基于立体光刻3D打印的结构化穿孔介质基板用于低损耗角度选择表面

《Materials & Design》：Structurally architected perforated dielectric substrate via stereolithography 3D printing for low-loss angle-selective surfaces

　　

研究人员采用立体光刻3D打印（Stereolithography 3D printing, SLA 3D printing）制备了结构化的穿孔介质基板，用于低损耗角度选择表面（Angle-Selective Surface, ASS）。该设计不仅引入了空气区域，还通过图案感知的穿孔保留了树脂，为导电图案提供支撑。浮雕式SLA导引结构有助于双面银浆图案的形成与对准。穿孔使仿真的正入射传输系数S₂₁从?3.2 dB改善至?0.6 dB；实测正入射S₂₁改善1.9 dB，同时保持了角度选择性。

基于《Materials》期刊所载论文“Structurally architected perforated dielectric substrate via stereolithography 3D printing for low-loss angle-selective surfaces”的解读如下：

增材制造（Additive Manufacturing, AM）即3D打印，在射频（Radio Frequency, RF）与微波工程中因快速原型、低成本和几何设计自由度而备受关注。然而，多数可打印聚合物（如聚乳酸和光聚合物树脂）的介电常数和损耗正切（tan δ）高于常规微波基板，导致介质损耗增大、传输效率下降。角度选择表面（Angle-Selective Surface, ASS）作为频率选择表面（Frequency-Selective Surface, FSS）的进阶类型，可根据入射角控制电磁波的传输与反射，其传统设计常采用低损耗聚四氟乙烯（PTFE）基板。但PTFE表面能低、附着性差，通常需要等离子体活化等额外处理才能可靠金属化，增加了制造复杂性与成本。因此，研究人员提出一种图案感知的穿孔介质基板，利用SLA 3D打印制造，旨在降低树脂基板的微波传输损耗，同时支撑并引导双面导电图案的形成，进而实现低损耗的双层ASS。

研究人员设计了一种根据金属图案几何分布进行穿孔的介质基板：在交叉与网格导体下方保留树脂以提供结构支撑，在其余区域去除树脂以增大空气分数，从而降低有效介电常数和损耗。基板表面集成浮雕式金属化导引结构，便于银浆图案的准确定位与涂覆。通过全波仿真与自由空间测量，该结构在正入射时实现了低损耗传输，并在斜入射时保持角度选择抑制能力。该成果发表于《Materials》。

为开展研究，研究人员使用了以下关键技术方法：采用Ansys HFSS结合Floquet端口对ASS单元结构进行全波仿真，评估穿孔比例与浮雕结构对传输系数的影响；使用Formlabs Form 4L SLA打印机和High Temp V2 Resin制造穿孔基板，并通过异丙醇清洗和紫外后固化完成样品制备；利用ELCOAT P-100银浆手动涂覆形成导电图案；采用分体圆柱谐振器（SCR）表征固化树脂的介电性能；采用矩形波导夹具测量不同空气分数样品的微波传输响应；使用聚焦透镜喇叭天线与矢量网络分析仪进行自由空间传输系数测量；利用光学显微镜、FE-SEM和四点探针分别表征图案尺寸、银浆厚度与方块电阻。实验样品为11×11单元阵列，双层间距由3D打印垫片控制。

3.1 ASS仿真：通过单层与双层结构对比，仿真显示双层ASS在正入射时峰值S₂₁为?0.6 dB（10.51 GHz），远优于单层的约?6 dB；电场分布表明层间耦合维持正入射传输；等效电路模型与全波仿真结果吻合。

3.2 Fabrication：SLA打印的基板结构完整，穿孔与浮雕特征成型良好。单元尺寸测量均值为l_g=14.05 mm、l_c=12.1 mm、w_g=0.21 mm、w_c=2.01 mm，平均绝对百分比误差为1.67%，最大误差5%出现在最小设计尺寸w_g。

3.3 Assembly and thermal stability：重复拆装100次后，固定位置的层间距保持在16.75–17.20 mm，标准差0.127 mm；经70 °C和85 °C各2小时热暴露后，基板与图案尺寸、导电连续性基本稳定，层间距最大变化0.1 mm。仿真显示层间距每增加0.1 mm，谐振频率降低约0.03–0.04 GHz，但峰值传输水平几乎不变。

3.4 Measurement：SCR测得固化树脂在10 GHz的相对介电常数约2.8，损耗正切约0.023；矩形波导测量中，空气分数从0%增至60%时，9.70–10.30 GHz频带平均S₂₁由?0.245 dB改善至?0.126 dB，60%与80%样品响应几乎相同。银浆图案方块电阻分别为交叉0.012 Ω/□、网格0.145 Ω/□；由FE-SEM测得银浆厚度约66.18 μm，估算电导率分别为1.26×10⁶ S/m和1.04×10⁵ S/m。自由空间测量下，TE极化正入射峰值S₂₁为?1.3 dB（10.40 GHz），TM极化为?1.7 dB（10.42 GHz）；斜入射时，TE极化在30°–60°、TM极化在40°–60°范围内S₂₁均低于?15 dB。

讨论部分指出，仿真与实测的谐振频率偏移（0.11–0.12 GHz）和额外插入损耗（0.7–1.1 dB）主要归因于制造公差、图案对准误差、基板弯曲导致的层间间隙变化，以及树脂实际介电参数与仿真设置的差异。总体而言，所制备的穿孔基板双层ASS在正入射时保持高传输，在斜入射时有效抑制传输，验证了设计思想。

结论：在本研究中，研究人员开发了一种图案感知的结构化穿孔介质基板，用于降低SLA打印树脂基板的微波传输损耗，并将其应用于双层角度选择表面（ASS）。该设计在导电图案支撑和结构装配所需的区域选择性地保留树脂，同时用空气替换其余介电体积。浮雕金属化导引结构将空气分数从59%提高到64%，并将仿真峰值传输系数从10.35 GHz处的?0.93 dB改善至10.51 GHz处的?0.60 dB，而非穿孔基板为9.84 GHz处的?3.2 dB。SCR测量表征了固化树脂，而矩形波导测量评估了不同空气分数的树脂–空气基板。在9.70–10.30 GHz范围内，带平均传输幅度从0%空气分数样品的?0.245 dB改善至60%样品的?0.126 dB，而60%和80%样品表现出几乎相同的响应。所提出的ASS在TE极化下10.51 GHz处仿真传输系数为?0.60 dB，在TE极化下10.40 GHz处实测值为?1.3 dB，在TM极化下10.42 GHz处为?1.7 dB。与未穿孔对应物相比，所制备的穿孔ASS将实测正入射传输系数改善了1.9 dB。?15 dB传输抑制标准在仿真中入射角40°及以上、测量中30°及以上时满足，证实了所制结构的角度抑制能力。制造表征还显示纵向图案误差低于1%，并量化了层对准和层间间隙控制。所提出的基板将选择性介质去除与导电图案支撑和金属化导引相结合。这种方法在增材制造的射频表面中降低了微波传输损耗，同时保持了结构连续性和角度选择性能。