陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡天線在衛(wèi)星通信的潛在應用

來源：因泰萊激光

陶瓷3D打印技術在航空航天，人工骨、工業(yè)精密零件制作、工藝品等領域有著諸多的應用。然而，在射頻器件、微波領域的應用鮮有報道。

據(jù)悉，華中科技大學光學與電子信息學院、電子信息功能材料教育部重點實驗室呂文中教授團隊利用因泰萊激光的CeraBuilder100陶瓷激光3D打印機打印近零熱膨脹Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介電陶瓷諧振器天線與集成透鏡，在溫度穩(wěn)定的衛(wèi)星通信中具有潛在的應用前景，該微波介電材料在高頻通訊、5G領域也有著非常好的應用前景。該成果發(fā)表在國外著名期刊ADVANCED MATERIALS上，名稱為《Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-Based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens》

在航空航天等極端環(huán)境下，對高增益、低重量、寬帶寬、微型化的耐溫性能的透鏡天線有著迫切的需求。然而，具有近零熱膨脹和隨溫度頻移的高性能微波介質陶瓷非常罕見。Ba1-xSrxZn2Si2O7具有負的熱膨脹系數(shù)(CTE)， CTE源于[ZnO4]四面體鏈隨溫度沿b軸的拉伸到扭曲，在0.95(0.9Zn1.8SiO3.8-0.1Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7) -0.05CaTiO3陶瓷中，共振頻率溫度系數(shù)為正的CTE和τf可有效地調節(jié)Zn1.8SiO3.8的CTE和τf接近于零，是非常理想的近零熱膨脹射頻電介質材料。

作者團隊利用近零熱膨脹Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介電陶瓷材料，設計了一款天線結構，見下圖所示。

利用CeraBuilder100陶瓷3D打印機，對設計的透鏡天線結構進行了打印成型。

作者對打印的成品進行了參數(shù)測量，得到了較為理想的結果，測量表明打印制作的Kuband Luneburg透鏡綜合天線在10.45-11.39 GHz和12.27-13.45 GHz的平均增益分別為8.06dBi和10.3dBi。

a1-xSrxZn2Si2O7微波介質陶瓷中CTE和τf值的雙重調節(jié)在微波器件領域具有潛在的應用價值。此外，Ba1-xSrxZn2Si2O7陶瓷具有罕見的NCTE特性，是Zn1.8SiO3.8陶瓷有效的CTE調節(jié)劑和燒結助劑。因此，0.95(0.9Zn1.8SiO3.8 - 0.1Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7)-0.05catio3陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的微波介電性能和ZCTE性能，使其成為利用光固化3D打印技術制作集成透鏡的理想候選DRAs材料。設計的透鏡天線增益得到了增強，拓寬了工作帶寬（在10.45-11.39 GHz時平均增益為8.06 dBi），在12.27-13.45 GHz時平均增益為10.3 dBi。因此，作者團隊設計的新型透鏡天線，在溫度穩(wěn)定的衛(wèi)星通信中具有潛在的應用前景。

2000年以來，呂文中教授團隊應用CeraBuilder 100陶瓷3D打印機，在陶瓷微波、射頻器件領域先后在國外知名期刊發(fā)表4篇重要論文，內容涵蓋微波介質陶瓷打印漿料、透鏡天線制備、微波陶瓷濾波器的3D打印等。