用于复杂相控阵和新型人工电磁材料的3D打印材料的表征

3D Printed Material Characterization for Complex Phased Arrays and Metamaterials

M. Wajih Elsallal, Jamie Hood and Ian McMichael

The MITRE Corporation, Bedford, Mass.

Travis Busbee

Voxel8, Somerville, Mass.

MITRE公司正在调研新一代材料叠加制造的潜力，即3D打印技术，用来在低成本、小型桌面打印机的帮助下实现复杂结构的宽带相控阵和新型人工电磁材料（metamaterial）设计。通过对室温下3D打印的塑料和导电油墨的样品进行频率表征，表明聚乳酸的介电常数和损耗角正切在18GHz以下都表现得非常稳定。为了实现更低的等效介电损耗，聚乳酸的内部结构可以有多样的设计，这也扩展了其在高频方面的应用。近一步加工了微带线样品，并在仿真和测量的插入损耗数据的基础上，验证了在毫米波频段的高导电率。3D打印了一个单极子Wi-Fi天线并进行了测试。测量得到的增益方向图和由电磁计算模型得到的结果非常吻合。下一步的工作将是建立和测试一个复杂的具有电功能的相控阵和一个复杂的新型人工电磁材料结构，并且通过测量验证其仿真结果。

来自国防和情报部门的越来越多的需求要求使用创新的方法，在很短时间内将更低成本、更小尺寸、更隐蔽的装备交到军人的手上。为了灵活地应对这些挑战，经过一个低成本的3D打印机的单次自动化加工过程，就可以同时拥有金属成形和聚合物沉积的能力，这开启了新一代快速原型制造系统的大门。MITRE公司在3D打印制造商Voxel8的帮助下，正在调研用于高性能天线和射频器件的多材料叠加制造或者3D打印电子器件的适用性。图1给出了用于这些实验的Voxel8 3D打印机。

图1 低成本Voxel8开发者套装3D打印机。图片摘自Voxel8的网站。

材料表征

为了设计天线和射频电路，需要在工作频段明确定义电气性能。介质材料的特性通过测量一个3D打印的介质套筒确定，这个介质套筒满足7mm同轴空气管标准。为了研究不同颜料、打印方向和填充密度的影响，测试了很多样品（图2）。

图2 （a）由四种不同颜色聚乳酸材料3D打印出的立方体，（b）从立方体不同边截下的机械加工过的介质套筒：XZ平面和YZ平面，（c）在XY平面由直线填充（左）和同心圆填充（右）的圆柱体。

首先，用四种不同颜色的聚乳酸材料3D打印出一个固体立方块。然后从立方块的不同方向切出圆柱体，用以测试打印方向对于材料特性的影响。另外打印了圆柱体块，截面分别是直线和同心圆环，用来测试填充图案对于材料特性的影响。接着，对所有的圆柱体进行进一步加工，使其拥有不同的内径、外径和样品长度，让它们能够放进图3中的同轴空气管测试夹具中。表1给出了每一种样品的结构和尺寸。

图3 固体圆柱体被机械加工成套筒，满足7mm同轴空气管标准，并在测试系统中测量。

利用是德科技的网络分析仪结合一个材料表征软件测量了介电常数和损耗角正切。同时还用到了反射/传输介电常数和磁导率多项式拟合技术。这项技术很好地将材料性质拟合为一个迭代多项式模型，迭代结果可以使得从多项式计算得到的S参数和测量得到的S参数的区别非常小。为了简洁，这里仅仅给出了灰色样品的测量结果以供讨论。其他颜色的聚乳酸材料表征结果在Voxel8的网站上可以找到。图4给出了挤压后的聚乳酸的电学性质，可以看到从直流到18GHz时，其电学性质随打印方向的变化只有非常微小的变动。测量结果暗示了Voxel8开发库中的聚乳酸灰色材料的平均介电常数是2.75，平均损耗角正切为0.015。

