通过增材制造工艺和3D功能化实现螺旋天线射频应用的小型化

来源： 电子工程3D打印

要成功实现“工业4.0”概念，必须推动宽带电信网络的发展。随着物联网的发展，传输大量数据(包括移动数据)的联网设备数量不断增加。由于数据量的不断增加和对更高数据速率的需求不断增长，高频技术在越来越多的应用领域变得越来越重要。使用创新性的制造工艺有望满足未来日益增长的需求，因为与传统的PCB生产工艺相比，它们具有高度的空间设计自由度和更少的组装工作量，基板材料选取广泛和实现高表面质量的金属化生产。

通常，螺旋天线由缠绕的导电线制成，在更高的频率基础上实现了更小的结构。该研究项目是研究使用MID技术的金属化工艺，实现以较低成本生产具有目标尺寸的多线路螺旋天线。将使用和比较以下制造工艺:激光直接成型、点胶工艺、喷墨打印、气溶胶喷射和选择性激光束熔化。对于每种技术，在考虑到应用频率范围的前提下，研究多线天线元件可以小型化的程度。考虑到生产成本，可以创建3D-MID技术中生产单个元件的设计路线。

总的来说，对于高频技术，可以使用MID生产技术制造螺旋天线。然而，重要的是要考虑在各自的频率范围内使用哪种技术。很明显，在项目的早期阶段，在满足所需的应用频率条件下，制造工艺和可用材料不能任意地组合使用。

图1 不同制造工艺下各自频段的螺旋天线尺寸比较

考虑到这一点，选择性激光熔化（SLM）在当前技术水平下对设计自由度的限制性太强。最大的问题是增材制造结构在冷却过程中表现出过大的内部机械应力，导致冷却后变形。此外，由此产生的表面对于所需频率来说太过粗糙。

点胶技术在1-2 GHz以上的频率下使用是不切实际的。这主要是由于印刷结构的过度喷涂导致边缘精度不足。这将导致导电颗粒在被涂覆介质表面发生强烈散射。这种散射或边缘精度差造成电磁波的场线分布是不规则的，从而导致传输损耗。

相比之下，气溶胶喷射技术可以很大程度减少上述问题。然而，该技术制备出最小结构尺寸在300μm，限制了在更高频率下应用。对该技术下制备的天线进行测试表明，可以传输高达28 GHz的频率，也可以实现射频螺旋天线。

激光直接成型(LDS)是该项目研究的另一种方法。在几次测试中成功制备了线路。然而，其材料的选择非常有限。只有两种材料用于FDM印刷，一种用立体光刻印刷工艺。测试的所有三种材料在电气特性方面都比注塑成型的材料损耗更大。然而，越来越明显的是，需要开发新型LDS材料以解决这些问题。在项目期间，使用LDS技术在增材制造的基板上印刷测试线可以达到高达18GHz工作频率。

立体光刻3D打印(SLA)与全表面功能化相结合，可以在频率高于28GHz的高频技术中使用增材技术的一个很有前途的选择。更高的结构精度与波导技术相结合，可以设计出精度更高的螺旋结构和可在更高频率下使用的功能元件。虽然功能化的选择和更高的结构精度可能存在一些限制，但是已经实现了高达 D 波段的天线。

研究成果对中小企业具有经济意义
所取得的研究成果经济相关性一方面源自增材制造技术的多样性及其各自的优缺点。此外，生产功能性零部件通常需要合理地结合不同工艺，并提供具有不同制造公差的几种选择。通过调查不同工艺的适用性，特别是它们相互结合的方式。该项目给出的评估结果使得中小型企业能够选择有针对性的策略并减少失败的尝试。

另一方面，中小企业可以使用增材制造工艺经济地生产小批量产品。在这种情况下，所获得的经验提供了额外的优势，即对螺旋天线在适应天线特性方面进行了参数化研究。这意味着可以有效地实现对特定应用要求的工艺参数修改。

最后，该项目的结果使中小企业能够进入新的、面向未来的市场，如工业4.0和物联网的通信技术，以及自动驾驶的核心组件的成像雷达传感器。此外，使用混合电路载体（即常规PCB与空间高频元件的组合）向增材制造的过渡变得更加简单。