采用梯度折射率復(fù)合材料設(shè)計(jì)的天線和射頻組件簡(jiǎn)析

天線和射頻組件一般可以極大地受益于最近開發(fā)的低損耗3D打印分級(jí)折射率材料。梯度折射率材料提供的額外自由度可以使天線和其他射頻組件的設(shè)計(jì)具有比目前基于傳統(tǒng)恒定介電常數(shù)材料的設(shè)計(jì)更出色的性能。在這里，我們將討論我們?yōu)樘炀€和射頻匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)平面透鏡以及基于梯度折射率復(fù)合材料的濾波器的工作。

第一節(jié).

介紹

如圖1所示，傳感器在無(wú)人機(jī)載系統(tǒng)（UAS）和CubeSats中的使用增加，增加了對(duì)具有大頻率帶寬的小尺寸、重量和功率（SWaP）射頻組件的需求。在一些專業(yè)應(yīng)用中，低雷達(dá)橫截面（RCS）也是一項(xiàng)要求。不幸的是，目前可用于射頻系統(tǒng)的設(shè)備的SWaP超過(guò)了UAS和CubeSats的典型要求。通過(guò)用一個(gè)寬帶系統(tǒng)替換多個(gè)窄帶寬系統(tǒng)來(lái)保持典型性能的RF系統(tǒng)小型化的方法引起了人們的興趣。采用具有可控電氣特性（空間可變介電常數(shù)和磁導(dǎo)率）的低損耗、分級(jí)折射率 （GRIN） 材料可提供額外的自由度，從而產(chǎn)生寬帶、保形、小體積和薄型孔徑，其性能指標(biāo)與更大的現(xiàn)有天線系統(tǒng)相當(dāng)或更優(yōu)越。

安裝在UAS上的兩個(gè)基于GRIN的天線

通過(guò)利用促進(jìn)在射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用GRIN材料的兩項(xiàng)關(guān)鍵的最新發(fā)展來(lái)提高天線和射頻組件的性能：首先是開發(fā)一種基于廣義嵌段共聚物的策略，將陶瓷，磁性和導(dǎo)電材料整合到3D打印墨水中，用于打印低損耗GRIN材料， 特別是在 Ka頻段（26.5-40千兆赫）;其次，超材料概念和隱身技術(shù)的發(fā)展，從理論上表明，各向異性、可變的介電/磁性材料可以精確控制電磁波的傳播。梯度折射率介電、磁性和導(dǎo)電材料的 3D 打印可以增加頻率帶寬并減少天線系統(tǒng)以及射頻/微波組件（如濾波器、饋電網(wǎng)絡(luò)和匹配網(wǎng)絡(luò)）的體積。它還可以正確控制天線和其他結(jié)構(gòu)的電磁散射。

MIT-LL介電沉積技術(shù)。a） 可以產(chǎn)生的相對(duì)介電常數(shù)范圍。測(cè)量數(shù)據(jù)是點(diǎn)-點(diǎn)曲線，而實(shí)線表示用于擬合測(cè)量數(shù)據(jù)的模型 b） 主動(dòng)混合噴嘴打印分級(jí)長(zhǎng)絲。

第二節(jié).

復(fù)合材料

我們的工作重點(diǎn)是定制可印刷材料的介電常數(shù)，同時(shí)保持其低損耗特性。我們的假設(shè)是，通過(guò)改變復(fù)合油墨的陶瓷納米顆粒含量，我們應(yīng)該能夠調(diào)整印刷結(jié)構(gòu)的相對(duì)介電常數(shù)。疏水性（苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯）三嵌段聚合物作為我們的模型低介電聚合物，測(cè)得的介電常數(shù)為 2.2。我們選擇了艾爾2O3， TiO2和 SrTiO3納米顆粒由于其較高的相對(duì)介電常數(shù)和低損耗正切。陶瓷納米顆粒的表面被功能化，以促進(jìn)與聚合物基質(zhì)的改進(jìn)共混。使用這些材料，我們已經(jīng)能夠在2.24至5 GHz范圍內(nèi)打印和測(cè)試中位數(shù)相對(duì)介電常數(shù)為10-4.10的結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示。磁性材料，如羰基鐵顆粒，也被添加到可印刷油墨中，用于較低頻率（L/S波段）的應(yīng)用，測(cè)量數(shù)據(jù)將在會(huì)議上展示。

我們還建立了一種方法，允許我們的低損耗復(fù)合油墨的順序和梯度沉積，以使用定制的直接寫入3D打印點(diǎn)膠噴嘴生成新穎的RF組件。我們能夠通過(guò)編程控制多種材料的連續(xù)沉積或使用主動(dòng)混合噴嘴動(dòng)態(tài)改變墨水內(nèi)的聚合物與納米顆粒的比例來(lái)引導(dǎo)最終印刷結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)。這種主動(dòng)混合噴嘴消除了單個(gè)油墨的急劇過(guò)渡，允許對(duì)印刷結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何和成分控制（見圖2（b））。

第三節(jié).

