用于復(fù)雜相控陣和新型人工電磁材料的3D打印材料的表征

2016-12-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

MITRE公司正在調(diào)研新一代材料疊加制造的潛力,即3D打印技術(shù),用來在低成本、小型桌面打印機(jī)的幫助下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的寬帶相控陣和新型人工電磁材料(metamaterial)設(shè)計(jì)。通過對(duì)室溫下3D打印的塑料和導(dǎo)電油墨的樣品進(jìn)行頻率表征,表明聚乳酸的介電常數(shù)和損耗角正切在18GHz以下都表現(xiàn)得非常穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)更低的等效介電損耗,聚乳酸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以有多樣的設(shè)計(jì),這也擴(kuò)展了其在高頻方面的應(yīng)用。近一步加工了微帶線樣品,并在仿真和測量的插入損耗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,驗(yàn)證了在毫米波頻段的高導(dǎo)電率。3D打印了一個(gè)單極子Wi-Fi天線并進(jìn)行了測試。測量得到的增益方向圖和由電磁計(jì)算模型得到的結(jié)果非常吻合。下一步的工作將是建立和測試一個(gè)復(fù)雜的具有電功能的相控陣和一個(gè)復(fù)雜的新型人工電磁材料結(jié)構(gòu),并且通過測量驗(yàn)證其仿真結(jié)果。

來自國防和情報(bào)部門的越來越多的需求要求使用創(chuàng)新的方法,在很短時(shí)間內(nèi)將更低成本、更小尺寸、更隱蔽的裝備交到軍人的手上。為了靈活地應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),經(jīng)過一個(gè)低成本的3D打印機(jī)的單次自動(dòng)化加工過程,就可以同時(shí)擁有金屬成形和聚合物沉積的能力,這開啟了新一代快速原型制造系統(tǒng)的大門。MITRE公司在3D打印制造商Voxel8的幫助下,正在調(diào)研用于高性能天線和射頻器件的多材料疊加制造或者3D打印電子器件的適用性。圖1給出了用于這些實(shí)驗(yàn)的Voxel8 3D打印機(jī)。

材料表征

為了設(shè)計(jì)天線和射頻電路,需要在工作頻段明確定義電氣性能。介質(zhì)材料的特性通過測量一個(gè)3D打印的介質(zhì)套筒確定,這個(gè)介質(zhì)套筒滿足7mm同軸空氣管標(biāo)準(zhǔn)。為了研究不同顏料、打印方向和填充密度的影響,測試了很多樣品(圖2)。

首先,用四種不同顏色的聚乳酸材料3D打印出一個(gè)固體立方塊。然后從立方塊的不同方向切出圓柱體,用以測試打印方向?qū)τ诓牧咸匦缘挠绊憽Ａ硗獯蛴×藞A柱體塊,截面分別是直線和同心圓環(huán),用來測試填充圖案對(duì)于材料特性的影響。接著,對(duì)所有的圓柱體進(jìn)行進(jìn)一步加工,使其擁有不同的內(nèi)徑、外徑和樣品長度,讓它們能夠放進(jìn)圖3中的同軸空氣管測試夾具中。表1給出了每一種樣品的結(jié)構(gòu)和尺寸。

利用是德科技的網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)合一個(gè)材料表征軟件測量了介電常數(shù)和損耗角正切。同時(shí)還用到了反射/傳輸介電常數(shù)和磁導(dǎo)率多項(xiàng)式擬合技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)很好地將材料性質(zhì)擬合為一個(gè)迭代多項(xiàng)式模型,迭代結(jié)果可以使得從多項(xiàng)式計(jì)算得到的S參數(shù)和測量得到的S參數(shù)的區(qū)別非常小。為了簡潔,這里僅僅給出了灰色樣品的測量結(jié)果以供討論。其他顏色的聚乳酸材料表征結(jié)果在Voxel8的網(wǎng)站上可以找到。圖4給出了擠壓后的聚乳酸的電學(xué)性質(zhì),可以看到從直流到18GHz時(shí),其電學(xué)性質(zhì)隨打印方向的變化只有非常微小的變動(dòng)。測量結(jié)果暗示了Voxel8開發(fā)庫中的聚乳酸灰色材料的平均介電常數(shù)是2.75,平均損耗角正切為0.015。

