mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2021-9-2-57-65mireabulletin-302Research ArticleСОВРЕМЕННЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫMODERN RADIO ENGINEERING AND TELECOMMUNICATION SYSTEMSИсследование диэлектрических характеристик материалов, изготавливаемых с применением аддитивных технологийInvestigation of the dielectric characteristics of materials manufactured using additive technologiesХаралгинС. В.KharalginS. V.

Харалгин Сергей Владимирович, инженер-электроник 1 категории

107078,  Москва, ул. Новая Басманная, д. 20, стр. 9

Sergey V. Kharalgin, Electronics Engineer of the 1st category

20, Novaya Basmannaya ul., Moscow, 107078

hsvl92@mail.ruВойтовичМ. И.VoytovichM. I.

Войтович Максим Иванович, начальник лаборатории

107078,  Москва, ул. Новая Басманная, д. 20, стр. 9

Maksim I. Voytovich, Head of Laboratory

20, Novaya Basmannaya ul., Moscow, 107078

maksimvoytovich@gmail.comАО «ЦНИРТИ им. академика А.И. Берга»РоссияAcademician A.I. Berg Central Radio-Research InstituteRussian Federation202126042021925765Copyright © Харалгин С.В., Войтович М.И., 20212021Харалгин С.В., Войтович М.И.Kharalgin S.V., Voytovich M.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/302

На основе существующих методов измерения диэлектрических характеристик материалов выбран метод конечного интегрирования, оптимальный для проведения расчетов в системе электродинамического автоматизированного проектирования. Исходя из расчетных значений матрицы рассеяния по заданному алгоритму вычислены диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь образцов печатаемого полимера. При оценке точности расчета диэлектрических характеристик осуществлена валидация для образца с заданными характеристиками. Для образца, печатаемого по технологии послойного наплавления полимерных нитей, проведена оценка влияния параметров заполнения на диэлектрические характеристики печатаемой модели в Х-диапазоне длин волн. Приведено описание модели, реализованной в системе автоматизированного проектирования. Путем обработки результатов моделирования получены аппроксимирующие зависимости для диэлектрической проницаемости и потерь от степени заполнения диэлектриком. Из расчетных угловых диаграмм следует, что снижение степени заполнения диэлектрика напрямую отражается на степени анизотропии получаемого при печати полимера в плоскости расположения экструдированных слоев. При этом также увеличивается глубина экстремумов, наблюдаемых при углах 0°, 90° и 180°. Наличие этих экстремумов напрямую связано с тем, что силовые линии напряженности основного типа волны в волноводе располагаются перпендикулярно широкой стенке, и в ситуации, когда объемы воздушных зазоров между цилиндрами оказываются параллельными силовым линиям напряженности, наблюдается общее снижение диэлектрической проницаемости. Для печатаемого образца, состоящего из двух слоев перекрещенных цилиндров, воздушные объемы оказываются параллельными силовым линиям с периодом в 90°, что и подтверждается полученными результатами. Увеличение глубины экстремумов при снижении степени заполнения связано с соответствующим увеличением воздушного пространства между цилиндрами в слое печатаемого полимера.

Based on the existing methods of measuring the dielectric characteristics of materials, the most optimal method for performing calculations in the electrodynamic computer-aided design system is selected by the finite integration method. Based on the calculated values of the scattering matrix, the permittivity and the tangent of the dielectric loss angle of the printed polymer samples are calculated according to a given algorithm. When evaluating the accuracy of the calculation of the dielectric characteristics, validation was performed for a sample with the specified characteristics. For a sample printed using the technology of fused filament fabrication, the influence of the filling parameters on the dielectric characteristics of the printed model in the X-band of wavelengths was estimated. The description of the model implemented in the computer-aided design system is given. By processing the simulation results, approximating dependences for the permittivity and losses on the degree of filling with the dielectric are obtained. It follows from the calculated angular diagrams that the decrease in the degree of filling of the dielectric directly affects the degree of anisotropy of the polymer obtained during printing in the plane of the extruded layers. This also increases the depth of the extremes observed at angles of 0°, 90° and 180°. The presence of these extremes is directly related to the fact that the force lines of the main wave type in the waveguide are located perpendicular to the wide wall and in a situation where the volumes of air gaps between the cylinders are parallel to the force lines of tension, there is a general decrease in the dielectric constant. For a printed sample consisting of two layers of crossed cylinders, the air volumes are parallel to the lines of force with a period of ninety degrees, which is confirmed by the results obtained. An increase in the depth of the extremes with a decrease in the degree of filling is associated with a corresponding increase in the air space between the cylinders in the layer of the printed polymer.

