基于介质3D打印技术的宽带磁电偶极子等相与单脉冲天线阵列设计

《Electronics》：Multimodal Swin Transformer with Hyper-Feature and Attention-Gated Clinical Fusion for Skin Lesion Classification

　　

摘要专业翻译 本文提出了两种采用介质3D打印技术实现的天线阵列设计：等相阵列（equal-phase array）和单脉冲阵列（monopulse array）。为实现宽带工作和低后瓣辐射，研究人员首先提出了一种新型磁电偶极子（magneto-electric dipole, ME-dipole）单元。该单元由开口波导衍生而来：开口口径充当磁偶极子，而置于口径处的一对金属贴片构成电偶极子。通过结构演化，该单元被改造为适用于3D打印后的后处理工艺。随后，研究人员基于该单元开发了两种阵列。等相阵列采用三级级联T型结馈电网络，而单脉冲阵列则将第一级T型结替换为魔T耦合器（Magic-T coupler）。两种阵列的主体均由介质材料打印而成，并通过选择性表面镀铜形成所需的金属部件。所提出的阵列具有制造简单、重量轻和性能优良等优点。测量结果表明，等相阵列和单脉冲阵列分别实现了32.8%和35.6%的重叠带宽，峰值增益分别为13.1 dBi和13.5 dBi。单脉冲阵列的实测零深低于?32.3 dB。

论文解读文章

一、研究背景与意义

3D打印作为一种新兴的增材制造技术，通过逐层沉积材料来构建三维结构，与传统减材工艺相比具有材料利用率高、适合复杂结构制造、生产周期短等优势，已在工业制造、航空航天、医学和建筑等领域得到广泛应用。近年来，3D打印技术在天线工程领域也引起了广泛的研究兴趣。

根据打印所用材料的不同，3D打印天线可分为金属型和介质型两大类。金属型天线通常采用直接金属激光烧结（DMLS）、激光粉末床熔融（LPBF）等工艺制造，已在喇叭天线、分形天线、谐振腔天线等多种天线单元上得到成功应用，在阵列层面也有大规模金属3D打印设计的报道。金属3D打印能够实现与传统数控加工（CNC）相当的制造质量，所制造的天线通常具有良好的性能。然而，金属相对较高的密度增加了天线重量，限制了实际部署，这一缺点对于波导类天线阵列尤为突出。

介质型3D打印天线通常采用熔融沉积建模（FDM）、立体光刻（SLA）和PolyJet等工艺制造，已有介质谐振器天线（DRA）和透镜天线等多种设计被报道。然而，大多数介质3D打印天线为独立单元，阵列设计相对较少，其可实现增益往往受限。此外，近期虽有混合金属-介质3D打印阵列的报道，但这些设计通常需要更复杂的制造工艺，有时整个阵列必须分为多个部件再行组装。

针对上述问题，本文开展了基于介质3D打印技术的天线阵列研究，其创新点和贡献主要体现在：第一，提出了一种与介质3D打印和电镀工艺兼容的新型磁电偶极子单元，具有宽带宽、高前后比（FBR）和稳定的工作性能；第二，已有报道的介质3D打印天线多集中于独立单元，而本研究是介质3D打印天线阵列方面为数不多的研究之一，与金属3D打印和混合金属-介质3D打印阵列相比，所提出的设计具有重量更轻、尺寸更紧凑、制造工艺更简单的优势；第三，通过开发和实验验证等相阵列与单脉冲阵列两种构型，证明了介质3D打印技术实现天线阵列的可行性和优越性。

二、主要关键技术方法

研究人员利用全波仿真软件Ansys HFSS 2020版本进行了全部仿真工作。所采用的主要关键技术方法包括：一是新型磁电偶极子单元设计，该单元由介质填充矩形波导、十字形介质块和两个矩形介质块组成，波导四壁通过电镀铜膜形成金属侧壁，十字形介质块沿x方向延伸臂的两个下表面镀铜形成电偶极子金属贴片，波导两侧矩形介质块的下表面镀铜构成反射器结构；二是等相阵列的三级级联H面T型结功率分配馈电网络设计，第一级分配器通过同轴连接器激励并采用锥形凹槽实现阻抗匹配，波导弯角采用圆角设计以抑制反射；三是单脉冲阵列的魔T耦合器设计，通过在Port 2波导段引入两个矩形凹槽、后表面设置圆形凹槽和金属柱来实现阻抗匹配，其中直径仅1 mm、深度6.2 mm的金属柱通过插入同直径金属销钉实现；四是介质3D打印与选择性电镀制造工艺，采用Stratasys Objet30高精度3D打印机以VeroBlue树脂材料打印，制造过程包括掩蔽、溅射和电镀三个步骤，溅射沉积约60 nm厚的导电种子层，电镀约90分钟将金属层厚度增至约9 μm。

