申请/专利权人：瑞士十二公司

申请日：2017-02-24

公开（公告）日：2021-07-20

公开（公告）号：CN109075418B

主分类号：H01P3/123(20060101)

分类号：H01P3/123(20060101);H01P11/00(20060101);H01Q21/06(20060101)

优先权：["20160304 FR 16/00370"]

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.07.20#授权;2019.01.15#实质审查的生效;2018.12.21#公开

摘要：本发明涉及一种用于制造波导装置1的方法，所述方法包括以下步骤：制造由非导电材料构成的芯2，所述芯包括具有外表面21和内表面20的侧壁，内表面限定波导通道5；以及通过浸没在试剂流体中在内表面20上沉积导电金属层3；其特征在于，所述芯2包括在所述外表面和内表面之间的至少一个孔7，其特别地用于在所述浸没期间促进从所述通道5中排出气泡和或流体流通。

主权项：1.一种制造波导装置1的方法，所述方法包括以下步骤：制造非导电材料的芯2，所述芯2具有侧壁，所述侧壁具有外表面21和内表面20，所述内表面限定波导通道5；通过浸没在试剂流体中，在所述内表面20上沉积导电金属层3；其特征在于，所述芯2包括在所述侧壁的所述外表面和所述内表面之间的至少一个孔7，所述至少一个孔用于在所述浸没期间促进所述通道5中的气泡的排出和或流体流通，其中，所述至少一个孔7的尺寸小于所述波导装置的工作频率下的自由空间中的波长λ的三分之一。

