采用混合填充体素增材制造技术，设计和制造用于定向天线的高介电GRIN透镜

《Advanced Materials Technologies》：Design and Fabrication of High Dielectric GRIN Lens for a Directive Antenna Using a Hybrid Filled Voxel Additive Manufacturing Technique

采用混合增材制造技术，通过3D打印聚合物格架并手动填充不同介电常数的预制陶瓷单元，成功制造出三维空间梯度介电常数的微波透镜。该透镜可将天线长度缩短50%，同时将方向性从6.75 dB提升至7.74 dB，验证了该技术在微波设备微型化中的应用潜力。

　　
本文探讨了一种新型混合增材制造（filled voxel AM）技术，用于实现三维空间梯度介电常数的微波器件。该技术通过结合3D打印的聚合物晶格与手动组装预成型的介电材料单元，突破了传统增材制造在微波器件中的性能限制，为微型化天线系统提供了创新解决方案。

研究背景显示，微波透镜在电磁波聚焦和天线性能优化中具有关键作用。传统透镜因尺寸大、重量重难以满足现代紧凑化需求，而基于拓扑优化的平面透镜虽能缩小体积，但受限于材料折射率范围。作者提出通过离散化梯度设计解决这一矛盾，其核心创新在于将连续折射率梯度转化为由不同介电常数材料单元组成的离散结构。

技术路线采用双阶段制造策略：首先利用选择性激光烧结（SLS）技术3D打印具有特定孔隙分布的聚合物晶格框架，随后在晶格空腔中手动填充不同介电性能的预制块。这种混合制造方法巧妙结合了3D打印的精度优势与材料组装的灵活性，有效实现了介电常数的空间梯度调控。

材料体系方面，研究团队构建了介电常数范围3-9.6的"色板"体系。通过调整ABS基体与钛酸钡陶瓷粉末的体积比例，结合不同工艺参数（如烧结温度、压力、层厚），成功制备出介电常数连续可调的复合单元。实验数据表明，介电常数与体积分数呈线性关系，损耗角正切值均控制在0.01以下，满足微波器件高频应用需求。

器件设计采用仿真驱动方法，通过COMSOL Multiphysics进行多物理场仿真优化。研究团队创新性地将连续折射率梯度离散化为6个同心环状单元，每个单元包含4层不同介电常数的预制块。这种分层设计既保证了制造可行性，又实现了亚波长级（0.4mm）的折射率梯度控制。

实验验证部分，团队构建了H面平面喇叭天线系统，对比了120mm标准天线、40mm缩短天线及集成GRIN透镜的缩短天线性能。结果显示，采用GRIN透镜的缩短天线在15GHz频点直接ivity提升达1dB（从6.75到7.74dB），同时保持与标准天线相当的波束宽度（17.5°到18.3°）。特别值得注意的是，这种结构将天线长度缩短50%的同时，仍能维持与标准设计相当的辐射方向图性能。

制造工艺方面，团队开发了标准化单元制备流程：首先通过场辅助烧结技术制备不同体积分数（1.5-30%）的ABS/钛酸钡复合圆盘，再切割成2mm厚的标准立方体单元。X射线断层扫描显示，材料内部存在定向排列的颗粒结构，但未发现宏观缺陷。扫描电镜观察表明，颗粒尺寸在0.3-2mm范围内，符合微波频率（15GHz波长为20mm）的尺度要求。

性能优化过程中，研究团队通过多参数仿真实验确定最佳离散化方案。在径向方向，6个单元的折射率梯度与理论计算值误差小于0.1%，轴向方向采用4层复合结构即可满足相位连续性要求。阻抗匹配层的设计有效将回波损耗控制在-10dB以下，确保系统整体匹配性能。

该技术的工程实现突破了传统增材制造的两大瓶颈：首先通过预成型复合单元解决了高填充率（30%颗粒）的打印难题；其次采用模块化组装方式将晶格打印与材料填充分阶段实施，显著提升制造效率。测试数据显示，成品GRIN透镜在15GHz频点的有效折射率梯度达1.5（从中心3.1到边缘9.6），相位误差小于0.5°。

应用前景方面，研究团队提出可将此技术扩展至多频段器件、多物理场耦合系统以及可重构天线等领域。通过引入磁性材料单元或导电颗粒，未来有望实现电磁参数的动态调控。制造流程的模块化设计也便于集成到现有3D打印生产线，经测算可使批量生产成本降低40%。

该研究为微波器件的微型化提供了新范式，其核心价值在于：1）建立材料-结构-性能的量化设计体系；2）开发混合制造工艺解决梯度材料制备难题；3）实现传统设计难以达到的折中性能。实验数据表明，在保持15GHz工作带宽的前提下，天线长度缩减50%的同时直接ivity提升达15%，这一性能突破为5G通信设备的小型化奠定了理论基础。

后续研究建议可重点突破三个方向：首先开发自动化的单元填充系统，将当前手动组装效率提升10倍以上；其次探索梯度折射率与拓扑优化的协同设计方法；最后拓展至毫米波频段，当前研究在18GHz以上频段性能有待验证。该技术的工程化潜力已通过初步测试验证，有望在三年内实现产业化应用。