采用梯度折射率复合材料设计的天线和射频组件简析

天线和射频组件一般可以极大地受益于最近开发的低损耗3D打印分级折射率材料。梯度折射率材料提供的额外自由度可以使天线和其他射频组件的设计具有比目前基于传统恒定介电常数材料的设计更出色的性能。在这里，我们将讨论我们为天线和射频匹配网络设计平面透镜以及基于梯度折射率复合材料的滤波器的工作。

第一节.

介绍

如图1所示，传感器在无人机载系统（UAS）和CubeSats中的使用增加，增加了对具有大频率带宽的小尺寸、重量和功率（SWaP）射频组件的需求。在一些专业应用中，低雷达横截面（RCS）也是一项要求。不幸的是，目前可用于射频系统的设备的SWaP超过了UAS和CubeSats的典型要求。通过用一个宽带系统替换多个窄带宽系统来保持典型性能的RF系统小型化的方法引起了人们的兴趣。采用具有可控电气特性（空间可变介电常数和磁导率）的低损耗、分级折射率 （GRIN） 材料可提供额外的自由度，从而产生宽带、保形、小体积和薄型孔径，其性能指标与更大的现有天线系统相当或更优越。

 

安装在UAS上的两个基于GRIN的天线

通过利用促进在射频系统设计中使用GRIN材料的两项关键的最新发展来提高天线和射频组件的性能：首先是开发一种基于广义嵌段共聚物的策略，将陶瓷，磁性和导电材料整合到3D打印墨水中，用于打印低损耗GRIN材料， 特别是在 Ka频段（26.5-40千兆赫）;其次，超材料概念和隐身技术的发展，从理论上表明，各向异性、可变的介电/磁性材料可以精确控制电磁波的传播。梯度折射率介电、磁性和导电材料的 3D 打印可以增加频率带宽并减少天线系统以及射频/微波组件（如滤波器、馈电网络和匹配网络）的体积。它还可以正确控制天线和其他结构的电磁散射。

MIT-LL介电沉积技术。a） 可以产生的相对介电常数范围。测量数据是点-点曲线，而实线表示用于拟合测量数据的模型 b） 主动混合喷嘴打印分级长丝。

第二节.

复合材料

我们的工作重点是定制可印刷材料的介电常数，同时保持其低损耗特性。我们的假设是，通过改变复合油墨的陶瓷纳米颗粒含量，我们应该能够调整印刷结构的相对介电常数。疏水性（苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯）三嵌段聚合物作为我们的模型低介电聚合物，测得的介电常数为 2.2。我们选择了艾尔2O3， TiO2和 SrTiO3纳米颗粒由于其较高的相对介电常数和低损耗正切。陶瓷纳米颗粒的表面被功能化，以促进与聚合物基质的改进共混。使用这些材料，我们已经能够在2.24至5 GHz范围内打印和测试中位数相对介电常数为10-4.10的结构，如图2（a）所示。磁性材料，如羰基铁颗粒，也被添加到可印刷油墨中，用于较低频率（L/S波段）的应用，测量数据将在会议上展示。

我们还建立了一种方法，允许我们的低损耗复合油墨的顺序和梯度沉积，以使用定制的直接写入3D打印点胶喷嘴生成新颖的RF组件。我们能够通过编程控制多种材料的连续沉积或使用主动混合喷嘴动态改变墨水内的聚合物与纳米颗粒的比例来引导最终印刷结构的介电常数。这种主动混合喷嘴消除了单个油墨的急剧过渡，允许对印刷结构进行几何和成分控制（见图2（b））。

第三节.

用于传统Ka波段喇叭天线的平面透镜

低损耗GRIN材料的可用性会对天线和相控阵的设计产生重大影响。在这里，我们考虑平面GRIN透镜的设计，以增加传统Ka波段锥形喇叭天线的增益（见图3）。众所周知，平面透镜必须设计为聚焦视场，从而减小远区的光束宽度。请记住，这里考虑的喇叭天线在E和H平面上具有不同的波束宽度，平面透镜的介电分布在E和H平面上并不相同。此外，沿天线/透镜轴线的介电分布必须经过精心设计，以使透镜与其孔径处的喇叭场和自由空间进行阻抗匹配。否则，阻抗失配损耗会增加，从而降低天线的实现增益。

第四节.

匹配网络设计

GRIN材料的另一个重要应用是设计匹配网络（MN）以及低通和带通滤波器。尽管这些组件是使用微带传输线设计的，但如图4所示，这些线具有恒定的宽度，而基板的介电常数沿器件的轴线变化。作为参考，还考虑了传统可变宽度传输线的性能，图4。可以观察到，两种设计具有相似的性能，对于大约20 GHz的频率，反射系数小于-10dB。目前正在构建这些 MN，将显示测量结果以访问这些设备的性能。

第五节.

冲击

这项工作将产生重大影响的重要领域是小型UAS和其他机载和太空结构，如立方体卫星。小型无人机和立方体卫星需要用于传感器（雷达/辐射计）的低质量、保形和低成本天线系统。由此产生的宽带（或多频段）系统将取代几个窄带系统，从而降低整体质量和体积。与这项工作相关的另一个应用是控制来自天线和其他结构的电磁波散射的能力。将GRIN材料添加到当前可用的材料中，RF设计人员能够更好地控制和塑造机载和星载结构散射的场。

传统的ka波段锥形喇叭天线，带有平面GRIN透镜

两个匹配网络的模拟 S 参数。一个MN使用GRIN基板实现，第二个MN使用传统的锥形传输线实现，其中基板具有固定的介电值

第六节.

总结和结论

这项工作演示了使用平面GRIN透镜来增加传统Ka波段锥形喇叭天线的实现增益。这些复合材料是为定制微波组件的3D打印量身定制的。亚毫米级精度允许打印高频组件，以改进SWaP和性能方面的经典微波技术。作为位置函数的介电常数的可编程性和精确控制使我们能够控制电磁波的行为，从而能够直接实现有利于商业和军事部门的新技术。然而，需要进一步的工作来开发测量分级指数材料的介电常数和/或渗透率的技术。目前大多数技术不适用于GRIN材料。

审核编辑：刘清