全文数据：用于增材制造波导的方法和根据所述方法制造的波导装置技术领域本发明涉及一种用于增材制造波导装置的方法和根据该方法制造的波导。背景技术射频RF信号可以在空间或波导装置中传播。这些波导装置用于在空间域或频域中引导RF信号或对其进行操纵。本发明特别涉及无源RF装置，其使得可以在不使用有源电子部件的情况下传播和操纵射频信号。无源波导可以分为三种不同的类别：●基于中空金属通道内的波导的装置，通常称为波导。●基于介电基板内的波导的装置。●基于借助于金属基板例如，PCB印刷电路板、微带等上的表面波的波导的装置。本发明特别涉及上述第一类，下文统称为波导。这种装置的示例包括波导自身、滤波器、天线、模式转换器等。它们可以用于在自由空间中的或来自自由空间的信号路由、频率滤波、信号分离或重组、信号的发送或接收等。图1中示出了常规波导的示例。该常规波导由其形状和比例确定给定波长的电磁信号的传播特性的中空装置组成。用于射频信号的常规波导具有矩形或圆形截面的内部开口。常规波导使电磁模式对应于沿其截面的不同电磁场分布而传播。在所示的示例中，波导具有沿y轴的高度b和沿z轴的宽度a。图2示意性地示出了这种波导中的电场线E和磁场线H。在这种情况下的主要传播模式是称为TE10的电横向模式。索引1指示跨波导宽度的半波长的数量，而0指示沿高度的半波长的数量。图3和4示出了具有圆形截面的波导。圆形传输模式可以在这种波导中传播。图4中的箭头示出了传输模式TE11；基本上垂直的箭头表示电场，较为水平的箭头表示磁场。场的取向通过波导的截面而变化。除了矩形或圆形波导开口的这些示例之外，在本发明的范围内设想了或可以设想其他开口形状，并且其允许一个或更多个电磁模式以给定的信号频率被保持以发送电磁信号。在图5中示出了可能的波导开口的示例。所示的表面对应于由导电表面界定的波导开口的截面。截面的形状和表面还可以沿波导装置的主方向变化。制造具有复杂截面的波导是困难且昂贵的。为了解决这个问题，专利申请US20120084968提出通过3D打印制造波导。为此，通过增材法打印非导电塑料芯，然后通过电沉积使用金属涂层覆盖非导电塑料芯。波导的内表面必须确实是导电的以进行工作。非导电芯的使用一方面使得能够减轻装置的重量和成本，另一方面使得能够实现适用于聚合物或陶瓷并且允许制造具有低壁粗糙度的高精度部件的3D打印方法。该文献中描述的部件具有复杂的形状，并且一方面包括用于波传播的通道，另一方面包括波导的脚上的紧固孔，以将其紧固到另一个元件上。在图6中示出了可以通过增材制造来制造的波导1的示例。波导1包括例如由聚合物或陶瓷制成的非导电芯2，非导电芯2例如通过立体光刻stereolithography或通过另一增材方法来制造并且限定了用于传播RF信号的内部开口5。在该示例中，窗口具有宽度a和高度b的矩形截面。该芯的围绕开口5的内壁涂覆有导电涂层3，例如金属贴面veneer。在这个示例中，波导的外壁还涂覆有金属镀层4，金属镀层4可以是相同的金属并具有相同的厚度。该外涂层使波导增强了对外部机械或化学应力的抵抗。图7示出了类似于图6的替选波导，但在外表面上没有导电涂层。可以实现各种技术以在芯的内面以及可能的外面上沉积金属涂层。然而，由于开口的小尺寸、通常需要覆盖的复杂形状以及对开口尺寸以及因此涂层厚度的高精度控制，因此问题是复杂的。例如，已经基于在待覆盖的面上的阴极与浸没充满金属离子的液体中的阳极之间使用电流实现了电沉积方法。例如，YileyHuang等人于2005年7月3日至8日在IEEE华盛顿特区举行的“Antennasandpropagationsocietysymposium”上介绍的“Layer-by-Layerstereolithographyofthree-dimensionalantenna”中的卷1A，第276页，ISBN：978-0-7803-8883-3描述了在通过立体光刻制成的微波部件上进行金属电沉积的方法。由于芯是非导电的，因此该方法需要沉积可以用作阴极的中间导电层。该中间层的沉积是困难的；在该出版物中，该中间导电层是以约50微米的导电墨的形式。该出版物没有描述如何在难以到达的位置——例如在长而窄的通道中部——沉积均匀的墨层和电沉积金属层。在波导内的阴极的难以到达的部分的电连接也是成问题的。为此，有时优选的是没有电流的化学沉积方法。该方法将要镀覆的部分连续浸没一个或更多个含有试剂的槽中，试剂引发化学反应，导致所选金属材料例如铜、金、银、镍等沉积在要覆盖的表面上。沉积的效率和动力取决于许多因素，包括要涂覆的表面附近的不同槽中的试剂和金属离子的浓度。然而，在本发明的背景下进行的测试表明，在没有电流的情况下，导电金属在形状复杂的波导通道的壁上的化学沉积具有至少两个困难：首先，频繁出现在波导通道中的产生的气泡经常导致在一些表面上的镀覆不足或甚至完全没有镀覆。气泡阻止液体的试剂和要覆盖的表面的某些部分之间的任何接触。在距端部一定距离处的通道中间的气泡很难离开通道。然后，液体试剂倾向于在波导的通道中停滞。然后化学沉积反应迅速消耗通道中的停滞液体的所有试剂。当所有试剂都已被消耗时，沉积反应停止，这使得波导通道存在镀覆缺陷或镀覆厚度不足且不规则。这些缺陷在长度大、截面小的通道中尤为重要；在这种情况下，通道的中间特别可能使试剂在沉积期间停滞，并且无法被良好地覆盖。