通過增材制造工藝和3D功能化實現(xiàn)螺旋天線射頻應用的小型化

來源： 電子工程3D打印

要成功實現(xiàn)“工業(yè)4.0”概念，必須推動寬帶電信網(wǎng)絡的發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳輸大量數(shù)據(jù)(包括移動數(shù)據(jù))的聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量不斷增加。由于數(shù)據(jù)量的不斷增加和對更高數(shù)據(jù)速率的需求不斷增長，高頻技術在越來越多的應用領域變得越來越重要。使用創(chuàng)新性的制造工藝有望滿足未來日益增長的需求，因為與傳統(tǒng)的PCB生產(chǎn)工藝相比，它們具有高度的空間設計自由度和更少的組裝工作量，基板材料選取廣泛和實現(xiàn)高表面質量的金屬化生產(chǎn)。

通常，螺旋天線由纏繞的導電線制成，在更高的頻率基礎上實現(xiàn)了更小的結構。該研究項目是研究使用MID技術的金屬化工藝，實現(xiàn)以較低成本生產(chǎn)具有目標尺寸的多線路螺旋天線。將使用和比較以下制造工藝:激光直接成型、點膠工藝、噴墨打印、氣溶膠噴射和選擇性激光束熔化。對于每種技術，在考慮到應用頻率范圍的前提下，研究多線天線元件可以小型化的程度。考慮到生產(chǎn)成本，可以創(chuàng)建3D-MID技術中生產(chǎn)單個元件的設計路線。

總的來說，對于高頻技術，可以使用MID生產(chǎn)技術制造螺旋天線。然而，重要的是要考慮在各自的頻率范圍內(nèi)使用哪種技術。很明顯，在項目的早期階段，在滿足所需的應用頻率條件下，制造工藝和可用材料不能任意地組合使用。

圖1 不同制造工藝下各自頻段的螺旋天線尺寸比較

考慮到這一點，選擇性激光熔化（SLM）在當前技術水平下對設計自由度的限制性太強。最大的問題是增材制造結構在冷卻過程中表現(xiàn)出過大的內(nèi)部機械應力，導致冷卻后變形。此外，由此產(chǎn)生的表面對于所需頻率來說太過粗糙。

點膠技術在1-2 GHz以上的頻率下使用是不切實際的。這主要是由于印刷結構的過度噴涂導致邊緣精度不足。這將導致導電顆粒在被涂覆介質表面發(fā)生強烈散射。這種散射或邊緣精度差造成電磁波的場線分布是不規(guī)則的，從而導致傳輸損耗。

相比之下，氣溶膠噴射技術可以很大程度減少上述問題。然而，該技術制備出最小結構尺寸在300μm，限制了在更高頻率下應用。對該技術下制備的天線進行測試表明，可以傳輸高達28 GHz的頻率，也可以實現(xiàn)射頻螺旋天線。

激光直接成型(LDS)是該項目研究的另一種方法。在幾次測試中成功制備了線路。然而，其材料的選擇非常有限。只有兩種材料用于FDM印刷，一種用立體光刻印刷工藝。測試的所有三種材料在電氣特性方面都比注塑成型的材料損耗更大。然而，越來越明顯的是，需要開發(fā)新型LDS材料以解決這些問題。在項目期間，使用LDS技術在增材制造的基板上印刷測試線可以達到高達18GHz工作頻率。

立體光刻3D打印(SLA)與全表面功能化相結合，可以在頻率高于28GHz的高頻技術中使用增材技術的一個很有前途的選擇。更高的結構精度與波導技術相結合，可以設計出精度更高的螺旋結構和可在更高頻率下使用的功能元件。雖然功能化的選擇和更高的結構精度可能存在一些限制，但是已經(jīng)實現(xiàn)了高達 D 波段的天線。

研究成果對中小企業(yè)具有經(jīng)濟意義
所取得的研究成果經(jīng)濟相關性一方面源自增材制造技術的多樣性及其各自的優(yōu)缺點。此外，生產(chǎn)功能性零部件通常需要合理地結合不同工藝，并提供具有不同制造公差的幾種選擇。通過調查不同工藝的適用性，特別是它們相互結合的方式。該項目給出的評估結果使得中小型企業(yè)能夠選擇有針對性的策略并減少失敗的嘗試。

另一方面，中小企業(yè)可以使用增材制造工藝經(jīng)濟地生產(chǎn)小批量產(chǎn)品。在這種情況下，所獲得的經(jīng)驗提供了額外的優(yōu)勢，即對螺旋天線在適應天線特性方面進行了參數(shù)化研究。這意味著可以有效地實現(xiàn)對特定應用要求的工藝參數(shù)修改。

最后，該項目的結果使中小企業(yè)能夠進入新的、面向未來的市場，如工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)的通信技術，以及自動駕駛的核心組件的成像雷達傳感器。此外，使用混合電路載體（即常規(guī)PCB與空間高頻元件的組合）向增材制造的過渡變得更加簡單。