图4 其中一种用Voxel8打印机打印的挤压的聚乳酸样品的电气性质——灰色样品。

在一些其它应用中，还需要更低的介电常数和损耗角正切。具有低固有介电常数的聚合物，如PTFE（聚四氟乙烯），通常来说都没有适合3D打印的理想的热处理特性。为了缓解这类问题，Voxel8打印出一种介质圆柱体，它是由同心环组成的，同时同心环之间由空气缝隙代替原有的固体填充，如图5所示。样品中填充空气孔，在自然色情况下需要0.61g，在橙色情况下需要0.59g。而样品中全部填充固体，在自然色情况下需要0.92g，在橙色情况下需要0.94g。这些空气孔填充的样品具有介于自由空气（ε_r=1，tanδ=0）和聚乳酸（ε_r=2.75，tanδ=0.015）之间的等效介电常数，如图6所示。介质基板中存在空气孔在很多应用中都是不切实际的，这可以归因于结构和环境因素，但是从这些实验可以看到利用定制材料实现预期参数的可能性。

图5 材料中添加了空气孔的测试样品和普通样品之间的对比。

图6 测量的部分填充聚乳酸的材料性质。

虽然通过打印线证明可以实现更低的体电阻率，但Voxel8仍规定他们独有的银墨水的体电阻率为5.0×10^-7Ω-m。打印线的测试在干燥八个小时之后进行，通过激光轮廓仪测量它们的横截面，同时使用4点探针测量它们的电阻值。为了验证打印的射频器件的这些直接的导电率测量结果，在CST电磁计算工具中用测量到的基板材料的介电常数建立了一段阻抗为50欧姆的微带传输线模型。

Voxel8公司打印了两个4英寸的微带电路（塑料、基板和导电线）样品，MITRE公司添加了同轴连接器和一个用来支撑连接器的铝板。Voxel8公司的银墨水由注射器导出，代替传统焊接，作为导电粘合剂使连接器和微带线接触。通过图7可以看到测试结果和仿真结果非常吻合。

图7 通过对比测量的插入损耗和用Voxel8材料的电气性质仿真的结果验证Voxel8的导电率。

在4英寸的样品中，相比于在传统PCB基板上用半盎司铜沉积的微带模型（图7），3D打印的微带线在12GHz处有1dB的额外损耗。这个额外的损耗是由于3D打印的银线表面的粗糙度（19微米）导致的，银线表面的粗糙度远远高于传统的沉积铜的粗糙度（0.5微米）。当设定了低一些的粗糙度（0.5微米）和与Voxel8银墨水同样的测量电阻率后，又对3D打印的微带线进行了重新仿真，两者在12GHz处的仿真损耗的差别减少到了0.5dB。

Wi-Fi天线测量

加工了一个简单的打印单极子Wi-Fi天线并进行了测试。为了验证这个过程的可重复性，选择了三种不同的打印机在三个不同的时间点打印出三个样品。样品和同轴电缆之间的连接还是利用注射器添加了一滴Voxel8的银墨水。测量的驻波比和仿真结果吻合得很好，同时从图8可以看出这个过程确实是可重复的。在MITRE天线暗室中还测量了样品的辐射方向图。在测试中可以看到一个对称的全向波束，和图9中给出的仿真结果十分吻合。最后，天线被放置在极端温度-40度到60度的条件下，测量的方向图和驻波比在温度循环变化的过程中并没有产生任何明显的变化。

图8 由三个不同的3D打印机在三个不同的时间点打印出的三个Wi-Fi天线的驻波比。

图9 2.45GHz处的测量辐射方向图和仿真结果吻合得很好。

当天线暴露在极端的外部环境中之后，测量了其在高功率传输下的电导温度。MITRE将3D打印的天线加载30W功率5分钟后，天线的电学表现和结构完整性方面均没有不良反应。

3D打印——复杂结构

材料叠加制造在实现复杂设计和灵活加工方面开启了一扇新的大门，获得了越来越多的应用和运营效益。MITRE现在正在探索一个高性能的3D打印新型人工电磁材料结构和一个3D打印宽带相控阵设计的潜力。

3D打印新型人工电磁材料的结构

新型人工电磁材料是由亚波长结构构成的一种新型电磁材料，它们拥有自然界没有的特殊性质。其中一个特殊性质就是负折射率。在许多已发表的论文中，新型人工电磁材料的设计需要入射电场在某一个方向上偏振，以便激发新型人工电磁材料卓越的特性。MITRE正致力于双轴新型人工电磁材料的研究，这种材料将可以对多种极化的入射波进行响应。

