Исследование диэлектрических характеристик материалов, изготавливаемых с применением аддитивных технологий

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.

1. Elsallal M.W., Hood J., McMichael I. 3D Printed Material Characterization for Complex Phased and Metamaterials. Microwave Journal. 2016;59(10):20−34.

2. 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.2019.8803909

3. Sadeqi 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/s41378-019-0053-6

4. Как мы напечатали антенну. URL: https://3dtoday.ru/blogs/ilyavyazigin/3d-antenna

5. Харалгин 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-2019-7-1-80-101

6. Демиденко 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.

7. 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/10.1063/1.4958684

8. Zhang 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.2015.7413011

9. Zhang 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.2016.2562508

10. Honari 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.2018.2869580

11. Moscato 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.2016.2516101

12. Ahmadloo 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.2013.6703460

13. Le 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.2015.7159714

14. Раков 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.

15. 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/10.30898/1684-1719.2018.9.6