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增材制造的电介质如何应对"类空气"电介质的挑战

Colby Hobart，Fortify

从电气性能的角度看，空气是仅次于真空的最有用的电介质，因为它适用于高频电路。不幸的是，对于制造精密结构来说，空气是一种具有挑战性的物质。纯空气电介质的次佳选择是使用尽可能多的空气来构建电介质结构。这就是高性能介电泡沫材料发挥作用的地方。这些泡沫几乎全是空气，只有少量的结构性聚合物、陶瓷或玻璃，用于物理连接高频结构。

这些类型的泡沫被用于高性能的先进天线系统（AAS）面板、雷达罩、射频窗和许多其他射频结构。尽管这些泡沫的有效介电常数（Dk）和损耗切线（Df）通常很好，几乎与空气相同，但它们在设计和制造方面存在着各种挑战。主要是它们很不耐压，在层压过程中容易粉碎，并且没有明确和可靠的途径来支持高频的电镀通孔。

一种新兴的选择，即增材制造（AM）介电泡沫，是使用先进的3D打印技术和新的低Dk和低损耗电介质复合材料制造的。这种新方法产生的电介质晶格结构模仿了空气填充泡沫的效果，同时在需要的地方提供结构以支持选择性金属化和机械支撑。

为什么空气更好以及用在哪里

对于需要低损耗和低Dk的应用，真空是最理想的电介质。然而，在大气层中保持真空是很难的。在大气环境中，空气是最理想的电介质，在标准温度、压力和湿度下，其相对介电常数约为1.00059（见表1）。这非常接近真空的相对介电常数1。真空的介电损耗或损耗正切为零，而空气的介电损耗接近于零，基本上可以忽略不计。

同样重要的是，空气作为电介质在频率上是稳定的，甚至可以达到太赫兹频率范围。这一点特别有吸引力，因为许多其他常见的电介质在频率上不稳定，尽管有些在大频率范围内是稳定的。这就是为什么空气被用来创造高Q因子的电容耦合结构，如最新的AAS中使用的那些结构。

在标准大气条件下，空气的介电强度大约为1.18-2.76 kV/mm。与其他电介质相比，这相对较低，这意味着在高功率应用中使用空气或类空气电介质时必须谨慎，因为峰值电压可能达到击穿点。

传统介电泡沫的缺点

为了克服在结构上用空气支持射频系统的电气和机械部件的挑战，需要某种类型的固体电介质结构。这就是介电泡沫的优势所在。¹这些泡沫通常由聚合物或其他电介质材料制成，可以可靠地在其结构中制造出大的孔隙，同时仍允许机械塑形和涂层/加层。在这些泡沫中，空气和电介质结构的结合有效地降低了整体Dk和Df，这是空气与电介质体积比（空隙率）的函数。空气的体积比越高，复杂的介电性能就越接近于空气。这就是为什么一些介电泡沫可以达到Dk约为1.1至1.2，而损耗正切却相当低的原因，因为它们大部分是空气。

值得注意的是，实际有效的复合介电性能是电场通过的材料体积的比率。这使得泡沫的精确控制和符合性变得极为关键，因为有效介电性能的任何不一致都可能导致泡沫性能下降。

人们越来越多地使用介电泡沫作为电路元件之间以及上层微波和毫米波AAS中耦合天线元件之间的层压堆栈的一部分。这些AAS叠层的一个关键设计考虑是尽量减少耦合天线元件之间的介电常数和损耗正切，同时仍提供允许精确对齐和固定的结构。

介电泡沫，主要是空气，通常不耐压，特别是当制作成AAS所需的相对较薄的板材时。这成为一个实质性的制造挑战，因为需要压缩来将片材层压到基材和电子产品堆栈中。层压也常用于将金属导电层添加到电介质衬底上。在这两种情况下，介电泡沫通常会在层压过程中遭到挤压，在靠近施加层的地方，以及在夹具/支撑点，介电泡沫会变薄。

增材制造如何制造更好的结构

自由度和材料选择能力使AM介电泡沫结构能够实现广泛的电介质和结构特性，可以为特定应用进行设计和调整。在这种情况下，AM介电泡沫可以具有类似空气的介电性能，但仍具有卓越的结构性能。此外，可以对AM介电泡沫进行设计，使需要不同特性的各区域以适当的的方式制造出来。

AM介电泡沫可以被做成泡沫状，就像传统介电泡沫被设计成类空气一样。这个概念涉及到使空气与电介质的体积比尽可能高，同时保持设计的结构。泡沫是由许多小的大致球形壳形成的，而AM介电泡沫是使用空心晶格结构制造的。传统的AM介电泡沫的几何形状，如蜂窝状或网格状，是简单的例子（见图1）。²

图1 具有华夫饼（a）和蜂巢（b）结构的三维电介质基板的CAD草图。盖子没有显示。

更现代、更复杂的AM介电泡沫是在单元格设计的基础上使用更复杂的格子来制造的，例如梯度折射率（GRIN）透镜由陀螺状单元构成（见图2）。这种方法使单元格的设计具有一定的空气-电介质体积比（见图3和表2），并且可以从单元格的三维矩阵中开发更大的结构。因此，可以实现对体积比的非常精确的控制，设计一个大于单元格的三维物体是一个相对简单的问题，即用单元格和可能的部分单元格填充一个体积，但仍然满足体积比的标准。