早期的负折射率新型人工电磁材料是由开口谐振环（SRR）和短截线组成的晶格实现的。开口谐振环引起了负磁导率，短截线产生了负介电常数。当这两种结构结合在一起的时候，负折射率就实现了。然而，这种性质只在入射电场与短截线方向一致，同时磁场穿过开口谐振环的情况下才可以观察到，如图10a所示。图10b给出了另一种变化的开口谐振环结构，称为S形的开口谐振环，这种结构在参考文献6中首先被提出。这种结构与开口谐振环和短截线结合的结构具有类似的性质。同理，电场需要和某一特定方向一致，也就是说电场应沿着S形开口谐振环的长轴方向，同时磁场必须穿过线圈。

图10 （a）由开口谐振环和短截线组成的负折射率新型人工电磁材料单元。（b）S形开口谐振环单元。

MITRE双轴新型人工电磁材料就是基于S形开口谐振环结构的。在这个设计中，将单元正交交叉放置是一个非常有趣的特征。这种新型人工电磁材料由交叉的三维晶格构成，这对3D打印技术来说是相对容易的，然而对于传统的工艺来说是很难实现的。正交的结构允许新型人工电磁材料对于不同极化的电场保持应有的性质，如负折射率。而传统的结构只能在电场与某一特定方向一致的情况下才能具有这些性质。当在一个移动的平台上使用新型人工电磁材料的时候，入射场的极化和方向是未知的，这时就很容易看出这种改进的新型人工电磁材料的优点。图11给出了这种双轴S形开口谐振环单元的示意图。入射电场是水平极化或者垂直极化的时候，新型人工电磁材料都始终保持相同的特性。

图11 具有交叉结构的MITRE公司的双轴新型人工电磁材料单元，除非使用3D打印技术可以轻松实现，否则很难加工出来。

这种双轴S形开口谐振环在HFSS中用周期边界和弗洛奎特端口进行了仿真。通带出现在大约5GHz到5.5GHz的范围内，如图12a给出的仿真结果。根据Nicolson-Ross-Weir方法，负折射率的大小可以由反射和传输系数计算得到。从图12b即可看出该新型人工电磁材料在通带内，折射率为负值，在5GHz处大约为-0.3。通带和折射率的大小还可以通过改变新型人工电磁材料的尺寸来调节。

图12 （a）仿真的双轴新型人工电磁材料的反射系数。（b）计算出的新型人工电磁材料的折射率在通带为负值。

图13给出了双轴新型人工电磁材料的一个小的测试样品，这个样品是由Voxel8公司多材料3D打印机打印的。当几个样品被放置在波导固定装置中时，即可以测量其反射系数。

图13 MITRE设计的由Voxel8多材料3D打印机打印的双轴新型人工电磁材料的小样本。

3D打印相控阵

MITRE公司提出了一种宽带相控阵概念，这种宽带相控阵具有复杂的设计。它是基于一种物理不可实现的印刷电路板（PCB）设计。这种设计类似一种装鸡蛋的条板箱结构，具有连续的电气连接（交指结构），交指结构在正交的板子的交界面处，如图14所示。

图14 3D打印的相控阵设计具有复杂的特性。

多材料叠加制造被认为是唯一的可以实现这种设计的方法。Voxel8公司打印了阵列中间的交叉结构的样品。通过CT扫描可以看到所有交指结构的细节。设计的细节将在未来的文章中进行详细的讨论。目前我们正在建立一个有限尺寸的阵列，在MITRE公司进行测量。

结论

最近，多材料叠加制造的发展使得复杂射频结构得以实现。叠加制造过程中使用的材料的表征在设计和准确预测这些结构的性能中非常重要。通过严格的表征理解这些材料的射频特性，引领我们开发出了一些新颖的结构，比如双轴新型人工电磁材料和具有交指结构的相控阵天线。未来的努力将集中于利用叠加制造的发展实现更高频的、更小尺寸的射频结构。随着材料和多材料叠加制造方法的完善，在从前只能靠想象的射频结构可以很容易被加工出来，以低成本实现先进技术。（译者：尹佳媛）

参考文献