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增材制造(3D打印)在高频RF元件制造中有哪些优势?

2021-06-07 Bill Schweber 阅读:
增材制造(3D打印)在高频RF中的潜在优势引起了大学和企业研究人员的广泛关注。他们正在探索和利用AM来制造外形更小、性能更好的器件,希望利用AM来制造一些使用常规技术无法实现的设计。

“增材制造(AM)”有一个随意但相当准确的俗称——“3D打印”,对此你肯定不陌生。毫无疑问,自从几十年前AM系统问世以来,其硬件性能在尺寸精度、准确性、光洁度等方面都有显著进步,成本也大幅降低。同时,3D打印的材料也越来越多,包括树脂、聚合物、液化和粉末金属以及其他特殊材质的“油墨”。面对这么多选择,用户一定可以找到自己需要的机械性能组合。0jqednc

广义的“增材制造”实际上是指ASTM F42委员会-增材制造中七个分类中的任意一种(ASTM是“美国材料与试验协会”的缩写,像其他很多组织和企业一样,现在它已成为一个合法注册的缩写名称)。这七个分类是:0jqednc

  • 材料挤出
  • 立体光固化
  • 粉末床选区熔化
  • 材料喷射
  • 粘结剂喷射
  • 薄材叠层
  • 定向能量沉积

AM的各种应用包括:0jqednc

  • 昂贵的、有难度的、或无法使用机械或任何其他方式加工或铸造的元件制造;
  • 原型机元件的制造和评估,或小批量生产;
  • 根据需要进行制造替换元件,避免元件的囤积(囤积元件的目的是“以防万一”);
  • 无需备用元件甚至图纸,仅通过扫描元件及其文件就可以重新制造元件。

近年来,除了纯机械元件,电子元件也开始利用AM来制造,尤其是制造高频射频(RF)应用元件。这种以RF为中心的AM不仅涉及金属表面制造,还涉及合适的电介质制造,因此AM的挑战在于:找到并构建合适的几何形状,以及导体和电介质的分层制造。电子元件的增材制造目前主要集中在四个领域:0jqednc

  1. 通过叠层制造出的PC板(印制电路板)——讽刺的是,与“蚀刻电路板”(现在也称为PC板)相比,叠层工艺更贴近“印制”这个名词;
  2. 天线和馈电结构,特别是利用传统的金属弯曲和连接技术难以或无法制造出的结构;
  3. 具有独特性质和模式的波导;
  4. 连接器和相应的转换器:这是一个热门领域,因为每个RF路径转换都会引起一定程度的阻抗失配、反射、插入损耗和其他不良影响。

AM用于RF时,还有另一个难题。受益于集成技术的许多应用都是高频应用,其频率可高达数十千兆赫(GHz)。但随着频率的增加,设备尺寸会缩小,耐受问题就会显得突出。细微的表面瑕疵(或粗糙)在500MHz频率下可以被容忍,但在几千兆赫的频率下就可能是一个严重的问题。0jqednc

此外,AM电介质的详细RF规范需要加以表征并统一,这些规范与纯机械AM部件的规范完全不同。介电常数和损耗角正切等因素也很重要。绝缘性能优异的树脂和聚合物,其RF特性却可能较差。另一方面,可以有针对地改变混合材料的比例,以创造出适用性好的特殊电介质,比如阶跃或渐变折射率光纤。0jqednc

尽管存在这些问题——也可能正是因为这些问题,AM在高频RF中的潜在优势引起了大学和企业研究人员的广泛关注。他们正在探索和利用AM来制造外形更小、性能更好的器件;又或者,他们希望利用AM来制造一些使用常规技术无法实现的设计。一些项目使用了AM来制造整个器件及其金属表面,还有一些项目则使用AM来制造不导电的元件基体,然后用常规的铜或银电镀来添加所需的导电表面。0jqednc

举两个例子。一个研究小组改变了树脂“填充物”的介电常数,形成平板波导,在几乎不影响基本模式的情况下,提高了第二电磁模式的截止频率。该器件的中心部分具有较高的介电常数,准TE10基本模式的电场更强,而两侧的介电常数较低,准TE20第二模式电场更强(图1)。0jqednc

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图1:(a)上图是贴上铝箔和添加金属过孔之前集成平板波导(SISW)互连的3D打印衬底;(b)下图是贴上铝箔后的SISW互连。(图片来源:Radio Engineering)0jqednc

另一个有趣的项目使用AM来制造适用于X波段能量的集成式SMA到波导过渡元件。他们设计了适用于8.6至10.4GHz的电介质填充单元和适用于9.4至10.7GHz的空气填充单元,两种单元具有不同的性能指标(图2)。0jqednc

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图2:采用电介质填充的波导设计制造和组装过程。(图片来源:State University of New York/New Paltz)0jqednc

这只是该领域众多研究工作的两个例子。用谷歌搜索“增材制造RF”将出现数十篇论文和项目,虽然许多都在各个IEEE协会及其他机构的付费专区,但大多数参考文献是免费的。0jqednc

你是否一直在关注RF电子应用或其他的AM信息?是否想过将AM用于RF元件?也或许你已经实际操作过了,比如在简易面包板上搭建或制作原型,甚至进行小批量生产?0jqednc

(原文刊登于EDN姐妹网站Planet Analog,参考链接:Additive manufacturing gets added to the RF-component toolkit,由Jenny Liao编译。0jqednc

本文为《电子技术设计》2020年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里0jqednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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