陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡天線在衛(wèi)星通信的潛在應(yīng)用

來源：因泰萊激光

陶瓷3D打印技術(shù)在航空航天，人工骨、工業(yè)精密零件制作、工藝品等領(lǐng)域有著諸多的應(yīng)用。然而，在射頻器件、微波領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報(bào)道。

據(jù)悉，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院、電子信息功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂文中教授團(tuán)隊(duì)利用因泰萊激光的CeraBuilder100陶瓷激光3D打印機(jī)打印近零熱膨脹Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介電陶瓷諧振器天線與集成透鏡，在溫度穩(wěn)定的衛(wèi)星通信中具有潛在的應(yīng)用前景，該微波介電材料在高頻通訊、5G領(lǐng)域也有著非常好的應(yīng)用前景。該成果發(fā)表在國(guó)外著名期刊ADVANCED MATERIALS上，名稱為《Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-Based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens》

在航空航天等極端環(huán)境下，對(duì)高增益、低重量、寬帶寬、微型化的耐溫性能的透鏡天線有著迫切的需求。然而，具有近零熱膨脹和隨溫度頻移的高性能微波介質(zhì)陶瓷非常罕見。Ba1-xSrxZn2Si2O7具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)(CTE)， CTE源于[ZnO4]四面體鏈隨溫度沿b軸的拉伸到扭曲，在0.95(0.9Zn1.8SiO3.8-0.1Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7) -0.05CaTiO3陶瓷中，共振頻率溫度系數(shù)為正的CTE和τf可有效地調(diào)節(jié)Zn1.8SiO3.8的CTE和τf接近于零，是非常理想的近零熱膨脹射頻電介質(zhì)材料。

作者團(tuán)隊(duì)利用近零熱膨脹Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介電陶瓷材料，設(shè)計(jì)了一款天線結(jié)構(gòu)，見下圖所示。

利用CeraBuilder100陶瓷3D打印機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)的透鏡天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了打印成型。

作者對(duì)打印的成品進(jìn)行了參數(shù)測(cè)量，得到了較為理想的結(jié)果，測(cè)量表明打印制作的Kuband Luneburg透鏡綜合天線在10.45-11.39 GHz和12.27-13.45 GHz的平均增益分別為8.06dBi和10.3dBi。

a1-xSrxZn2Si2O7微波介質(zhì)陶瓷中CTE和τf值的雙重調(diào)節(jié)在微波器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。此外，Ba1-xSrxZn2Si2O7陶瓷具有罕見的NCTE特性，是Zn1.8SiO3.8陶瓷有效的CTE調(diào)節(jié)劑和燒結(jié)助劑。因此，0.95(0.9Zn1.8SiO3.8 - 0.1Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7)-0.05catio3陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的微波介電性能和ZCTE性能，使其成為利用光固化3D打印技術(shù)制作集成透鏡的理想候選DRAs材料。設(shè)計(jì)的透鏡天線增益得到了增強(qiáng)，拓寬了工作帶寬（在10.45-11.39 GHz時(shí)平均增益為8.06 dBi），在12.27-13.45 GHz時(shí)平均增益為10.3 dBi。因此，作者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的新型透鏡天線，在溫度穩(wěn)定的衛(wèi)星通信中具有潛在的應(yīng)用前景。

2000年以來，呂文中教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用CeraBuilder 100陶瓷3D打印機(jī)，在陶瓷微波、射頻器件領(lǐng)域先后在國(guó)外知名期刊發(fā)表4篇重要論文，內(nèi)容涵蓋微波介質(zhì)陶瓷打印漿料、透鏡天線制備、微波陶瓷濾波器的3D打印等。