图2 Luneburg-style GRIN透镜由陀螺状单元构成，使用不同的壁厚来控制球面透镜内"壳"的空气比例和有效介电常数。

图3 陀螺有效介电常数和空气比例与壁厚的关系。

结合单元格和改变单元格的体积比可以实现可变的介电性能，有效地实现特异材料介电结构。通过适当的设计，这种技术可以用来设计和制造三维射频透镜，如GRIN Luneburg式射频透镜。^3-5由AM材料制成的特异材料电介质结构还有其他多种用途，然而，为了实现类似空气或传统介电泡沫的性能，晶格结构的体积比必须在整个体积内尽可能地一致。

与传统介电泡沫不同，AM介电泡沫的外表面可以被制成实心的或者加入更耐压的附加结构，从而具有更高的抗压强度（目前可达400 PSI）。事实上，AM介电泡沫的所有机械结构都可以与空气部分一起制造出来（见图4）。有了这种能力，梯度折射结构和机械连接点可以在一个步骤中制造出来，消除了可能出现公差和影响产量的各种步骤。

图4 3D打印的泡沫材料。

使用AM介电泡沫设计和制造AAS或类似的复杂射频结构，从根本上改变了设计方法，并可能通过提高设计者的自由度来简化设计。

简化的一个领域是在设计过程中，包括电磁（EM）仿真、参数优化和迭代设计实践。利用AM介电泡沫可以实现非常快速的原型制作和开发周期，特别是在软件方面。传统介电泡沫和其他介电材料必须大部分提前设计，并且只能根据电磁仿真和参数优化的反馈稍作调整，而AM-EDS方法允许更多的设计和仿真代理结构的自由度，随后可以用AM介电泡沫进行完善和制造。这包括非平面结构，甚至更大的结构，因为梯度折射可以被设计到AM介电泡沫部件中。

AM介电泡沫的潜力

传统介电泡沫最大的缺点之一是，如果没有金属导体的层压或其他类型的粘合剂连接，它们不容易金属化。目前还没有明确的途径来对介电泡沫进行金属化，以产生适合射频传输线和电路的共形和平面金属层。

这包括在Z轴上创建金属通孔：可以在介电泡沫的加工孔内插入圆柱形的金属导体管或针，并使用某种类型的导电胶或焊接工艺来形成通孔，尽管这种工艺有点容易出错，而且不如真正的金属附件通孔性能高，如焊接或选择性金属化。插入通孔管或引脚也可能导致与叠层中顶部和底部的间隙问题。

这是AM介电泡沫有可能解决与AAS和其他高性能堆叠射频电路相关的许多设计挑战的关键领域之一。已经可以对AM-EDS材料进行可靠和高性能的选择性金属化，甚至完全金属化，这些材料很适合非常高频率（大于90GHz）的应用。使用AM介电泡沫，如具有良好表面光洁度的实心平面和实心壁通孔部分，用于选择性金属化，可以在简化的工艺中实现具有类空气电介质结构和电介质衬底的真正的3D射频电路。

显然，对于可以用选择性金属化工艺（如激光选择性活化金属化）进行金属化的通孔的厚度和直径有一些限制，但如果有一种方法可以遮盖结构中不应该被金属化的部分，那么使用无电解金属电镀的非选择性技术甚至可以开发出小而高纵横比的通孔。锥形通孔对于通孔结构内壁的选择性金属化也是可行的，这将使激光在高纵横比的通孔中进行选择性激活。

随着金属化工艺的进一步发展，以及AAS和RF设计师在设计过程中的早期参与，有可能使用AM介电泡沫来设计整个AAS和复杂的RF结构，包括电介质基板、平面/三维电路元件，包括通孔、类空气（低Dk和低Df）、RF透镜、雷达罩、RF窗口甚至结构元件。有可能同时生产低Dk和低Df聚合物复合材料，以及用于大功率和高热量应用的低Df陶瓷。

结论

类空气的AM介电泡沫可以支持高压和精密层压；而且，它为选择性金属化和金属通孔提供了一个途径。可用的不同材料和电介质的增材制造所带来的自由度为设计者提供了更大的潜力，可以在复杂的三维射频系统（如AAS）的设计过程中进行创新和解决以前的挑战。

参考文献

1. S. Chenu, J. -P. Coupez, F. Karpus and B. Toublanc, “Development of New Technologies Using Foam Materials for RF Device Integration,” 43th European Microwave Conference, October 2013.
2. S. Zhang, C. Njoku, W. Whittow and J. Vardaxoglou, “Novel 3D Printed Synthetic Dielectric Substrates,” Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 57, No. 10, July 2015, pp. 2344–2346.
3. “Applications Guide to 3D Printed Low-Loss Dielectric Structures Addressing Microwave/mmWave Challenges,” Fortify, Web: https://3dfortify.com/white_papers/applications-guide-to-3d-printed-low-loss-dielectric-structures-addressing-microwave-mmwave-challenges.
4. “Ku-Band/Ka-Band Simulation & Testing of a 3D Printed Dielectric Lens Fabricated from Low-loss and Los-dk Resin,” Fortify, Web: https://3dfortify.com/case_studies/ku-band-ka-band-simulation-testing-of-a-3d-printed-dielectric-lens-fabricated-from-low-loss-and-los-dk-resin.
5. Fortify, “3D Printed Dielectric Lenses Increase Antenna Gain and Widen Beam Scanning Angle,” Microwave Journal, White Paper, July 2021, Web: https://www.microwavejournal.com/articles/36375-d-printed-dielectric-lenses-increase-antenna-gain-and-widen-beam-scanning-angle.