆锥波纹馈源喇叭构成。主反射器是一个投影口径8cm 圆孔径的偏置椭圆。馈源喇叭与反射器组合的增益 38.03dB。图 1 的黄色部分为带有波纹馈源喇叭和可展开抛物面反射器的极轨立方星的光学前端剖视图。馈源喇叭接受来自主反射器的辐射并将其输入到辐射计的电子接收机。网状反射器构造获得了最大孔径区域，它产生的 3dB 波束对应的对地覆盖区域为 16km。反射器用单支杆来支撑的，以获得最小散射旁瓣和天线温度不确定性。
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图 1 极轨立方星辐射计的光学前端剖面图
（黄色部分为抛物面反射器和 3D 打印全金属馈源喇叭）
2馈源喇叭
2.13D 打印
近年来，塑料材质的 3D 打印引领了绝缘体微波结构的科学研究，例如反射阵[6]和带隙材料[7]。金属涂层 3D 打印塑料天线[8]已经被证实能够用于毫米波和太
赫波段。通过固体金属构造来呈现结构的完整性是有优势的。然而，用纯金属合金的 3D 打印对于建造天线的优势是显而易见的。3D 打印采用金属合金有很多与聚合物打印相同的优势，具有更多的结构完整性和可能更长的使用寿命。对于制造毫米波天线，目前采用金属打印技术获得的精度是否满足需求，可能需要考虑
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(b)馈源喇叭截面的尺寸图。
折衷方案。
如图 2 所示的极轨立方星馈源喇叭是由铝合金材料 AlSi10Mg，采用 PBF 工艺制造的（俗称金属 3D 打印）。采用 AlSi10Mg 材料可使 PBF 过程最优化，选择该合金是因为它的强度、硬度和结构完整性，甚至当它变成薄的、复杂的形状， 依然能维持它结构的完整性，而且在 PBF 程序后，该合金可以被加工和抛光，也不会损失它的结构完整性。在馈源喇叭的制造期间不需要支撑物，当设定结构方向后，从而使喇叭的轴与重力保持一致。PBF 之后，通过玻璃珠喷砂处理，可以使表面粗糙度从 300μin 降到 125μin。波导法兰螺孔是采用一个标准丝锥制造的。
2.2天线设计
设计喇叭是根据文献[9]提供的一种 HE11 混合模，与主反射器能够很好地匹配。喇叭通过一个矩形 WR-8 波导来馈电，该波导转换为一个圆截面与锥形喇叭
连接。这一转换更加复杂，馈源喇叭朝向主反射器，两者轴线夹角为 17°。馈源喇叭的孔径直径 D=13.91mm、锥角θh=25.4°和长度（孔径到锥形顶点）L=32mm。波纹被优化为深度≈0.28λ、间距≈λ/3，给出大约 30°的斜切角来提供由圆波导到锥形截面的模式转换。因此，喇叭具有一些亚毫米和复杂的机械特性，使 我们可以将 3D 做为制造工艺的一个选项。
3测量系统配置
3.1机器人天线测距
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在 NIST 采用 CROMMA[10]-[13]进行测量。采用机器人能够自主完成结构多重扫描， 该方法采用一个单天线调整和电子校正。因为在近场测量中都不需要改变配置、调整天线和再校准，这样可以实现快速的天线特征测量。通过 CROMMA，在被测天线（AUT）表面上方采用机械臂（如图 3）扫描一个μ=±1 探头天线[14]来实现近场测量。AUT 位于一个六轴六边形旋转体的顶部，为了进行球面扫描，当 AUT 旋转沿φ方向移动时，机械臂沿着一个θ方向移动，形成了一个球面几何扫描。扫描探针沿着 AUT 和探头视轴方向，通过扫描探头来进行外推扫描。采用一个激 光跟踪器和 6 度自由度的光学目标来提供探头天线、AUT、机器人、六边形和旋转体的空间测量坐标系。在测量时，采用空间计量软件收集和控制激光跟踪器数 据用于探头和 AUT 的调整。基于一个小于 25μm 精度的空间计量反馈，机械臂能 够自动重新配置，并在近场和外推扫描几何[10],[15]之间自动变化。使用该方法可 进行一系列现场外推测量与近场测量。该方法加速了天线的特征测量，并采用外 推数据诊断并优化近场测量（在外推测量章节中论述）。
