用于復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,用來在低成本、小型桌面打印機的幫助下實現(xiàn)復雜結構的寬帶相控陣和新型人工電磁材料(metamaterial)設計。通過對室溫下3D打印的塑料和導電油墨的樣品進行頻率表征,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。為了實現(xiàn)更低的等效介電損耗,聚乳酸的內(nèi)部結構可以有多樣的設計,這也擴展了其在高頻方面的應用。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)的基礎上,驗證了在毫米波頻段的高導電率。3D打印了一個單極子Wi-Fi天線并進行了測試。測量得到的增益方向圖和由電磁計算模型得到的結果非常吻合。下一步的工作將是建立和測試一個復雜的具有電功能的相控陣和一個復雜的新型人工電磁材料結構,并且通過測量驗證其仿真結果。

來自國防和情報部門的越來越多的需求要求使用創(chuàng)新的方法,在很短時間內(nèi)將更低成本、更小尺寸、更隱蔽的裝備交到軍人的手上。為了靈活地應對這些挑戰(zhàn),經(jīng)過一個低成本的3D打印機的單次自動化加工過程,就可以同時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給出了用于這些實驗的Voxel8 3D打印機。

材料表征

為了設計天線和射頻電路,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3D打印的介質(zhì)套筒確定,這個介質(zhì)套筒滿足7mm同軸空氣管標準。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?。另外打印了圓柱體塊,截面分別是直線和同心圓環(huán),用來測試填充圖案對于材料特性的影響。接著,對所有的圓柱體進行進一步加工,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構和尺寸。

利用是德科技的網(wǎng)絡分析儀結合一個材料表征軟件測量了介電常數(shù)和損耗角正切。同時還用到了反射/傳輸介電常數(shù)和磁導率多項式擬合技術。這項技術很好地將材料性質(zhì)擬合為一個迭代多項式模型,迭代結果可以使得從多項式計算得到的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果以供討論。其他顏色的聚乳酸材料表征結果在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性質(zhì),可以看到從直流到18GHz時,其電學性質(zhì)隨打印方向的變化只有非常微小的變動。測量結果暗示了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用中都是不切實際的,這可以歸因于結構和環(huán)境因素,但是從這些實驗可以看到利用定制材料實現(xiàn)預期參數(shù)的可能性。

雖然通過打印線證明可以實現(xiàn)更低的體電阻率,但Voxel8仍規(guī)定他們獨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小時之后進行,通過激光輪廓儀測量它們的橫截面,同時使用4點探針測量它們的電阻值。為了驗證打印的射頻器件的這些直接的導電率測量結果,在CST電磁計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4英寸的微帶電路(塑料、基板和導電線)樣品,MITRE公司添加了同軸連接器和一個用來支撐連接器的鋁板。Voxel8公司的銀墨水由注射器導出,代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊接,作為導電粘合劑使連接器和微帶線接觸。通過圖7可以看到測試結果和仿真結果非常吻合。

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。這個額外的損耗是由于3D打印的銀線表面的粗糙度(19微米)導致的,銀線表面的粗糙度遠遠高于傳統(tǒng)的沉積銅的粗糙度(0.5微米)。當設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3D打印的微帶線進行了重新仿真,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

加工了一個簡單的打印單極子Wi-Fi天線并進行了測試。為了驗證這個過程的可重復性,選擇了三種不同的打印機在三個不同的時間點打印出三個樣品。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果吻合得很好,同時從圖8可以看出這個過程確實是可重復的。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對稱的全向波束,和圖9中給出的仿真結果十分吻合。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溫度。MITRE將3D打印的天線加載30W功率5分鐘后,天線的電學表現(xiàn)和結構完整性方面均沒有不良反應。

3D打印——復雜結構

材料疊加制造在實現(xiàn)復雜設計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用和運營效益。MITRE現(xiàn)在正在探索一個高性能的3D打印新型人工電磁材料結構和一個3D打印寬帶相控陣設計的潛力。

3D打印新型人工電磁材料的結構

新型人工電磁材料是由亞波長結構構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)。其中一個特殊性質(zhì)就是負折射率。在許多已發(fā)表的論文中,新型人工電磁材料的設計需要入射電場在某一個方向上偏振,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,這種材料將可以對多種極化的入射波進行響應。

早期的負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現(xiàn)的。開口諧振環(huán)引起了負磁導率,短截線產(chǎn)生了負介電常數(shù)。當這兩種結構結合在一起的時候,負折射率就實現(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)結構,稱為S形的開口諧振環(huán),這種結構在參考文獻6中首先被提出。這種結構與開口諧振環(huán)和短截線結合的結構具有類似的性質(zhì)。同理,電場需要和某一特定方向一致,也就是說電場應沿著S形開口諧振環(huán)的長軸方向,同時磁場必須穿過線圈。

MITRE雙軸新型人工電磁材料就是基于S形開口諧振環(huán)結構的。在這個設計中,將單元正交交叉放置是一個非常有趣的特征。這種新型人工電磁材料由交叉的三維晶格構成,這對3D打印技術來說是相對容易的,然而對于傳統(tǒng)的工藝來說是很難實現(xiàn)的。正交的結構允許新型人工電磁材料對于不同極化的電場保持應有的性質(zhì),如負折射率。而傳統(tǒng)的結構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)。當在一個移動的平臺上使用新型人工電磁材料的時候,入射場的極化和方向是未知的,這時就很容易看出這種改進的新型人工電磁材料的優(yōu)點。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給出的仿真結果。根據(jù)Nicolson-Ross-Weir方法,負折射率的大小可以由反射和傳輸系數(shù)計算得到。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小的測試樣品,這個樣品是由Voxel8公司多材料3D打印機打印的。當幾個樣品被放置在波導固定裝置中時,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雜的設計。它是基于一種物理不可實現(xiàn)的印刷電路板(PCB)設計。這種設計類似一種裝雞蛋的條板箱結構,具有連續(xù)的電氣連接(交指結構),交指結構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為是唯一的可以實現(xiàn)這種設計的方法。Voxel8公司打印了陣列中間的交叉結構的樣品。通過CT掃描可以看到所有交指結構的細節(jié)。設計的細節(jié)將在未來的文章中進行詳細的討論。目前我們正在建立一個有限尺寸的陣列,在MITRE公司進行測量。

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