案例 l 3D打印陶瓷介质谐振天线如何满足小型化、宽频带、低损耗的性能要求

根据3D科学谷的市场观察,3D打印在天线制造方面具有两大技术逻辑:3D打印实现更复杂更精致的结构提升天线性能;3D打印实现轻量化、结构一体化的天线结构更节约材料与空间占用、更紧凑。

目前3D打印天线的材料种类繁多,大致包括混合材料(金属油墨与非导电材料的混合等等)、陶瓷、金属及高分子材料。目前市场上通过3D打印开发天线部件的案例正在涌现,这些案例背后具有一定的技术逻辑支撑,一旦获得商业化的可行性,将获得更加广泛的普及。

3D科学谷将分享法国电子、天线系统和电信实验室通过3D打印陶瓷技术开发介质谐振器天线部件的案例,以此来感受陶瓷3D打印技术在这一细分领域的应用逻辑。

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block 天线的小型化、宽频带、低损耗

随着无线通信事业的飞速发展,对于天线的小型化、宽频带、低损耗等性能提出了更高的要求。虽然各种各样的微带天线因其低剖面、轻质量等优点,已经得到了深入的研究和广泛的应用,但由于在高频段金属欧姆损耗高和在低频段天线几何尺寸大这两个关键性技术瓶颈的存在,其发展和应用受到了一定的限制。近年来,介质谐振器天线由于良好的性能而受到了广泛的关注和研究。[1]

介质谐振器天线是一种谐振式天线,由低损耗的微波介质材料构成,它的谐振频率由谐振器尺寸、形状和相对介电常数所决定。[1]

介质谐振器天线的设计与外形呈现出多种多样的形式。Sun G L等学者提到,在天线的外形结构方面,介质天线具有灵活的馈电方式和较高的设计自由度,因此目前有很多形状各异的介质天线[2]

3D打印技术在实现精细复杂的异形结构、一体化功能集成结构方面所具有的优势,与介质谐振器天线设计自由度较高的需求相得益彰。

block 兼得共振频率与小型化设计

法国电子、天线系统和电信实验室(LEAT,以下简称实验室),正在立志于研发小型化、低损耗的设备。为了达到这一目标,该实验室正在研究S波段天线(频率范围2-4 GHZ)和介质谐振天线(DRA)。

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常规天线由两部分组成,一部分用于支持下行卫星通信,另一部分用于上行卫星通信,这两部分需要两个谐振频率不同的介质谐振器。

介质谐振器在天线设备中起着巨大的作用:它们通过对空间能量的重新分配,定向地放大信号,从而提高其传播距离。介质谐振器通常由陶瓷材料制成,如氧化锆,因为此材料具有较高的介电常数和较小的损耗。对于每个频率标准,都需要一个特定的谐振器,其介电常数由材料和独特的设计决定。然而,想要同时兼得共振频率与小型化设计是一项大挑战。

Raise_Wireless© Raise3D 复志科技

在研发过程中,由于工程师要不断测试部件设计的可行性。3D打印技术能够满足实验室定制开发具有不同设计,且功能集成的紧凑型介质谐振天线部件的需求。这为实验室的研发工作更顺畅地推进提供了保障。

block 初步研发结果有所突破

为了开发出理想的介质谐振天线,LEAT选择了具有优异介电性能的Nanoe Zetamix白色氧化锆3D打印线材:介电常数ε=30和低损耗:Tanδ=10-3。

另外,为了达到部件尺寸与不同部位之间介电常数的合适比例,工程师们选择了Raise3D复志科技的Pro2 FDM/FFF 3D打印机,该设备与Nanoe 3D打印陶瓷线材能够完美兼容。这一3D打印技术,能够帮助工程师制造出具有控制孔隙率的陶瓷部件。

Raise_Wireless_Part© Raise3D 复志科技

Pro2最小喷嘴直径可达0.2mm,最小层高可精确至0.01 mm,且运行非常稳定,可帮助实验室在研发过程中稳定的产出高精度陶瓷介质谐振天线部件。

打印完成后,经过脱脂和烧结处理,陶瓷部件的致密度高达99%

Raise_Pro2正在打印中的Pro2 3D打印机

© Raise3D 复志科技

实验室在打印介质谐振天线部件时,选择了0.1mm的层高,设置了2个密度分别为25%和95%的螺旋体填充。在打印完成后,进行了2小时溶剂脱脂,并以1450℃在烧结炉中进行烧结。

部件完成制作后,实验室在一个小型微波暗室中通过添加2个射频连接器,对放置在地板上的这些部件进行了测试。介质谐振器被激励于测试频段,其全频段的3D辐射特性通过在暗室中旋转天线获得。

初步测试结果显示这个定制的介质谐振器天线具有很高的辐射效率,与仿真结果相吻合。此外,天线的工作带宽向高频(2600MHz)偏移,可以在后续的天线设计中对其进行优化。

Raise_Wireless_Test© Raise3D 复志科技

随着工业和公众需求的增加,电信行业将会继续蓬勃发展,对于天线的小型化、宽频带、低损耗等性能也将提出更高的要求。通过此次3D打印介质谐振天线的成功尝试,法国电子、天线系统和电信实验室已经准备好迎接更多的挑战。

[1] 廖昆明,吴毅强、陈力.超宽频单极子陶瓷介质谐振器天线设计与仿真. 电子元件与材料.30卷第9期。

[2] Sun G L, Tao Z G,Zhang B,et al, Application of Beidou satellite communication technology in the landslide remote monitoring and early warning system. Advanced Materials Research.2014,945:2150-2154.

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