用于傳統(tǒng)Ka波段喇叭天線的平面透鏡

低損耗GRIN材料的可用性會(huì)對(duì)天線和相控陣的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。在這里，我們考慮平面GRIN透鏡的設(shè)計(jì)，以增加傳統(tǒng)Ka波段錐形喇叭天線的增益（見圖3）。眾所周知，平面透鏡必須設(shè)計(jì)為聚焦視場(chǎng)，從而減小遠(yuǎn)區(qū)的光束寬度。請(qǐng)記住，這里考慮的喇叭天線在E和H平面上具有不同的波束寬度，平面透鏡的介電分布在E和H平面上并不相同。此外，沿天線/透鏡軸線的介電分布必須經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，以使透鏡與其孔徑處的喇叭場(chǎng)和自由空間進(jìn)行阻抗匹配。否則，阻抗失配損耗會(huì)增加，從而降低天線的實(shí)現(xiàn)增益。

第四節(jié).

匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

GRIN材料的另一個(gè)重要應(yīng)用是設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)（MN）以及低通和帶通濾波器。盡管這些組件是使用微帶傳輸線設(shè)計(jì)的，但如圖4所示，這些線具有恒定的寬度，而基板的介電常數(shù)沿器件的軸線變化。作為參考，還考慮了傳統(tǒng)可變寬度傳輸線的性能，圖4?？梢杂^察到，兩種設(shè)計(jì)具有相似的性能，對(duì)于大約20 GHz的頻率，反射系數(shù)小于-10dB。目前正在構(gòu)建這些 MN，將顯示測(cè)量結(jié)果以訪問(wèn)這些設(shè)備的性能。

第五節(jié).

沖擊

這項(xiàng)工作將產(chǎn)生重大影響的重要領(lǐng)域是小型UAS和其他機(jī)載和太空結(jié)構(gòu)，如立方體衛(wèi)星。小型無(wú)人機(jī)和立方體衛(wèi)星需要用于傳感器（雷達(dá)/輻射計(jì)）的低質(zhì)量、保形和低成本天線系統(tǒng)。由此產(chǎn)生的寬帶（或多頻段）系統(tǒng)將取代幾個(gè)窄帶系統(tǒng)，從而降低整體質(zhì)量和體積。與這項(xiàng)工作相關(guān)的另一個(gè)應(yīng)用是控制來(lái)自天線和其他結(jié)構(gòu)的電磁波散射的能力。將GRIN材料添加到當(dāng)前可用的材料中，RF設(shè)計(jì)人員能夠更好地控制和塑造機(jī)載和星載結(jié)構(gòu)散射的場(chǎng)。

傳統(tǒng)的ka波段錐形喇叭天線，帶有平面GRIN透鏡

兩個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)的模擬 S 參數(shù)。一個(gè)MN使用GRIN基板實(shí)現(xiàn)，第二個(gè)MN使用傳統(tǒng)的錐形傳輸線實(shí)現(xiàn)，其中基板具有固定的介電值

第六節(jié).

總結(jié)和結(jié)論

這項(xiàng)工作演示了使用平面GRIN透鏡來(lái)增加傳統(tǒng)Ka波段錐形喇叭天線的實(shí)現(xiàn)增益。這些復(fù)合材料是為定制微波組件的3D打印量身定制的。亞毫米級(jí)精度允許打印高頻組件，以改進(jìn)SWaP和性能方面的經(jīng)典微波技術(shù)。作為位置函數(shù)的介電常數(shù)的可編程性和精確控制使我們能夠控制電磁波的行為，從而能夠直接實(shí)現(xiàn)有利于商業(yè)和軍事部門的新技術(shù)。然而，需要進(jìn)一步的工作來(lái)開發(fā)測(cè)量分級(jí)指數(shù)材料的介電常數(shù)和/或滲透率的技術(shù)。目前大多數(shù)技術(shù)不適用于GRIN材料。

審核編輯：劉清