セラミック 3D プリントされたほぼゼロ熱膨張のマイクロ波誘電体セラミックレンズアンテナの衛星通信への潜在的な応用

出典: Inteli Laser

セラミック 3D プリント技術は、航空宇宙、人工骨、工業用精密部品製造、手工芸品などの分野で多くの用途があります。しかし、RF デバイスやマイクロ波分野への応用に関する報告はほとんどありません。

華中科技大学光学電子情報学院の呂文中教授と教育部電子情報機能材料重点実験室のチームが、Intell LaserのCeraBuilder100セラミックレーザー3Dプリンターを使用して、温度安定性のある衛星通信での潜在的な応用見通しを持つ、熱膨張がほぼゼロのBa1-xSrxZn2Si2O7ベースのマイクロ波誘電体セラミック共振器アンテナと統合レンズを印刷したと報告されています。このマイクロ波誘電体材料は、高周波通信や5G分野でも非常に優れた応用見通しを持っています。この結果は、有名な海外のジャーナルADVANCED MATERIALSに「集積レンズ付き3Dプリント誘電体共振器アンテナ用のほぼゼロの熱膨張Ba1-xSrxZn2Si2O7ベースのマイクロ波誘電体セラミックス」というタイトルで掲載されました。

航空宇宙などの過酷な環境では、高利得、軽量、広帯域幅、小型耐熱性を備えたレンズアンテナが緊急に必要とされています。しかし、熱膨張がほぼゼロで、温度による周波数シフトがゼロの高性能マイクロ波誘電体セラミックは非常に稀です。 Ba1-xSrxZn2Si2O7 は、負の熱膨張係数 (CTE) を持っています。CTE は、温度とともに b 軸に沿った [ZnO4] 四面体鎖の伸張とねじれから生じます。0.95(0.9Zn1.8SiO3.8-0.1Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7) -0.05CaTiO3 セラミックでは、正の共振周波数温度係数を持つ CTE と τf により、Zn1.8SiO3.8 の CTE と τf を効果的にゼロに調整することができ、理想的なほぼゼロの熱膨張 RF 誘電体材料です。

著者チームは、熱膨張がほぼゼロのBa1-xSrxZn2Si2O7ベースのマイクロ波誘電体セラミック材料を使用して、下図に示すようにアンテナ構造を設計しました。
設計されたレンズアンテナ構造は、CeraBuilder100 セラミック 3D プリンターを使用して印刷されました。

著者らは印刷された製品のパラメータを測定し、比較的理想的な結果を得ました。測定の結果、印刷された Kuband リューネブルグレンズ統合アンテナの平均利得は、10.45～11.39 GHz で 8.06 dBi、12.27～13.45 GHz で 10.3 dBi でした。

a1-xSrxZn2Si2O7 マイクロ波誘電セラミックスの CTE と τf 値の二重制御は、マイクロ波デバイスの分野で潜在的な応用価値を持っています。さらに、Ba1-xSrxZn2Si2O7 セラミックは珍しい NCTE 特性を備えており、Zn1.8SiO3.8 セラミックの効果的な CTE 調整剤および焼結助剤です。したがって、0.95(0.9Zn1.8SiO3.8 - 0.1Ba0.4Sr0.6Zn2Si2O7)-0.05catio3セラミックは、優れたマイクロ波誘電特性とZCTE特性を示し、フォトステレオスコピック3D印刷技術を使用して統合レンズを作成するための理想的な候補DRA材料となります。設計されたレンズアンテナの利得は向上し、動作帯域幅が広がり（平均利得は10.45～11.39GHzで8.06dBi）、平均利得は12.27～13.45GHzで10.3dBiです。したがって、著者チームが設計した新しいレンズアンテナは、温度安定性のある衛星通信への応用の見込みがあります。

2000 年以来、呂文中教授のチームは CeraBuilder 100 セラミック 3D プリンターを使用して、セラミックマイクロ波および無線周波数デバイスの分野で有名な海外のジャーナルに 4 つの重要な論文を発表しました。その内容は、マイクロ波誘電体セラミック印刷スラリー、レンズアンテナの準備、およびマイクロ波セラミックフィルターの 3D 印刷をカバーしています。

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