法國國家科學(xué)研究中心實(shí)驗(yàn)室利用3D打印研發(fā)天線系統(tǒng)

法國電子、天線系統(tǒng)和電信實(shí)驗(yàn)室(Laboratoire d'Electronique, Antennes et Télécommunications,以下簡稱“LEAT”)是蔚藍(lán)海岸大學(xué)(Université C?te d’Azur)與法國國家科學(xué)研究中心(CNRS)聯(lián)合成立的實(shí)驗(yàn)室,致力于研究信息和通信技術(shù),研究內(nèi)容包括電子通信、雷達(dá)、電子安全、智能建筑、地球觀測、可持續(xù)發(fā)展等。

法國國家科學(xué)研究中心實(shí)驗(yàn)室利用3D打印研發(fā)天線系統(tǒng)的圖1

為了滿足日益增長的通信需求,天線設(shè)備的需求量也日漸增長。以LEAT為例的實(shí)驗(yàn)室正在立志于研發(fā)小型化、低損耗的設(shè)備。為了達(dá)到這一目標(biāo),LEAT正在研究S波段天線(頻率范圍2-4 GHZ)和介質(zhì)諧振天線(DRA)。

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常規(guī)天線由兩部分組成,一部分用于支持下行衛(wèi)星通信,另一部分用于上行衛(wèi)星通信,這兩部分需要兩個諧振頻率不同的介質(zhì)諧振器。

介質(zhì)諧振器在天線設(shè)備中起著巨大的作用:它們通過對空間能量的重新分配,定向地放大信號,從而提高其傳播距離。介質(zhì)諧振器通常由陶瓷材料制成,如氧化鋯,因?yàn)榇瞬牧暇哂休^高的介電常數(shù)和較小的損耗。對于每個頻率標(biāo)準(zhǔn),都需要一個特定的諧振器,其介電常數(shù)由材料和獨(dú)特的設(shè)計(jì)決定。然而,想要同時兼得共振頻率與小型化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)大挑戰(zhàn)。

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在研發(fā)過程中,由于工程師要不斷測試部件設(shè)計(jì)的可行性,為了讓研發(fā)更順暢地推進(jìn),LEAT決定引進(jìn)3D打印技術(shù)。

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為了打印理想的介質(zhì)諧振天線,LEAT選擇了具有優(yōu)異介電性能的Nanoe Zetamix白色氧化鋯耗材:介電常數(shù)ε= 30和低損耗:Tanδ= 10-3。另外,為了達(dá)到部件尺寸與不同部位之間介電常數(shù)的合適比例,工程師們選擇了與Nanoe耗材接近完美兼容的高精度3D打印機(jī)Raise3D Pro2,因?yàn)镕DM/FFF技術(shù)可以幫助他們打印出具有控制孔隙率的陶瓷部件。

Pro2最小噴嘴直徑可達(dá)0.2mm,最小層高可精確至0.01 mm,且運(yùn)行非常穩(wěn)定,可幫助LEAT在研發(fā)過程中穩(wěn)定的產(chǎn)出高精度陶瓷介質(zhì)諧振天線部件。

打印完成后,經(jīng)過脫脂和燒結(jié)處理,陶瓷部件的致密度高達(dá)99%。

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LEAT在打印介質(zhì)諧振天線部件時,選擇了0.1mm的層高,設(shè)置了2個密度分別為25%和95%的螺旋體填充。在打印完成后,進(jìn)行了2小時溶劑脫脂,并以1450℃在燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。

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部件完成制作后,LEAT在一個小型微波暗室中通過添加2個射頻連接器,對放置在地板上的這些部件進(jìn)行了測試。介質(zhì)諧振器被激勵于測試頻段,其全頻段的3D輻射特性通過在暗室中旋轉(zhuǎn)天線獲得。

初步測試結(jié)果顯示這個定制的介質(zhì)諧振器天線具有很高的輻射效率,與仿真結(jié)果相吻合。此外,天線的工作帶寬向高頻(2600MHz)偏移,可以在后續(xù)的天線設(shè)計(jì)中對其進(jìn)行優(yōu)化。

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法國國家科學(xué)研究中心實(shí)驗(yàn)室利用3D打印研發(fā)天線系統(tǒng)的圖8

隨著工業(yè)和公眾需求的增加,電信行業(yè)將會繼續(xù)蓬勃發(fā)展,對于天線的小型化、寬頻帶、低損耗等性能也將提出更高的要求。通過此次3D打印介質(zhì)諧振天線的成功嘗試,LEAT已經(jīng)準(zhǔn)備好迎接更多的挑戰(zhàn)。

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