在一些其它應(yīng)用中,還需要更低的介電常數(shù)和損耗角正切。具有低固有介電常數(shù)的聚合物,如PTFE(聚四氟乙烯),通常來說都沒有適合3D打印的理想的熱處理特性。為了緩解這類問題,Voxel8打印出一種介質(zhì)圓柱體,它是由同心環(huán)組成的,同時(shí)同心環(huán)之間由空氣縫隙代替原有的固體填充,如圖5所示。樣品中填充空氣孔,在自然色情況下需要0.61g,在橙色情況下需要0.59g。而樣品中全部填充固體,在自然色情況下需要0.92g,在橙色情況下需要0.94g。這些空氣孔填充的樣品具有介于自由空氣(εr=1,tanδ=0)和聚乳酸(εr=2.75,tanδ=0.015)之間的等效介電常數(shù),如圖6所示。介質(zhì)基板中存在空氣孔在很多應(yīng)用中都是不切實(shí)際的,這可以歸因于結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素,但是從這些實(shí)驗(yàn)可以看到利用定制材料實(shí)現(xiàn)預(yù)期參數(shù)的可能性。

雖然通過打印線證明可以實(shí)現(xiàn)更低的體電阻率,但Voxel8仍規(guī)定他們獨(dú)有的銀墨水的體電阻率為5.0×10-7Ω-m。打印線的測試在干燥八個(gè)小時(shí)之后進(jìn)行,通過激光輪廓儀測量它們的橫截面,同時(shí)使用4點(diǎn)探針測量它們的電阻值。為了驗(yàn)證打印的射頻器件的這些直接的導(dǎo)電率測量結(jié)果,在CST電磁計(jì)算工具中用測量到的基板材料的介電常數(shù)建立了一段阻抗為50歐姆的微帶傳輸線模型。

Voxel8公司打印了兩個(gè)4英寸的微帶電路(塑料、基板和導(dǎo)電線)樣品,MITRE公司添加了同軸連接器和一個(gè)用來支撐連接器的鋁板。Voxel8公司的銀墨水由注射器導(dǎo)出,代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接,作為導(dǎo)電粘合劑使連接器和微帶線接觸。通過圖7可以看到測試結(jié)果和仿真結(jié)果非常吻合。

在4英寸的樣品中,相比于在傳統(tǒng)PCB基板上用半盎司銅沉積的微帶模型(圖7),3D打印的微帶線在12GHz處有1dB的額外損耗。這個(gè)額外的損耗是由于3D打印的銀線表面的粗糙度(19微米)導(dǎo)致的,銀線表面的粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的沉積銅的粗糙度(0.5微米)。當(dāng)設(shè)定了低一些的粗糙度(0.5微米)和與Voxel8銀墨水同樣的測量電阻率后,又對(duì)3D打印的微帶線進(jìn)行了重新仿真,兩者在12GHz處的仿真損耗的差別減少到了0.5dB。

Wi-Fi天線測量

加工了一個(gè)簡單的打印單極子Wi-Fi天線并進(jìn)行了測試。為了驗(yàn)證這個(gè)過程的可重復(fù)性,選擇了三種不同的打印機(jī)在三個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)打印出三個(gè)樣品。樣品和同軸電纜之間的連接還是利用注射器添加了一滴Voxel8的銀墨水。測量的駐波比和仿真結(jié)果吻合得很好,同時(shí)從圖8可以看出這個(gè)過程確實(shí)是可重復(fù)的。在MITRE天線暗室中還測量了樣品的輻射方向圖。在測試中可以看到一個(gè)對(duì)稱的全向波束,和圖9中給出的仿真結(jié)果十分吻合。最后,天線被放置在極端溫度-40度到60度的條件下,測量的方向圖和駐波比在溫度循環(huán)變化的過程中并沒有產(chǎn)生任何明顯的變化。

當(dāng)天線暴露在極端的外部環(huán)境中之后,測量了其在高功率傳輸下的電導(dǎo)溫度。MITRE將3D打印的天線加載30W功率5分鐘后,天線的電學(xué)表現(xiàn)和結(jié)構(gòu)完整性方面均沒有不良反應(yīng)。

3D打印——復(fù)雜結(jié)構(gòu)

材料疊加制造在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)和靈活加工方面開啟了一扇新的大門,獲得了越來越多的應(yīng)用和運(yùn)營效益。MITRE現(xiàn)在正在探索一個(gè)高性能的3D打印新型人工電磁材料結(jié)構(gòu)和一個(gè)3D打印寬帶相控陣設(shè)計(jì)的潛力。

3D打印新型人工電磁材料的結(jié)構(gòu)