已经引用的文献US20120084968通过制造具有金属化半壳的长而窄的通道然后组装在一起来弥补该缺点。然而，使用半壳的通道的制造更久，因为它需要额外的组装步骤，并且结果是质量较低，因为两个半壳之间的槽可能干扰信号传输。发明内容本发明的目的是提供一种用于制造波导装置的方法，该方法没有上述限制。本发明的另一个目的是提供一种根据该方法制造的波导装置，该波导装置不受上述波导装置的限制。根据本发明，这些目的尤其通过包括以下步骤的波导装置制造方法来达到：制造导电或非导电材料的芯，所述芯具有侧壁，侧壁具有外表面和内表面，内表面限定波导通道；通过浸没在试剂流体中在内表面上沉积导电金属层；所述芯在所述侧壁的所述外表面和内表面之间具有至少一个孔，特别用于促进所述浸没期间所述通道中的气泡的排出和流体的流动。波导装置在本申请中被理解为意指包括如下中空通道的任何装置，该中空通道由导电壁界定并用于在通道中引导RF电磁波，例如用于远距离电磁信号传输、滤波、能媒天线中的接收和发射、模式转换、信号分离、信号重组等。本发明特别涉及能够在频带L、S、C、X、Ku、K、Ka、Q、V、W、F、D或G中工作的装置。一个或多个孔通过防止气泡在通道中积聚而允许更均匀的导电金属沉积，并且允许在沉积期间改进波导的内部和外部之间的流体交换。这些孔特别适用于防止试剂在小截面的长波导通道的中间附近停滞，并且允许任何气泡离开通道的该部分。围绕波导通道的侧壁优选地在单个操作中被金属化。这避免了在金属化之后在组装的壁之间存在槽。为此，孔有利地设置在通过增材工艺制造的波导通道的侧壁中。在闭合通道的所有内表面上电镀金属层。假设将波导通道分成具有相同长度的三个纵向部分，则有利地在中间部分中设置至少一个孔。通道的截面远大于一个或多个孔的截面，这因而仅略微干扰射频性能，例如波导的传输效率。一个或多个孔优选地垂直于其穿过的壁而延伸。一个或多个孔优选地垂直于通道的主方向而延伸。芯的制造可以包括增材制造步骤，例如立体光刻制造步骤。术语“增材制造”描述了根据存储在计算机介质上并定义部件的模型的计算机数据，通过增材材料来制造该部件的任何工艺。除了立体光刻之外，该术语还指通过固化或凝结液体或粉末的其他制造方法，这些方法包括但不限于喷墨方法粘合剂喷射、DED直接能量沉积、EBFF电子束自由成型制造、FDM熔融沉积成型、PFF塑料自由成型、气溶胶、BIP弹道颗粒制造、粉末床、SLS选择性激光烧结、ALM增材剂层制造、聚合物喷射polyjet、EBM电子束熔融、光聚合等。该方法可以包括对芯进行表面处理以促进导电金属层的附着的步骤。表面处理可以包括表面粗糙度的增加和或中间接合层的沉积。增材制造步骤可以产生已经包括一个或更多个孔的芯。因此，孔的形状和位置由用于芯的增材打印的计算机文件限定。在一个变型中，在增材制造步骤之后钻一个或多个孔。然而，该变型包括附加的步骤。在沉积步骤期间，可以金属化孔的边缘。可以在金属化之后例如通过插入销或填充导电胶使孔再次闭合。在沉积步骤期间，可以将装置的外面金属化。因此，该装置具有更大的机械刚性并且免受来自外部的机械和化学冲击。导电金属沉积优选地通过化学工艺进行而不使用电流。本发明还涉及一种通过该方法制造的波导装置，该波导装置包括：非导电材料的芯，所述芯具有侧壁，侧壁具有外表面和内表面，内表面限定波导通道；内表面上的导电金属层；所述外表面和内表面之间的至少一个孔。附图说明在附图所示的描述中指示了本发明的实现示例，其中：图1示出了具有矩形截面的常规波导装置的截断透视图。图2示出了图1的装置中的磁场线和电场线。图3示出了具有圆形截面的常规波导装置的截断透视图。图4示出了图3的装置中的磁场线和电场线。图5示出了波导装置中传输通道的不同可能截面。图6示出了通过增材制造而制造的矩形截面波导装置的截断透视图，该波导装置的内壁和外壁二者用导电材料沉积覆盖。图7示出了通过增材制造而制造的矩形截面波导装置的截断透视图，其中波导装置仅内壁用导电材料沉积覆盖。图8示出了通过增材制造而制造的矩形截面波导装置的透视图，波导装置的内壁被穿孔，用于在沉积期间排出气泡和使流体循环。图9示出了通过增材制造而制造的圆形截面波导装置的透视图，波导装置的内壁被穿孔，用于在沉积期间排出气泡和使流体循环。图10通过示出针对每个截面所考虑的典型尺寸Ts而展示了波导装置中通孔的不同可能截面。图11是示出根据传输频率和孔的直径、由矩形截面波导装置的大壁中的可变直径的单个孔产生的分贝衰减的曲线图。图12是示出根据传输频率和孔的直径、由矩形截面波导装置的小壁中的单个可变直径孔产生的分贝衰减的曲线图。图13是示出了根据传输频率和孔的直径、由矩形截面波导装置的大壁中的两个可变直径孔产生的分贝衰减的曲线图。图14示意性地示出了可以使用本发明的方法制造的示例性波导装置。具体实施方式图7示出了根据本发明的波导装置1的透视图，在这种情况下波导装置具有矩形截面。波导装置1包括通过增材制造——例如通过立体光刻法——所制造的诸如聚合物例如环氧树脂或陶瓷的非导电材料的芯2。该芯界定了针对波导设计的并且其截面根据要发射的电磁信号的频率而被确定的内部通道5。