三維電磁帶隙結(jié)構(gòu)天線基板3D打印制造及性能研究

馬洪偉 陳世斌

摘? 要：為了提升天線的增益和方向性，該文研究了EBG（電磁帶隙結(jié)構(gòu)）基板及其宏觀結(jié)構(gòu)變化對偶極子天線的性能的影響。采用光固化3D打印技術(shù)與凝膠注模工藝相結(jié)合，制備不同宏觀結(jié)構(gòu)的EBG基板并測試其對偶極子天線性能的影響，實驗結(jié)果表明，相比于無凹槽的EBG基板，有凹槽的EBG基板性能更優(yōu);當凹槽被3個周期包圍時，效果最好，天線的增益提高了1 dB。研究表明EBG基板宏觀結(jié)構(gòu)變化能夠提高天線的增益和改善方向性，為工程應(yīng)用提高了借鑒。

關(guān)鍵詞 ：電磁帶隙結(jié)構(gòu)? 天線基板? 3D打印? 宏觀結(jié)構(gòu)? 增益

中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A

Abstract： In order to improve the gain and directivity of the antenna， the effects of the EBG substrate and its macro-structure changes on the performance of the dipole antenna has been studied in this paper. The UV curing 3D printing technology and gel casting process were combined to prepare EBG substrates with different macroscopical structure and their effects on dipole antenna performance were tested. The experimental results showed that the performance of substrates with grooves was better than that without grooves. When the groove was surrounded by three cycles， the effect was the best，the antenna’s gain has been increased by 1 dB. The research demonstrated that the macro-structure change of an EBG substrate could improve the gain and directivity of an antenna， which provided reference for engineering application.

Key Words： EBG; Antenna substrate; 3D printing; Macro-structure; Gain

天線是輻射和接收無線電波信號的裝置，在民用和軍事領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。但是，普通的平板天線由于基板透射性等原因，會出現(xiàn)能量損失、表面波效應(yīng)和信號干擾等缺點，因此改善基板性能，對提升天線的效能有著重要的意義。

光子晶體是由不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料通過周期性排列而成的人工微晶體[1-2]，具有光子禁帶等特性[3]，當其禁帶區(qū)間落在微波段時，將之稱為電磁帶隙結(jié)構(gòu)（EBG），頻率處于禁帶范圍內(nèi)的電磁波無法在其中傳播[4]。應(yīng)用電磁帶隙結(jié)構(gòu)做天線的基板，將天線的輻射或接收頻率設(shè)計在禁帶區(qū)間內(nèi)，可以有效地消除表面波效應(yīng)，抑制基底能量損耗，提高天線的增益和發(fā)射效率[5]。近年來，眾多學(xué)者對光子晶體帶隙材料在天線中的應(yīng)用進行了深入研究。王靈敏將微帶天線加載到EBG上，使得微帶天線增益增加了1.56 dB，背瓣輻射最大可以降低10 dB，改善了天線方向性，增強了微帶天線的整體性能[6]。Glenn S. Smith通過搭建一個木堆結(jié)構(gòu)三維光子晶體作為天線基板[7]，利用單極子天線進行測試，通過對比發(fā)現(xiàn)，加入光子晶體天線基板后，天線增益大大提高，背瓣能量幾乎完全被反射。但具有更好禁帶調(diào)控性能的三維金剛石結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難等原因，將其作為基板的相關(guān)研究較少。因此，該文擬通過實驗制備金剛石結(jié)構(gòu)EBG基板，研究帶不同周期凹槽的電磁帶隙結(jié)構(gòu)基板對偶極子天線輻射性能影響，為EBG基板天線的工程應(yīng)用提供借鑒。

1 3D打印原理與概述

3D打印又稱增材制造，是一種快速成型技術(shù)[8]，利用CAD軟件設(shè)計模型、CAE軟件對模型進行分層處理，利用打印設(shè)備將材料不斷疊加成型目標實體。按照原理分為熔融沉積（FDM）、光固化（SLA）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、數(shù)字光處理成型（DLP）、分層實體制造（LOM）等[9]。

