波紋錐體揚(yáng)聲器天線設(shè)計(jì)的橫截面圖
事實(shí)上，大多數(shù)3D打印天線都是由金屬制成的，但俄羅斯Yasar學(xué)院的兩名研究人員最近完成了一項(xiàng)利用PLA材料制作3D打印錐形波紋揚(yáng)聲器天線的研究，該天線用于現(xiàn)場(chǎng)直播。 衛(wèi)星（DBS）系統(tǒng)中的饋電反射器天線。 論文《采用 3D 打印技術(shù)的寬帶 Ku 波段錐形波紋揚(yáng)聲器天線原型》討論了研究人員使用 FDM 3D 打印和鎳導(dǎo)電氣溶膠涂層制造的原型天線的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和驗(yàn)證。
摘要中寫道：“CST項(xiàng)目設(shè)計(jì)的天線工作在Ku頻段10.5-18.5GHz寬帶。原型機(jī)通過(guò)新一代3D打印技術(shù)和導(dǎo)電油墨涂層實(shí)現(xiàn)ku波段 傳輸損耗，使得天線重量輕，成本低，生產(chǎn)速度快，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，天線的雜波損耗幾乎優(yōu)于20dB，最小增益值為14.5dBi，最小旁瓣電平為-18dB，頻率帶寬為1.76 ：1.與相同的高導(dǎo)電金屬天線相比，天線的增益損耗最多為1.5-2dB，需要更高的制造成本和生產(chǎn)時(shí)間。
3D打印半天線原型
通常，錐形波紋揚(yáng)聲器天線用于雙極或圓極化應(yīng)用，例如衛(wèi)星通信，由四個(gè)主要部分組成：輸入（異相）波導(dǎo)、過(guò)渡、波紋輪廓（模式轉(zhuǎn)換器）和天線孔徑； 然而，這個(gè)原型只有三個(gè)。
這些天線的內(nèi)表面槽和齒可用作遙感系統(tǒng)和衛(wèi)星中反射器的饋源，因?yàn)樗鼈兙哂小暗徒徊鏄O化水平、低側(cè)瓣和后瓣水平以及良好的雜波損耗值的方向性和增益”。
“當(dāng)輸入波導(dǎo)部分存在 TE11 模式傳播時(shí)，TE11 和 TM11 模式在波紋表面中傳播，輸入波導(dǎo)部分是光滑平坦的壁結(jié)構(gòu)。TE 和 TM 模式的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量以相同的速率傳播，這導(dǎo)致了單一混合（HE11）模式，”研究人員解釋道。 “因此，天線的波紋表面實(shí)際上起到了模式轉(zhuǎn)換器的作用。混合模式傳播在輻射方向圖中提供了出色的波束對(duì)稱性，具有低交叉極化水平和高波束效率。由于這種誘導(dǎo)，波紋揚(yáng)聲器提供了良好的寬帶性能。”
組裝天線結(jié)構(gòu)
由于它們由復(fù)雜的幾何形狀組成，因此需要高精度的制造工藝來(lái)創(chuàng)建此類形狀。 CNC和CCM機(jī)器最常用，但它們價(jià)格昂貴且耗時(shí)較長(zhǎng)，這就是為什么有些人選擇使用FDM3d復(fù)制的原因。
該天線專為工作在10.5至18.5GHz之間的寬頻段而設(shè)計(jì)，因此可以覆蓋DBS通信中常用的RX頻段（10.5-12.75GHz）和TX頻段（17.3-18.4GHz）以??及10.7 TX/RX遙控和遙測(cè)衛(wèi)星應(yīng)用中的頻段 - 12.75GHz 和 13.75-14.5GHz。 中的模擬用于優(yōu)化該規(guī)格，首先使用 (PEC) 材料來(lái)加快流程，然后使用電介質(zhì) PLA 和鎳導(dǎo)電氣溶膠涂料電鍍。
研究人員解釋說(shuō)：“此外，PEC材料的結(jié)果被用作比較的參考，以便它們可以近似為用數(shù)控機(jī)床和鋁等高導(dǎo)電性材料制造天線時(shí)的結(jié)果。”
“根據(jù)鍍層天線的仿真結(jié)果可以推斷，PLA/鎳材料對(duì)天線的雜波損耗性能影響不大，10-19GHz的雜波損耗值幾乎低于20dB。頻率在10GHz左右時(shí)，這個(gè)值略高于20dB，這是因?yàn)镻LA上鍍層的長(zhǎng)度降低了對(duì)包括缺相圓形波導(dǎo)在內(nèi)的天線內(nèi)部規(guī)格的激勵(lì)。因此，截止頻率波導(dǎo)（和天線）的雜波損耗似乎接近 10GHz，當(dāng)天線的雜波損耗惡化時(shí)。
回波損耗檢測(cè)設(shè)置
2+ 用于制造 PLA 的天線原型，PLA 比 ABS 更容易、更便宜、更環(huán)保。 使用 0.4 毫米噴嘴以 50 毫米/秒的速度涂覆 0.2 毫米層，填充率為 50%，大約需要 23 小時(shí)。
檢測(cè)方向性和輻射模式
“打印后，使用三層 Super-841 鎳導(dǎo)電氣溶膠涂層對(duì)同一部件進(jìn)行蝕刻，使鍍層長(zhǎng)度約為 0.1 毫米。最后，通過(guò)將它們與特殊的可調(diào)節(jié)夾具系統(tǒng)組合在一起，將組裝好的兩半部件組裝起來(lái)。”研究人員強(qiáng)調(diào)，“制造步驟完成后，原型天線的總重量約為230克，足夠輕。”
檢查了天線的性能——方向性、輻射方向圖、實(shí)現(xiàn)的增益和雜波損耗。 據(jù)悉，研究人員還比較了由3D打印PLA和鎳制成的天線與采用CNC制成的鋁天線的成本、生產(chǎn)成本和重量。
毫不奇怪，研究表明 3D 影印原型制作所需的時(shí)間和金錢更少，但重量也更輕。
“雖然其涂有中等導(dǎo)電率的導(dǎo)電材料（鎳），且長(zhǎng)度約為0.1mm，但從測(cè)試結(jié)果可以看出，該天線的增益損耗與同廠生產(chǎn)的三款天線相比，增益損失不超過(guò)2dB采用該技術(shù)制造的天線結(jié)構(gòu)仍然表現(xiàn)出極其令人滿意的性能ku波段 傳輸損耗，使其在給定頻段的 E 平面和 H 平面中提供超過(guò) 17dB 的雜波損耗，14.5dBi 增益和 -18dB 峰值旁瓣電平（1.76.:1 帶寬），”研究人員總結(jié)道。 “與基于 CNC 的生產(chǎn)相比，所提出的制造技術(shù)具有重量輕、成本低和生產(chǎn)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，盡管增益略有損失。作為推論”
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