三、研究结果

磁电偶极子单元设计结果。 研究人员从开口波导出发，逐步演化单元结构。初始开口波导因空气-介质突变界面产生较大波反射，反射系数仅约?5 dB。通过在波导口径引入矩形介质块作为过渡结构，阻抗匹配随介质块尺寸增大而逐步改善，当高度和宽度分别接近0.5λ_g和1λ_g时可获得良好匹配。在此基础上引入电偶极子和反射器结构后，前后比在整个工作频带内显著提升，最大值约为74 dB，反射器可在8.5–10.5 GHz低频段将增益提升约1 dB。为便于制造，将矩形介质块改为十字形结构，由于介质块内最强电磁场集中在中心区域，该改动对单元性能影响不大，通过调节金属贴片尺寸可补偿微小变化。当贴片长度L_p = 4.2 mm、宽度W_p = 4.5 mm时，电偶极子与磁偶极子的后向辐射获得最大程度抵消，峰值前后比约为84 dB。最终优化单元实现了超过40%的阻抗带宽（覆盖8–12 GHz），峰值增益约6.5 dBi，工作频带内辐射方向图稳定。

等相阵列设计结果。 研究人员基于所提出的单元开发了一维1×8等相阵列，采用三级级联H面T型结功率分配馈电网络。仿真结果表明，三个功率分配器在8–12 GHz频段内均实现等功率分配和低于?10 dB的反射系数，重叠阻抗带宽为8.6–11.3 GHz，插入损耗约0.8 dB。实测反射系数在8.4–11.7 GHz范围内保持在?10 dB以下，实测峰值增益为13.1 dBi（10.5 GHz处），重叠带宽为32.8%。在10 GHz处，实测E面和H面3 dB波束宽度分别约为相应角度值，宽边方向交叉极化电平低于相应dB值。9 GHz和11 GHz处的方向图测量结果同样表明整个工作频带内保持低交叉极化水平。

单脉冲阵列设计结果。 单脉冲阵列采用与等相阵列相同的辐射单元和第二、三级功率分配器，仅将第一级分配器替换为魔T耦合器。当通过Port 1激励时，Port 3和Port 4产生等幅同相信号，驱动全部八个辐射单元形成和波束；当通过Port 2激励时，两半阵列被等幅反相驱动，形成差波束。仿真结果表明，Port 1和Port 2在8–12 GHz频段内反射系数均低于相应dB值，两端口间隔离度优于37.5 dB。实测和差端口反射系数在8–11.8 GHz范围内均低于相应dB值，分数阻抗带宽为38.4%。实测和通道峰值增益约13.5 dBi（10.8 GHz附近），3 dB增益带宽约8.3–11.9 GHz，对应分数带宽约35.6%。差通道增益比和通道低约2.5–3 dB，符合差激励产生宽边零深的预期。实测和仿真端口隔离度分别优于约23 dB和27 dB。在10 GHz处，实测和波束3 dB波束宽度约为相应值，差波束宽边零深为相应dB值，整个工作频带内宽边零深保持在约相应dB以下。

与已有3D打印天线阵列的对比结果。 与全金属3D打印阵列和混合金属-介质3D打印阵列相比，所提出的天线单元具有相对紧凑的占地面积，这得益于介质填充波导构型大幅缩减了波导尺寸。与全金属3D打印阵列相比，所提出的设计具有更轻的重量优势，其制造工艺比混合3D打印阵列更简单。此外，所提出的设计展现出比其他已报道3D打印阵列明显更宽的工作带宽。本工作中等相阵列和单脉冲阵列的口径效率分别为79.2%和82.1%。

四、讨论与结论

本文基于先进的介质3D打印技术，提出了一种新型波导式磁电偶极子天线单元，并通过理论和全波分析研究了其工作原理。基于该单元，研究人员随后开发了等相阵列和单脉冲阵列两种天线阵列。理论分析、全波仿真和实验测量共同证明，两种阵列均具有宽工作带宽、轻量化和易于制造的特点。所提出的设计非常适合需要这些特性的通信平台，包括无人机（UAV）通信和测向系统。这些结果进一步证明了介质3D打印技术用于天线阵列实现的可行性和优势。