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更新時(shí)間:2025-11-10
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隨著5G、毫米波通信和太赫茲通信等高頻通信技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)天線性能提出了更高要求,尤其是在增益、帶寬與小型化方面。梯度折射率超構(gòu)透鏡因其無(wú)需復(fù)雜饋電網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)高增益波束輻射,逐漸成為研究熱點(diǎn)。
陶瓷材料具有高介電常數(shù)、低介電損耗、優(yōu)異的機(jī)械性能和環(huán)境穩(wěn)定性,是制造高頻超構(gòu)透鏡的理想材料。數(shù)字光處理3D打印技術(shù)因其高分辨率和大成型尺寸,適合制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷器件。然而,陶瓷顆粒對(duì)紫外光的散射效應(yīng)嚴(yán)重影響了打印精度,尤其在W波段(75–110 GHz)中,單元結(jié)構(gòu)尺寸小至微米級(jí),對(duì)制造工藝提出了高要求。
近日,南方科技大學(xué)的葛锜/王榮團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊《International Journal of Extreme Manufacturing》上發(fā)表了最新研究,論文題為“Digital light processing 3D printing of ceramics for W-band gradient refractive index metalens"。本研究提出了一種基于多材料4D打印技術(shù)制備陶瓷梯度折射率超構(gòu)透鏡的方法,通過(guò)優(yōu)化陶瓷漿料配方并引入尺寸補(bǔ)償策略,顯著提升了打印精度。研究人員結(jié)合幾何光學(xué)與S參數(shù)反演法,設(shè)計(jì)了包含Y形和圓孔兩種亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)的超構(gòu)透鏡,最小特征尺寸為160 μm。最終制備出的陶瓷超構(gòu)透鏡在W波段表現(xiàn)出優(yōu)異的輻射性能:最大增益提升達(dá)18.4 dBi,波束偏轉(zhuǎn)角度為±30°,相對(duì)帶寬達(dá)37.84%,展現(xiàn)出在高頻通信中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

如圖1-2所示,研究中制備了以Al?O?為主體、添加光吸收劑Sudan Orange G的陶瓷漿料。通過(guò)光流變實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),適量光吸收劑的加入可延遲凝膠時(shí)間,提升打印可控性。打印過(guò)程中,過(guò)度固化效應(yīng)導(dǎo)致線寬和固化深度偏離設(shè)計(jì)值,通過(guò)系統(tǒng)調(diào)整曝光能量與漿料成分,顯著減小了尺寸偏差。

圖1. 陶瓷GRIN超構(gòu)透鏡的制備流程示意圖。

圖2. 漿料的流變與光固化性能。
本次研究系統(tǒng)評(píng)估了打印過(guò)程中的過(guò)度固化效應(yīng)。圖3(a)和(b)顯示,隨著曝光能量增加,水平方向的線寬偏差增大,而添加光吸收劑可顯著減小此偏差。圖3(c)和(d)則表明,光吸收劑同樣能有效控制垂直方向的固化深度,避免過(guò)度穿透。

圖3. 陶瓷漿料的固化與過(guò)度固化效應(yīng)評(píng)估。
為校正打印過(guò)程中因過(guò)度固化引起的尺寸偏差,研究團(tuán)隊(duì)提出了針對(duì)圓孔(如圖4所示)和薄壁結(jié)構(gòu)(如圖5所示)的尺寸補(bǔ)償方法。通過(guò)預(yù)先調(diào)整設(shè)計(jì)尺寸,使得打印后的實(shí)際尺寸更接近目標(biāo)值,最終將尺寸偏差控制在30 μm以內(nèi)。

圖4. 圓形孔的尺寸補(bǔ)償設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖5. 薄壁結(jié)構(gòu)的尺寸補(bǔ)償設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)結(jié)果。
如圖6示,打印后的生坯經(jīng)過(guò)在氬氣氣氛中分段升溫脫脂,以及在空氣中1600°C燒結(jié),最終獲得致密的Al?O?陶瓷件。XRD分析顯示燒結(jié)前后均為α-Al?O?相,相對(duì)密度達(dá)95.5%,有利于降低介電損耗。

圖6. 熱重分析與燒結(jié)工藝曲線。
基于離散化折射率分布,設(shè)計(jì)了由20個(gè)同心環(huán)組成的平面超構(gòu)透鏡(如圖7所示)。經(jīng)過(guò)微觀結(jié)構(gòu)表征,該平面超構(gòu)透鏡從打印的生坯(圖8a)、脫脂后(圖8b)到燒結(jié)后的最終白色陶瓷件(圖8c)。SEM圖像清晰顯示了燒結(jié)后復(fù)現(xiàn)良好的圓孔(圖8g)和Y形(圖8h)單元結(jié)構(gòu)。圖8(i)的尺寸對(duì)比表明,經(jīng)補(bǔ)償后所有單元的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)值偏差均在30 μm以內(nèi)。

圖7. 超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)原理。

圖8. 超構(gòu)透鏡的制備過(guò)程與微觀結(jié)構(gòu)表征。
如圖9的仿真結(jié)果表明,該透鏡在W波段能顯著提升天線增益并收窄波束。微波暗室實(shí)測(cè)結(jié)果(如圖10所示)驗(yàn)證了其優(yōu)異的性能,包括高達(dá)18.4 dBi的增益提升、±30°的波束偏轉(zhuǎn)能力以及低于6°的半功率波束寬度。

圖9. 超構(gòu)透鏡的仿真輻射場(chǎng)分布。

圖10. 輻射性能測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)對(duì)比。