Опыт 3D-печати элементов волноводных СВЧ-трактов и рупорных антенн диапазона 8.5-31 ГГЦ

19.03.19 |
Автор: Антон Нисан, Глеб Потапов
Издание: Вектор Высоких Технологий № 1 (41) 2019
Год назад в статье «Печать металлопорошковыми композициями: возможности и перспективы применения в приборостроении» 1 мы рассказали о зарубежном опыте в данном направлении.

В прошедшем году в лаборатории аддитивных технологий Центра развития технологий ООО «Остек-СМТ» появилась установка селективного лазерного сплавления Renishaw AM400 и периферийное оборудование к ней. Это дало нам возможность провести более 40 циклов печати из алюминиевого порошка: сначала из оригинального AlSi10Mg Renishaw, а с ноября — из аналогичного порошка АСП-45 производства ОК РУСАЛ. 

Существенную долю среди напечатанных деталей составили волноводы, фильтры, сумматоры, рупорные облучатели и другие элементы СВЧ-трактов. О некоторых из этих устройств, их электрических характеристиках в сравнении с традиционными аналогами, изготовленными механообработкой, мы расскажем в данной статье.

Сумматор

Напечатанный по заказу АО НПО ЛЭМЗ сумматор с центральной рабочей частотой 28 ГГц предназначен для радиолокационных систем. На его входы 1 и 2 подаются исходные сигналы, на выходе 3 образуется сумма сигналов, на выходе 4 — их разность. Сложная форма каналов сумматора не позволила изготовить его механообработкой целиком: фрезеровались две детали и соединялись на винтах. А напечатать сумматор можно целиком, исключая необходимость и трудоемкость сборки.

Расположение сумматора на поддержках на платформе, объем самой детали 21,3 куб. см, а поддержек к ней — 6,7 куб. см. Время печати в расчете на один сумматор при размещении 12 деталей на платформе составляет шесть часов. Но если печатать только одну деталь, это займет девять часов. После печати проводилась термообработка для снятия напряжений (2 ч, 300 °С), снятие с поддержек, дробеструйная обработка, механическая обработка фланцев.

Каналы сумматора после печати не обрабатывались, шероховатость их стенок примерно Ra 20 мкм, что, конечно, существенно выше типовых для волноводных трактов значений 1,6, 0,8 или даже 0,4 мкм. Тем не менее, результаты измерений электрических характеристик, выполненных заказчиком, свидетельствует о соответствии напечатанного сумматора предъявляемым требованиям:

  • коэффициенты передачи S12 и S13 фрезерованного и напечатанного сумматоров близки и различаются на уровне погрешности измерения;
  • разность фаз сигналов на выходах 2 и 3 близка к 180° как для напечатанного, так и для фрезерованного сумматоров;
  • на центральной частоте коэффициенты стоячей волны фрезерованного и напечатанного сумматоров практически совпадают и не превышают 1,2.

Рупорный облучатель зеркала радиотелескопа

Рупорный облучатель зеркала радиотелескопа и плавный переход с круглого волновода (вход облучателя) на стандартный прямоугольный волновод Х диапазона печатались по заказу Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН (ИРЭ РАН). Цель состояла в измерении электрических параметров рупорного облучателя и сравнении их с параметрами фрезерованного аналога. Центральная рабочая частота рупорного облучателя и перехода — 8,48 ГГц.

Объем деталей и поддержек, а также время печати в расчете на одну деталь приведены в T1. После печати проводилась термообработка, снятие с платформы и дробеструйная обработка поверхности, снижающая ее шероховатость до Ra 5...7 мкм.

Таблица 1 Объем рупора и перехода, поддержек к ним, время печати

Параметр Рупорный облучатель Переход
Объем без поддержек, куб. см 99 33,8
Объем поддержек, куб. см 20,1 9,2
Длительность печати в расчете на одну деталь:
Мин. загрузка (1 деталь на платформе) 18 ч 12 мин 14 ч 20 мин
Макс. загрузка (6 деталей на платформе) 14 ч 20 мин 7 ч 29 мин

Расчет рупорного облучателя, а также измерение электрических характеристик напечатанного из алюминиевого сплава AlSi10Mg облучателя и фрезерованного из латуни аналога выполнены в ИРЭ РАН. Для обоих рупоров использовался напечатанный переход. Видно, что измеренные значения показывают более узкую диаграмму направленности по сравнению с расчетной. Это обусловлено, в основном, погрешностью измерений в безэховой камере. Частично ее можно снизить более точной установкой передающего и приемного рупоров так, чтобы их оси лучше совпадали. Измеренные диаграммы излучения фрезерованного и напечатанного облучателей по форме и ширине луча практически не различаются.