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利用激光跟踪器和像素探头[16]（一种基于机器视觉、无触觉的激光跟踪器探
头）直接测量μ=±1 探头天线和馈源喇叭的孔径。如图 4 所示，在调整过程时自像素探头获得的馈源喇叭图像。在 3D 打印过程中，波纹和表面粗糙度清晰可见。在图 4(c)中，探头的有效像素（蓝色突出部分）位于白色箭头指向孔径上的测量位置。蓝色像素的尺寸相当于实际空间分辨率（即像素覆盖区）。对于这一调整，像素探头分辨率采用≈30μm（118GHz λ/85）。围绕孔径边缘的一系列测量值用来构成孔径几何（如图 5）和初始安装时馈源喇叭的姿态。些测量值形成了半径 13.98mm 的圆孔径。与计划的孔径直径 D=13.91mm 和已知的 3D 打印
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孔径边缘粗糙度相符合。馈源喇叭初始安装调整中转换和定位的偏移误差，采用空间计量软件计算，接着输入这些偏移至六边体来调准馈源喇叭孔径的中心，保持θ方向倾角 17°。馈源喇叭的空间测量和坐标系测量结果如图 5 所示。用于球面近场和外推测量的扫描弧线和线性路径分别如图 6 所示。这两个路径是坐标系组，该坐标系是跟踪探头天线时测量 6-DoF 激光跟踪器目标的结果。
3.2毫米波
在测量时，采用一个四端口 50GHz 矢量网络分析仪（VNA）和 WR-08 混频器产生和识别毫米波。VNA 设置为两端口测量。在整个 WR-08 频带（90-140GHz）， 通过电子校准断路器、偏置断路器和未知负载进行全频带测量。因为进行宽频带校准，能消除来自未知通路的±180°相位模糊。在探头上和 AUT 侧边的射频电
缆通过适当的辅助环路和安装固定装置来固定。通过机器人控制器输入/输出来触发 VNA，根据机器人位置，通过一个脉冲发生器适时调节 VNA。沿着球面近场扫描弧线在每个探头测量位置捕获 S 参数的振幅和相位。
4天线测量
4.1外推测量
进行外推测量[17]来确定馈源喇叭增益，外推测量可优化近场扫描半径，已获得最大动态范围。在一个近场测量期间，通过减小探头至 AUT 的距离来增加动态范围。然而，减小距离以增加探头和 AUT 之间就互耦和反射为代价，并且降低信号质量。该波纹喇叭的 HE11 模有较低的旁瓣，所以增加动态范围（例如测量由主波束至噪声底）是非常重要的，从而能够检验出±30°范围内任何超过主波束的旁瓣。在外推测量中，由观测|S11|的振荡来确定互耦强度（如图 7 所示）。
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当探头在馈源喇叭孔径 15-400mm 的距离范围上移动时，每 400μm（在118.7503GHz 时≈λ/6） 采集一个数据。在振荡降低至Δ|S11|≤0.1dB 时，采集的间隔距离当作最靠近的有效半径用于近场测量，结果为 125mm 的距离。由外推
测量测定的馈源喇叭增益为 Gextrap=20.32dB±0.5dB。
4.2球面近场测量
同样测量了馈源喇叭的远场方向图如表 1。进入光路的波束溢出和源的漏射影响辐射计校准，所以，获得尽可能多的离轴波束特性是非常重要的。对于极轨立方星，从馈源喇叭方向上看，馈源对主反射器的张角≈35°。在辐射计校准时， 必须重视此角度范围外的能量溢出。因此，与平面测量[18]相比，球面近场测量能提供更大的立体角覆盖范围。采用 CROMMA，可以直接测量上半球（0≤θ≤90°， 0≤φ≤360°）的离轴波束性能。