FDM通過擠出設(shè)備，將熔融的材料擠出成型一個切面，然后在空間上層層疊加粘結(jié)，得到所需實體。其操作簡單、技術(shù)成熟、成本低，但是打印過程需要建立支撐、產(chǎn)品具有臺階效應(yīng)、精度低、易翹曲，多用于制造概念模型和功能模型。

SLA利用光聚合原理，激光器按照切面形狀掃描光敏樹脂，光束所掃過的樹脂迅速固化，當完成一個面的掃描后，工作臺下降一個層厚，重復(fù)上述過程層層堆疊實體?？纱蛴?fù)雜結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品表面質(zhì)量出色、精度高，但需要支撐結(jié)構(gòu)和避光處理，零件較脆、易斷裂、設(shè)備成本較高?；谏鲜鰡栴}，在SLA的基礎(chǔ)上發(fā)展出了DLP，通過數(shù)字投影儀直接曝光整層樹脂得到固化效果，這樣采用整層固化的打印方式，速度更快、效率更高。

SLS是將預(yù)熱粉料鋪在基面上，激光束根據(jù)切面形狀按照一定軌跡移動，軌跡上粉料升溫至熔點并粘結(jié)在一起，完成一層切面燒結(jié)后，工作臺下降一個層厚，重復(fù)上述過程，完成打印。優(yōu)點在于成型快、不需要支撐、可成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件，但是表面精度低、力學(xué)性能差。

考慮各種打印方法的優(yōu)缺點，EBG結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成型精度要求高，所以采用立體光固化（SLA）打印其反向模具，利用凝膠注模技術(shù)、真空冷凍干燥工藝和高溫?zé)Y(jié)進行后處理，最終成型電磁帶隙結(jié)構(gòu)基板。

2 實驗與測試

2.1實驗過程

2.1.1模具成型

使用Pro/E軟件設(shè)計金剛石結(jié)構(gòu)EBG基板的CAD模型和相應(yīng)的反向模具，其晶格常數(shù)為15 mm，占空比0.28，全尺寸7×7×5周期，分為五組，其中四組引入凹槽，凹槽分別被1、2、3、4個周期所包圍，另一組不帶凹槽。使用光固化成型機（XT-SLA350 ，上海璽太三維）由光敏樹脂（14120型）制造模具。

2.1.2凝膠注模

首先將AM（丙烯酰胺）和MBAM（亞甲基雙丙烯酰胺）溶解在去離子水中得到預(yù)混溶液（質(zhì)量比：去離子水79.2%，AM 20%，MBAM 0.8%）。其次，將預(yù)混溶液倒入研磨容器中，然后按照陶瓷漿料的配方逐漸加入陶瓷粉末（氧化鋁，中徑5 μm和25 μm，比例1：1），加入分散劑（聚丙烯酸鈉）制備陶瓷漿料，得到固相含量55vol%的氧化鋁漿料。將混合物在球磨機中研磨4 h，根據(jù)凝膠時間要求加入一定量的催化劑（四甲基乙二胺）和引發(fā)劑（過硫酸銨），最后將漿料澆注到樹脂模具中并輔以輕微振動可制得EBG基板素坯。

2.1.3干燥與燒結(jié)

首先采用真空冷凍干燥法對素坯干燥，素坯放置在真空冷凍干燥機（VFD-2000，北京博醫(yī)康）的腔室中冷凍至-35 ℃，同時抽真空至30 Pa，逐漸升高腔體的溫度至室溫（25 ℃），完成素坯干燥。最后將干燥素坯放入燒結(jié)爐（KSX2，湘潭湘儀）中，逐步升溫至1550 ℃，完成最終燒結(jié)得到EBG基板。