新型人工電磁材料是由亞波長結(jié)構(gòu)構(gòu)成的一種新型電磁材料,它們擁有自然界沒有的特殊性質(zhì)。其中一個(gè)特殊性質(zhì)就是負(fù)折射率。在許多已發(fā)表的論文中,新型人工電磁材料的設(shè)計(jì)需要入射電場在某一個(gè)方向上偏振,以便激發(fā)新型人工電磁材料卓越的特性。MITRE正致力于雙軸新型人工電磁材料的研究,這種材料將可以對(duì)多種極化的入射波進(jìn)行響應(yīng)。

早期的負(fù)折射率新型人工電磁材料是由開口諧振環(huán)(SRR)和短截線組成的晶格實(shí)現(xiàn)的。開口諧振環(huán)引起了負(fù)磁導(dǎo)率,短截線產(chǎn)生了負(fù)介電常數(shù)。當(dāng)這兩種結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的時(shí)候,負(fù)折射率就實(shí)現(xiàn)了。然而,這種性質(zhì)只在入射電場與短截線方向一致,同時(shí)磁場穿過開口諧振環(huán)的情況下才可以觀察到,如圖10a所示。圖10b給出了另一種變化的開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu),稱為S形的開口諧振環(huán),這種結(jié)構(gòu)在參考文獻(xiàn)6中首先被提出。這種結(jié)構(gòu)與開口諧振環(huán)和短截線結(jié)合的結(jié)構(gòu)具有類似的性質(zhì)。同理,電場需要和某一特定方向一致,也就是說電場應(yīng)沿著S形開口諧振環(huán)的長軸方向,同時(shí)磁場必須穿過線圈。

MITRE雙軸新型人工電磁材料就是基于S形開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的。在這個(gè)設(shè)計(jì)中,將單元正交交叉放置是一個(gè)非常有趣的特征。這種新型人工電磁材料由交叉的三維晶格構(gòu)成,這對(duì)3D打印技術(shù)來說是相對(duì)容易的,然而對(duì)于傳統(tǒng)的工藝來說是很難實(shí)現(xiàn)的。正交的結(jié)構(gòu)允許新型人工電磁材料對(duì)于不同極化的電場保持應(yīng)有的性質(zhì),如負(fù)折射率。而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)只能在電場與某一特定方向一致的情況下才能具有這些性質(zhì)。當(dāng)在一個(gè)移動(dòng)的平臺(tái)上使用新型人工電磁材料的時(shí)候,入射場的極化和方向是未知的,這時(shí)就很容易看出這種改進(jìn)的新型人工電磁材料的優(yōu)點(diǎn)。圖11給出了這種雙軸S形開口諧振環(huán)單元的示意圖。入射電場是水平極化或者垂直極化的時(shí)候,新型人工電磁材料都始終保持相同的特性。

這種雙軸S形開口諧振環(huán)在HFSS中用周期邊界和弗洛奎特端口進(jìn)行了仿真。通帶出現(xiàn)在大約5GHz到5.5GHz的范圍內(nèi),如圖12a給出的仿真結(jié)果。根據(jù)Nicolson-Ross-Weir方法,負(fù)折射率的大小可以由反射和傳輸系數(shù)計(jì)算得到。從圖12b即可看出該新型人工電磁材料在通帶內(nèi),折射率為負(fù)值,在5GHz處大約為-0.3。通帶和折射率的大小還可以通過改變新型人工電磁材料的尺寸來調(diào)節(jié)。

圖13給出了雙軸新型人工電磁材料的一個(gè)小的測試樣品,這個(gè)樣品是由Voxel8公司多材料3D打印機(jī)打印的。當(dāng)幾個(gè)樣品被放置在波導(dǎo)固定裝置中時(shí),即可以測量其反射系數(shù)。

3D打印相控陣

MITRE公司提出了一種寬帶相控陣概念,這種寬帶相控陣具有復(fù)雜的設(shè)計(jì)。它是基于一種物理不可實(shí)現(xiàn)的印刷電路板(PCB)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)類似一種裝雞蛋的條板箱結(jié)構(gòu),具有連續(xù)的電氣連接(交指結(jié)構(gòu)),交指結(jié)構(gòu)在正交的板子的交界面處,如圖14所示。

多材料疊加制造被認(rèn)為是唯一的可以實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)的方法。Voxel8公司打印了陣列中間的交叉結(jié)構(gòu)的樣品。通過CT掃描可以看到所有交指結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)將在未來的文章中進(jìn)行詳細(xì)的討論。目前我們正在建立一個(gè)有限尺寸的陣列,在MITRE公司進(jìn)行測量。

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