Значения коэффициентов отражения напечатанного и фрезерованного рупорных облучателей на рабочей частоте также близки друг к другу, а трудно устранимые осцилляции в измеренных частотных зависимостях отражения связаны, скорее всего, с недостаточно хорошим качеством использованных разъемов.

Гофрированный рупорный облучатель Ka-диапазона

Имея положительные результаты тестирования рупорного облучателя на 8,48 ГГц, мы сделали следующий шаг в этом направлении — изготовление с последующим испытанием более сложного гофрированного рупорного облучателя на более высокие частоты Ka-диапазона. Облучатель предназначен для применения в двухзеркальной антенне Кассегрена в системах связи. Рабочий диапазон частот облучателя: приемный Rx 17,5 — 21,2 ГГц, передающий Tx 26,5 — 31 ГГц.

Расчетные характеристики рупорного облучателя представлены в T2. В настоящее время проводится подготовка к тестированию в ИРЭ РАН.

Таблица 2 Расчет согласования облучателя (рупор + переход) в рабочем диапазоне частот

F, ГГц S11, дБ КСВ
Rx: сечение волновода 11×5,5 мм
17,5 -11,4 1,74
19,35 -13,9 1,50
21,2 -20,2 1,22
Tx: сечение волновода 7,2×3,4 мм
27,5 -27 1,09
29,25 -31,7 1,05
31 -26,8 1,10

Заключение

Несмотря на высокую шероховатость каналов, рассмотренные примеры демонстрируют, что 3D-печать из AlSi10Mg методом селективного лазерного сплавления обеспечивает соответствие требованиям к электрическим характеристикам для некоторого множества СВЧ-волноводов и излучателей. Для расширения области применения 3D-печати для изготовления элементов волноводных трактов необходима отработка технологии постобработки: гидроабразивной прокачки, химического полирования, нанесения покрытий. Кроме того, необходимы испытания образцов и волноводов для определения стойкости к внешним воздействующим факторам.

Рассмотренные в данной статье и другие напечатанные волноводы вы сможете увидеть 15-17 апреля на нашем стенде на выставке ЭлектронТехЭкспо в МВЦ «Крокус Экспо» или в нашем Центре развития технологий, заявки на посещение которого направляйте на электронную почту

Опыт 3D-печати элементов волноводных СВЧ-трактов и рупорных антенн диапазона 8.5-31 ГГЦ 0.78 Mb

Запросить информацию

* Фамилия
* Имя
Отчество
* Организация
* E-mail
* Уточните категорию вашего запроса
Текст вопроса

Запросить информацию

* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
Город
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран
Текст вопроса

Записаться в демозал

* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
Город
* E-mail
* Уточните категорию вашего запроса
Текст вопроса

Запрос на услугу

Выберите интересующие вас услуги:
Приложите файл/фото:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail

Запрос на услугу

Материал изделия, сплав
Количество изделий
Технические требования
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Выберите услугу:
Материал изделия
Максимальные габариты (ДхШхВ или Диаметр х Высота)
Вес изделия
Количество изделий
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Краткое ТЗ
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Тематика обучения:
Другая тематика обучения
Количество обучаемых
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Выберите услугу:
Материал изделия (сплав)
Масса оптимизированного изделия (в кг или % от массы исходной модели)
Функциональное назначение изделий
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на услугу

Выберите услугу:
Функциональное назначение изделий
Файл: 3D-модель, чертеж, изображение:
Файл не выбран
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail

Запрос на решение

Выберите интересующий Вас тип решения или услуги для связи с профильным специалистом: Неразрушающий контроль Системы 3D-печати металлом Программное обеспечение Услуги Центра Развития Технологий
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Неразрушающий контроль Минимальный размер дефекта Количество изделий в смену (8 часов)
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Минимальный размер дефекта Количество изделий в смену (8 часов)
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Минимальный размер дефекта Количество изделий в смену (8 часов)
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Укажите необходимые опции
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО: Укажите необходимые опции
Материал изделий (сплав)
Функциональное назначение изделий
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail
Приложите файл/фото:
Файл не выбран

Запрос на решение

Уточните параметры запроса, чтобы мы могли оперативно подготовить для Вас необходимую конфигурацию оборудования и ПО:
Количество лицензий
Комментарий
* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* E-mail

Запросить материалы

* Фамилия
* Имя
Отчество
Должность
* Организация
* Телефон
* E-mail