陶瓷3D打印近零热膨胀微波介电陶瓷透镜天线在卫星通信的潜在应用

来源：因泰莱激光

陶瓷3D打印技术在航空航天，人工骨、工业精密零件制作、工艺品等领域有着诸多的应用。然而，在射频器件、微波领域的应用鲜有报道。

据悉，华中科技大学光学与电子信息学院、电子信息功能材料教育部重点实验室吕文中教授团队利用因泰莱激光的CeraBuilder100陶瓷激光3D打印机打印近零热膨胀Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介电陶瓷谐振器天线与集成透镜，在温度稳定的卫星通信中具有潜在的应用前景，该微波介电材料在高频通讯、5G领域也有着非常好的应用前景。该成果发表在国外著名期刊ADVANCED MATERIALS上，名称为《Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-Based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens》

在航空航天等极端环境下，对高增益、低重量、宽带宽、微型化的耐温性能的透镜天线有着迫切的需求。然而，具有近零热膨胀和随温度频移的高性能微波介质陶瓷非常罕见。Ba1-xSrxZn2Si2O7具有负的热膨胀系数(CTE)， CTE源于[ZnO4]四面体链随温度沿b轴的拉伸到扭曲，在0.95(0.9Zn1.8SiO3.8-0.1Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7) -0.05CaTiO3陶瓷中，共振频率温度系数为正的CTE和τf可有效地调节Zn1.8SiO3.8的CTE和τf接近于零，是非常理想的近零热膨胀射频电介质材料。

作者团队利用近零热膨胀Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介电陶瓷材料，设计了一款天线结构，见下图所示。

利用CeraBuilder100陶瓷3D打印机，对设计的透镜天线结构进行了打印成型。

作者对打印的成品进行了参数测量，得到了较为理想的结果，测量表明打印制作的Kuband Luneburg透镜综合天线在10.45-11.39 GHz和12.27-13.45 GHz的平均增益分别为8.06dBi和10.3dBi。

a1-xSrxZn2Si2O7微波介质陶瓷中CTE和τf值的双重调节在微波器件领域具有潜在的应用价值。此外，Ba1-xSrxZn2Si2O7陶瓷具有罕见的NCTE特性，是Zn1.8SiO3.8陶瓷有效的CTE调节剂和烧结助剂。因此，0.95(0.9Zn1.8SiO3.8 - 0.1Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7)-0.05catio3陶瓷表现出优异的微波介电性能和ZCTE性能，使其成为利用光固化3D打印技术制作集成透镜的理想候选DRAs材料。设计的透镜天线增益得到了增强，拓宽了工作带宽（在10.45-11.39 GHz时平均增益为8.06 dBi），在12.27-13.45 GHz时平均增益为10.3 dBi。因此，作者团队设计的新型透镜天线，在温度稳定的卫星通信中具有潜在的应用前景。

2000年以来，吕文中教授团队应用CeraBuilder 100陶瓷3D打印机，在陶瓷微波、射频器件领域先后在国外知名期刊发表4篇重要论文，内容涵盖微波介质陶瓷打印浆料、透镜天线制备、微波陶瓷滤波器的3D打印等。