该内部通道a、b的尺寸及其形状根据装置1的工作频率而被确定，该频率即针对其制造该装置并且对于其获得稳定的且可选地具有最小衰减的传输模式的电磁信号的频率。芯5例如通过立体光刻被一体制成。芯也可以由通过立体光刻形成的几个部分组成，这几个部分在镀覆之前例如通过胶合或热熔合组装在一起。芯2的内表面20界定通道5。内表面20利用在没有电流的情况下通过化学沉积镀覆的导电材料未示出的沉积而被涂覆，例如铜、银、金、镍等。该导电涂层的厚度必须足以使表面在所选择的射频处导电。这通常使用被沉积在波导内壁上的导电层来实现，该导电层的厚度至少等于趋肤深度skindepthδ：其中μ是镀覆金属的磁导率，f是要发送的信号的射频，并且σ是镀覆金属的电导率。该厚度在所有内表面20上基本恒定，以获得通道5的具有精确尺寸容差的成品部分。厚度优选地大于1μm。围绕芯2的外表面21也可以利用相同材料的沉积或另一种材料的沉积而被涂覆，或者是裸露的。通过将芯5浸没一系列连续的浴通常为5至15个浴中来完成导电金属3在内面20和可能的外面21上的沉积。每个浴包含具有一种或更多种试剂的流体。沉积不需要在要覆盖的芯上施加电流。通过搅拌流体、例如通过在传输通道5中和或在装置周围泵送流体或通过例如利用用于产生超声波的超声波振动装置来振动芯5和或流体罐，来获得搅拌和规则沉积。根据本发明的一个方面，一个或更多个通孔7穿过内表面与外表面21之间的芯2，以允许通道5与装置1周围的环境之间的流体连通。在该图所示的示例中，在内部宽度b的大壁上设置有若干可变截面的孔，并且在高度a的小壁上也设置有若干可变截面的孔7。然而，也可以仅在大壁上或仅在小壁上或在任何数量的壁上设置孔。可以在每个壁上设置0个、1个或N个孔。通孔7的截面和它们的形状可以相同或不同。图8示出了具有内部引导通道5的替选波导装置1，该内部引导通道5具有圆形截面并且设置有通孔7，用于在浸没期间在通道5和外部之间进行流体交换。图9示出了具有内部引导通道5的替选波导装置1，内部引导通道5具有矩形截面，然而通道5是波纹状的而不是平行六面体。其也设有通孔7，用于在浸没期间在通道5和外部之间进行流体交换。在所有这些示例中，孔垂直于内表面与外表面21并且垂直于通道5延伸的主方向而延伸。也可以制造以一定角度定向的孔。孔7的尺寸、它们的形状、它们的定向、它们的间距、它们在内表面与外表面上的分布、它们的数量和它们的密度特别地影响以下特征：●在芯2上沉积导电表面期间去往和来自通道5的流体交换效率。●在沉积步骤期间将气泡排出通道5的效率。●波导装置的性能，例如所发射的信号的衰减或由孔引起的其他信号干扰。图11示出了由50mm长的单个圆形截面孔7产生的针对不同传输频率的RF信号分贝衰减，该孔被设置成穿过矩形截面波导装置的大壁中之一。不同的曲线对应于具有不同直径的孔7。在示出了Ka波段波导的示例的图11中可以看出，对于0.6mm和0.7mm直径的孔，衰减可以忽略不计，但是自此迅速增加。绝对值取决于波导装置的类型及其尺寸。然而，该图示出了可以考虑使用足够大小的孔用于所描述的目的而不影响装置的工作。图12示出了由与图11中相同的单个孔7产生的RF信号分贝衰减，但是该孔被设置成穿过相同波导装置的小壁中之一。不同的曲线对应于孔7的不同直径。可以看出，衰减也随着孔的直径而增加，但是仍然小于孔被设置在宽度b的大壁中之一中时的衰减。该模拟表明，通常优选的是，至少在TE10传输模式下的矩形截面装置的情况下，在波导装置的小壁上设置孔可能是通孔。图13示出了在与图11的装置相同的装置中由两个孔7产生的RF信号的分贝衰减，这些孔被设置成穿过大波导壁中之一。不同的曲线对应于不同直径的孔7。同样，电磁信号的衰减通常趋于随着孔的直径而增加。然而，其也高度依赖于频率，这表明传输模式在某些频率处的干扰。通常，内壁20和外壁21之间的孔7的尺寸影响装置的射频性能。然而，如果孔的典型尺寸Ts小于装置的工作频率下的自由空间中波长λ的三分之一，则这种性能下降是可接受的：Tsλ3在优选实施方式中，孔的典型尺寸Ts小于Ts的五分之一。图10中示出了通孔7的各种可能的截面，其还示出了针对每个形状要考虑的典型尺寸Ts。在矩形截面通道5的情况下，典型尺寸是高度b即较小壁的垂直于通道主方向的尺寸。在具有圆形截面的通道5的情况下，典型尺寸Ts由直径构成。在图10中示出了其他典型尺寸。图14示意性地示出了可以用本发明的方法制造的示例性波导装置1。在该非限制性示例中，波导装置1是包括喇叭筒10和形成波束整形网络的传输部分的天线阵列。所有内表面必须金属化，即用金属沉积涂覆。芯5通过聚合物或陶瓷或两者的组合中的增材制造——例如通过立体光刻——来被制造。装置1具有孔7，这些孔可以通过增材制造工艺直接获得，或者其中一些孔是之后钻孔而获得。本发明还涉及一种制造方法，包括：将表示如上所述的波导装置的芯2的形状的数据输入计算机中；使用这些数据通过增材制造实现波导装置芯。此外，本发明还涉及一种计算机数据介质，其包含要由用于制造物体的增材制造装置读取的数据，所述数据表示波导装置1的芯的形状，所述芯具有侧壁，侧壁具有外表面21和内表面20，内表面限定波导通道5；所述芯在所述外表面和所述内表面之间具有至少一个孔7。计算机数据介质可以由例如硬盘、闪存、虚拟盘、USB密钥、光盘、网络中的存储介质或云类型的存储介质等构成。