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[14],[19]-[21]。对于球面近场扫描，125mm 的扫描半径是通过采用外推测量确
定的。封装馈源喇叭的空间有效半径 r（0 在文献[14]的 19 章节中说明）为 20mm，
能够完全地包围馈源喇叭和有角度的波导馈电转换。采用该有效半径，表示为： Δθ，Δφ≤360/[2(k r0+10)+1]( 在文献[14]的 19 章节中说明)，在扫描弧线上的角度采样步幅上限确定为Δθ，Δφ≤3.0°，实际采用步幅Δθ=Δφ=1°，该步幅在取样范围内。测量远场方向图归一化为总场|Etot|的前半球（0≤θ≤
+90°，0≤φ≤360°）峰值如图 8(a)所示。
5馈源喇叭仿真
用数字仿真方法来确定理想喇叭几何的理论增益和方向图。采用有限元软件包 Ansys HFSS 进行数字仿真。用铝来制作喇叭模型和完全匹配辐射边界条件。在包含临界结构的区域内同样进行网格最优化，例如喇叭内部（包括波纹）、颈部周围和孔径。通过迭代进行仿真优化，直到馈源喇叭输入端口的|S11|变化达到Δ|S11|＜0.003。仿真的增益为 Gsim=22.18dB。前半球（0≤θ≤+90°，0≤φ≤ 360°）的归一化理论远场方向图总场强|Etot|的峰值如图 8(b)所示。
6讨论
本文给出了采用 3D 打印天线的测量和仿真的增益、远场方向图等性能的结
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果比较。结果表明，测量的馈源增益要小于仿真结果结果。测量和仿真增益值分别为 22.18 dB 和 20.32 dB。
图 9 给出了以 dB 计的测量和仿真远场方向图差异。在主波束为中心第一个
±20°范围内，方向图具有很好的一致性，差别在 0dB 水平位置。差异出现在θ
=17°附近，再次峰值将会交叠。在两个方向图之间，差异较大的位置在主波束
±30°以外的区域，差异是由更多的局部结构导致的实际方向图旁瓣增加造成的。这表现为喇叭几何中的粗糙度和缺陷在喇叭孔径上产生了相位和振幅误差。能量 扩散进入旁瓣的后果为仿真性能的增益减少。由于仿真方向图关于主波束（将会 用于 HE11 模）圆对称，局部结构显示出在两个方向图间较多严重的差别在一些位置上超过 10dB。通过仿真角度大约θ=70°时差别变得受控。然而，以主波束为中心，35°圆锥体对应的圆形区域内（即在馈源对主反射器的照射角内）的平均 差别为≈1.1 dB。在测量的和仿真的性能中，主波束-3dB 波束宽度内具有良好的一致性，这对在立方星应用中是非常重要的。结果表明对于该立方星应用，3D 打印铝制馈源喇叭是可行的办法。
7结论
我们介绍了采用 PBF 工艺，用固体铝合金 AlSi10Mg 材料 3D 打印的波纹圆锥馈源喇叭测量和理论性能对比。设计馈源喇叭用于极轨立方星的辐射计有效载荷， 工作频率为 118.7503GHz。于 NIST 的 CROMMA 设备进行球面近场和增益外推测量。采用球面近场到远场转换方法，在馈源喇叭的前半球上获得远场天线方向图。
用 S11 外推数据来确定最佳近场扫描半径，以获得最大动态范围。当Δ|S11|
≤0.1dB（峰值到峰值）时，探头天线和馈源喇叭间的互耦导致的旁瓣结构低于主波束峰值 70dB。采用馈源喇叭的数字仿真来确定理论性能（方向图和增益）。根据这些测量值确定的 3D 打印喇叭增益为 20.32 dB±5 dB，但是仿真增益为22.18dB。在主波束±30°内的远场方向图具有很好的一致性。以主波束为中心
35°圆锥体（即在馈源对主反射器的照射角内）内的平均差别约 1.1dB 左右。主波束的-3dB 波束宽度内，在差异在 0dB 左右，具有良好一致性，这在立方星应用中是非常重要的。结果表明对于该立方星应用，3D 打印铝制馈源喇叭是可行的办法。
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