Опыт 3D-печати элементов волноводных СВЧ - трактов и рупорных антенн диапазона 8,5-31 ГГц

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 (Рис 1 и 2). 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 показано на Рис 3, 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 (рис 4). 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 (Рис 5);
• разность фаз сигналов на выходах 2 и 3 близка к 180° как для напечатанного, так и для фрезерованного сумматоров (Рис 6);
• 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 (Рис 8) 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

Расчет рупорного облучателя (Рис 9), 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 (Рис 10). 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 (Рис 11).

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 (Рис 12). 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 и на рис 13. В настоящее время проводится подготовка к тестированию в ИРЭ РАН.

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

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 3d@ostec-group.ru.

На этот адрес вы также можете отправлять запросы на печать волноводов.