технология 3D-печатиаддитивные технологииволноводный метод определения диэлектрических характеристик3D printing technologyadditive technologieswaveguide method for determining dielectric characteristicsReferencesElsallal M.W., Hood J., McMichael I. 3D Printed Material Characterization for Complex Phased and Metamaterials. Microwave Journal. 2016;59(10):20−34.Elsallal M.W., Hood J., McMichael I. 3D Printed Material Characterization for Complex Phased and Metamaterials. Microwave Journal. 2016;59(10):20−34.Zhang S., Cadman D., Whittow W. et al. 3D Antennas, Metamaterials, and Additive Manufacturing. In: Proc. Conf. 2019 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS). Guangzhou, China. May 19−22, 2019. N.Y.: IEEE; 2019. Р. 1. https://doi.org/10.1109/IEEEIWS.2019.8803909Zhang S., Cadman D., Whittow W. et al. 3D Antennas, Metamaterials, and Additive Manufacturing. In: Proc. Conf. 2019 IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS). Guangzhou, China. May 19−22, 2019. N.Y.: IEEE; 2019. Р. 1. https://doi.org/10.1109/IEEEIWS.2019.8803909Sadeqi A., Rezaei Nejad H., Owyeung R.E., Sonkusale S. Three dimensional printing of metamaterial embedded geometrical optics (MEGO). Microsystems& Nanoengineering. 2019;5:16. https://doi.org/10.1038/s41378-019-0053-6Sadeqi A., Rezaei Nejad H., Owyeung R.E., Sonkusale S. Three dimensional printing of metamaterial embedded geometrical optics (MEGO). Microsystems & Nanoengineering. 2019;5:16. https://doi.org/10.1038/s41378-019-0053-6Как мы напечатали антенну. URL: https://3dtoday.ru/blogs/ilyavyazigin/3d-antennaKak my napechatali antennu (How have we printed the antenna) URL: https://3dtoday.ru/blogs/ilyavyazigin/3dantennaХаралгин C.В., Куликов Г.В., Котельников А.Б., Снастин М.В., Добычина Е.М. Изготовление устройств СВЧ с применением технологии 3D-печати. Российский технологический журнал. 2019;7(1):80−101. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-1-80-101Kharalgin S.V., Kulikov G.V., Kotelnikov A.B., Snastin M.V., Dobychina E.M. Prototyping of microwave devices with specified electrodynamic characteristics using additive 3D printing technology. Rossiiskii tekhnologicheskii zhurnal = Russian Technological Journal. 2019;7(1):80−101 (in Russ.) https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-1-80-101Демиденко Е.В., Кузьмин С.В., Кирик Д.И. 3D-печать антенно-фидерных устройств с использованием полимерных материалов. В сб.: VIIВсероссийская НТК «Электроника и микроэлектроника СВЧ»: сб. тез. докл. (28−31 мая 2018 г., Санкт-Петербург) СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ»; 2018. С. 491.Demidenko E.V., Kuz’min S.V., Kirik D.I. 3D printing of antenna-feeder devices using polymer materials. In: VII Vserossiiskaya NTK “Elektronika i mikroelektronika SVCh,” sb. tez. dokl. (VII All-Russian Scientific and Technical Conference “Microwave Electronics and Microelectronics,” Collection of Abstracts). Saint Petersburg: Saint-Petersburg Electrotechnical University; 2018, p. 491. (in Russ.).Creedon D.L., Goryachev M., Kostylev N., Sercombe T.B., Tobar M. A 3D Printed Superconducting Aluminium Microwave Cavity. Applied Physics Letters.2016;109(3). https://doi.org/10.1063/1.4958684Creedon D.L., Goryachev M., Kostylev N., Sercombe T.B., Tobar M. A 3D Printed Superconducting Aluminium Microwave Cavity. Applied Physics Letters.2016;109(3). https://doi.org/10.1063/1.4958684Zhang B., Linnér P., Karnfelt C., Tarn P.L., Södervall U., Zirath H. Attempt of the metallic 3D printing technology for millimeter-wave antenna implementations. In: 2015 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). Nanjing, China, 2015, p. 1−3. https://doi.org/10.1109/APMC.2015.7413011Zhang B., Linnér P., Karnfelt C., Tarn P.L., Södervall U., Zirath H. Attempt of the metallic 3D printing technology for millimeter-wave antenna implementations. In: 2015 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC). Nanjing, China, 2015, p. 1−3. https://doi.org/10.1109/APMC.2015.7413011Zhang B. et al. Metallic 3-D Printed Antennas for Millimeter-and Submillimeter Wave Applications. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2016;6(4):592−600. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2016.2562508Zhang B. et al. Metallic 3-D Printed Antennas for Millimeter-and Submillimeter Wave Applications. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2016;6(4):592−600. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2016.2562508Honari M.M., Mirzavand R., Saghlatoon H. Mousavi P. Investigation of the 3D Printing Roughness Effect on the Performance of a Dielectric Rod Antenna. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2018;17(11):2075−2079. https://doi.org/10.1109/LAWP.2018.2869580Honari M.M., Mirzavand R., Saghlatoon H. Mousavi P. Investigation of the 3D Printing Roughness Effect on the Performance of a Dielectric Rod Antenna. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2018;17(11):2075−2079. https://doi.org/10.1109/LAWP.2018.2869580Moscato S. et al. Infill-Dependent 3-D-Printed Material Based on NinjaFlex Filament for Antenna Applications. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2016;15:1506−1509. https://doi.org/10.1109/LAWP.2016.2516101Moscato S. et al. Infill-Dependent 3-D-Printed Material Based on NinjaFlex Filament for Antenna Applications. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2016;15:1506−1509. https://doi.org/10.1109/LAWP.2016.2516101Ahmadloo M. Design and fabrication of geometrically complicated multiband microwave devices using a novel integrated 3D printing technique. In: 2013 IEEE 22nd Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems. San Jose, CA, USA. 2013, p. 29−32. https://doi.org/10.1109/EPEPS.2013.6703460Ahmadloo M. Design and fabrication of geometrically complicated multiband microwave devices using a novel integrated 3D printing technique. In: 2013 IEEE 22nd Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging and Systems. San Jose, CA, USA. 2013, p. 29−32. https://doi.org/10.1109/EPEPS.2013.6703460Le T. et al. A novel strain sensor based on 3D printing technology and 3D antenna design. In: 2015 IEEE 65th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). San Diego, CA, USA, 2015, p. 981−986. https://doi.org/10.1109/ECTC.2015.7159714Le T. et al. A novel strain sensor based on 3D printing technology and 3D antenna design. In: 2015 IEEE 65th Electronic Components and Technology Conference (ECTC). San Diego, CA, USA, 2015, p. 981−986. https://doi.org/10.1109/ECTC.2015.7159714Раков А.В., Думчиков К.А., Жуков В.В., Ухандеев В.И., Колединцева М.Ю. Диэлектрические свойства короноэлектретов на основе полилактида. В сб.: XXIV Международная конференция «Электромагнитное поле и материалы (Фундаментальные физические исследования)»,сб. тез. докл. (18−19 ноября 2016 г., Москва). М.: НИУ «МЭИ»; 2016. С. 617.Rakov A.V., Dumchikov K.A., Zhukov V.V., Ukhandeev V.I., Koledintseva M.Yu. Dielectric properties of cronobacter based on polylactide. In: XXIV Mezhdunarodnaya konferentsiya “Elektromagnitnoe pole i materialy (Fundamental’nye fizicheskie issledovaniya),” sb. tez. dokl. (Proceedings of the XXIV International Conference Electromagnetic Field and Materials (Fundamental Physical Research)). Moscow: MPEI; 2016, p. 617. (in Russ.).Пархоменко М.П., Каленов Д.С., Еремин И.С. и др. Повышение точности измерений комплексных диэлектрической и магнитной проницаемостей в сверх-высокочастотном диапазоне волноводным методом. Радиотехника и электроника. 2020;65(8):764−768. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.9.6Parkhomenko M.P., Kalenov D.S., Eremina I.S., Fedoseeva N.A., Kolesnikova V.M., Dyakonova O.A. Improving the accuracy in measuring the complex dielectric and magnetic permeabilities in the microwave range using the waveguide method. Journal of Communications Technology and Electronics. 2020;65(8):894−898. https://doi.org/10.1134/S1064226920080100[Parkhomenko M.P., Kalenov D.S., Eremin I.S., Fedoseev N.A., Kolesnikova V.M., Barinov Yu.L. Povyshenie tochnosti izmerenii kompleksnykh dielektricheskoi i magnitnoi pronitsaemostei v sverkhvysokochastotnom diapazone volnovodnym metodom. Radiotekhnika i elektronika = Journal of Communications Technology and Electronics.2020;65(8):746−768 (in Russ.).]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.