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絡的發(fā)展。隨著物聯(lián)網的發(fā)展，傳輸大量數(shù)據(jù)(包括移動數(shù)據(jù))的聯(lián)網設備數(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。

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�？紤]到生產成本，可以創(chuàng)建3D-MID技術中生產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)出過大的內部機械應力，導致冷卻后變形。此外，由此產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)具有經濟意義
所取得的研究成果經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濟地生產小批量產品。在這種情況下，所獲得的經驗提供了額外的優(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。