权利要求：1.一种制造波导装置1的方法，所述方法包括以下步骤：制造具有侧壁的芯2，所述侧壁具有外表面21和内表面20，所述内表面限定波导通道5；通过浸没在试剂流体中，在所述内表面20上沉积导电金属层3；其特征在于，所述芯2包括在所述外表面和所述内表面之间的至少一个孔7，所述至少一个孔特别用于在所述浸没期间促进所述通道5中的气泡的排出和或流体流通。2.根据权利要求1所述的方法，所述通道5具有比所述孔7更大的截面。3.根据权利要求1至2中的一项所述的方法，一个或多个所述孔7的典型尺寸Ts小于所述装置的工作频率下的自由空间中的波长λ的三分之一。4.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，一个或多个所述孔7的典型尺寸Ts小于2毫米。5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，一个或多个所述孔7垂直于所述壁20，21并且垂直于所述通道的主方向而延伸。6.根据权利要求1至5中的一项所述的方法，所述芯5的制造包括增材制造步骤。7.根据权利要求6所述的方法，所述芯的制造通过立体光刻实现。8.根据权利要求1至7中的一项所述的方法，包括所述芯5的表面处理步骤，以促进所述导电金属层的接合。9.根据权利要求1至8中的一项所述的方法，所述导电金属沉积3在不使用电流的情况下通过化学工艺执行。10.根据权利要求6至9中的一项所述的方法，所述增材制造步骤制造包括一个或多个所述孔7的芯。11.根据权利要求6至9中的一项所述的方法，所述孔7在所述增材制造步骤之后被钻孔。12.根据权利要求1至11中的一项所述的方法，所述芯5包括在所述内壁和所述外壁20，21之间的多个所述孔7，每个孔的直径小于1mm。13.根据权利要求1至12中的一项所述的方法，所述沉积包括将流体泵送通过所述至少一个孔7的步骤。14.一种波导装置1，包括：具有侧壁的芯5，所述侧壁具有外表面21和内表面20，所述内表面限定波导通道5；所述内表面20上的导电金属层3；在所述外表面和所述内表面之间的至少一个孔7。15.根据权利要求14所述的装置，所述通道5具有比所述孔7更大的截面。16.根据权利要求14至15中的一项所述的装置，一个或多个所述孔7的典型尺寸Ts小于所述装置的工作频率下的自由空间中的波长λ的三分之一。17.根据权利要求14至16中的一项所述的装置，一个或多个所述孔7的典型尺寸Ts小于1.6毫米。18.根据权利要求14至17中的一项所述的装置，所述孔垂直于所述壁并且垂直于所述通道的主方向而延伸。19.一种制造方法，包括：输入表示波导装置1的芯的形状的数据，所述芯具有侧壁，所述侧壁具有外表面21和内表面20，所述内表面限定波导通道5；所述芯包括在所述外表面和所述内表面之间的至少一个孔7；使用所述数据以通过增材制造实现所述波导装置的芯。20.一种计算机数据介质，包含要由用于制造物体的增材制造装置读取的数据，所述数据表示波导装置1的芯的形状，所述芯具有侧壁，所述侧壁具有外表面21和内表面20，所述内表面限定波导通道5；所述芯包括在所述外表面和所述内表面之间的至少一个孔7。

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