通過增材制造工藝和3D功能化實現(xiàn)螺旋天線射頻應(yīng)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(luò)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(shè)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(shù)在越來越多的應(yīng)用領(lǐng)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(shè)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(zhì)量的金屬化生產(chǎn)。

通常，螺旋天線由纏繞的導(dǎo)電線制成，在更高的頻率基礎(chǔ)上實現(xiàn)了更小的結(jié)構(gòu)。該研究項目是研究使用MID技術(shù)的金屬化工藝，實現(xiàn)以較低成本生產(chǎn)具有目標(biāo)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(shù)，在考慮到應(yīng)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(chǎn)成本，可以創(chuàng)建3D-MID技術(shù)中生產(chǎn)單個元件的設(shè)計路線。

總的來說，對于高頻技術(shù)，可以使用MID生產(chǎn)技術(shù)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(shù)。很明顯，在項目的早期階段，在滿足所需的應(yīng)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(dāng)前技術(shù)水平下對設(shè)計自由度的限制性太強(qiáng)。最大的問題是增材制造結(jié)構(gòu)在冷卻過程中表現(xiàn)出過大的內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)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(shù)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(jié)構(gòu)的過度噴涂導(dǎo)致邊緣精度不足。這將導(dǎo)致導(dǎo)電顆粒在被涂覆介質(zhì)表面發(fā)生強(qiáng)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(dǎo)致傳輸損耗。

相比之下，氣溶膠噴射技術(shù)可以很大程度減少上述問題。然而，該技術(shù)制備出最小結(jié)構(gòu)尺寸在300μm，限制了在更高頻率下應(yīng)用。對該技術(shù)下制備的天線進(jìn)行測試表明，可以傳輸高達(dá)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(shù)在增材制造的基板上印刷測試線可以達(dá)到高達(dá)18GHz工作頻率。

立體光刻3D打印(SLA)與全表面功能化相結(jié)合，可以在頻率高于28GHz的高頻技術(shù)中使用增材技術(shù)的一個很有前途的選擇。更高的結(jié)構(gòu)精度與波導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，可以設(shè)計出精度更高的螺旋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)精度可能存在一些限制，但是已經(jīng)實現(xiàn)了高達(dá) D 波段的天線。

研究成果對中小企業(yè)具有經(jīng)濟(jì)意義
所取得的研究成果經(jīng)濟(jì)相關(guān)性一方面源自增材制造技術(shù)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(jié)合不同工藝，并提供具有不同制造公差的幾種選擇。通過調(diào)查不同工藝的適用性，特別是它們相互結(jié)合的方式。該項目給出的評估結(jié)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(jì)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(yīng)天線特性方面進(jìn)行了參數(shù)化研究。這意味著可以有效地實現(xiàn)對特定應(yīng)用要求的工藝參數(shù)修改。

最后，該項目的結(jié)果使中小企業(yè)能夠進(jìn)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(shù)，以及自動駕駛的核心組件的成像雷達(dá)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。