2.2測試

在該實驗中，主要包括對偶極子天線輻射點、EBG基板微波傳輸特性和天線能量方向圖的測試。直接利用網(wǎng)絡(luò)分析儀（HP8720ES，惠普）的一端直接測試天線的反射傳輸性能，即可得到天線的輻射點。將基板放在傳輸線的一段路徑中，通過兩個適配器與一臺網(wǎng)絡(luò)分析儀相連，用傳輸反射法測試基板的傳輸特性。天線的能量方向圖采用如圖1所示的系統(tǒng)進行測試，通過網(wǎng)絡(luò)分析儀連接喇叭天線發(fā)射電磁波信號，被測天線的一端接收信號并連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，從而得到天線各個方向的能量。

3 結(jié)果與討論

如圖2所示，為EBG基板的反向模具。圖3為所制得的不同結(jié)構(gòu)的EBG基板，圖3a～d分別為凹槽周圍帶1、2、3、4個周期，圖3e為完整結(jié)構(gòu)。從圖可以看出，反向模具和EBG基板的表面精度都相當不錯，采用上述方法能夠完成對金剛石結(jié)構(gòu)EBG基板的快速成型。

圖4為EBG基板的微波傳輸特性圖，如圖4所示，禁帶在12.2～14.6 GHz之間，處于微波段，禁帶區(qū)間損耗都在-30 dB以下。圖5為實驗所用偶極子天線的輻射點的測試，該天線的輻射點非常接近13 GHz，在EBG基板的禁帶內(nèi)，天線的輻射點與基板的禁帶相匹配。

將不同結(jié)構(gòu)的EBG基板與所制得的偶極子天線組裝起來（將偶極子天線置入凹槽中），測得完整結(jié)構(gòu)和帶凹槽EBG基板天線的能量方向圖，并將它們的性能被綜合到表1中。

由表1可知，對比五類EBG基板天線的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)它們的輻射點都是13 GHz，禁帶區(qū)間也相同，說明引入凹槽并不會對EBG基板的禁帶產(chǎn)生影響。但它們最大的增益方向各不相同，所有天線的增益方向和主瓣方向都不相同，這是因為電磁帶隙結(jié)構(gòu)在與偶極子天線的耦合中，凹槽的引入和凹槽周圍的周期數(shù)都會影響到天線的方向性。同時，凹槽的引入使得天線的增益發(fā)生變化，凹槽周期數(shù)多少影響了天線的增益，相比較完整結(jié)構(gòu)EBG基板，當凹槽周圍被3個周期包圍時，天線的增益提高了1 dB，能量輻射提高1.25倍，實驗證明，金剛石結(jié)三維電磁帶隙結(jié)構(gòu)作為偶極子天線的反射基板，在其中引入合適的凹槽作為天線罩能夠大大提高EBG基板天線的增益。

能夠產(chǎn)生這種效果的主要原因是在EBG基板中引入凹槽后，偶極子天線放入其中，四面都被EBG所包圍，當電磁波輻射或接收時，一方面偶極子天線置于凹槽中能全方向反射電磁波到天線上，完美結(jié)構(gòu)時一般在-60°～60°反射效果好，其增益效果也不一樣，同時也和凹槽周圍周期數(shù)有關(guān);另一方面，天線被罩住，大大減少了外界電磁波對偶極子輻射或接收能力的干擾，因此凹槽的引入在不影響EBG基板禁帶范圍的情況下，能夠提高天線的增益。

4 結(jié)語

該文通過光固化打印反向模具，結(jié)合凝膠注模、冷凍干燥和高溫?zé)Y(jié)得到不同類型的金剛石結(jié)構(gòu)三維電磁帶隙結(jié)構(gòu)基板，將其與偶極子天線結(jié)合，通過傳輸與反射法測試其電磁波傳輸特性，得出以下結(jié)論：以三維電磁帶隙結(jié)構(gòu)作為天線基板，通過在其中引入凹槽，將偶極子天線置入凹槽中，當凹槽周圍周期數(shù)為3個周期時，EBG基板天線的增益提高了1 dB，能量提高了1.25倍。實驗結(jié)果說明：通過對EBG基板的宏觀結(jié)構(gòu)作恰當?shù)母淖?，能夠進一步提高天線的增益，提高天線輻射或接收的能量。

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