3D打印材料在GHz频率范围的介电性质分析及测量结构设计文献综述

 2022-10-22 17:00:48

献综述(或调研报告):

阅读的文献将会集中在目前主要对3D打印材料的哪些性质进行了测量以及这些性质将会对其在高频段的表现会有什么影响。

目前在电子方面的发展需要对这些元器件进行快速和高精准度的生产,目前已有的经典的制造方法(例如切割或者模具铸造)增加了许多成本并且非常耗时,因此3D打印因为其精确度和灵活性,如果将其与PCB板结合使用,将会使生产过程更加灵活,比如制造一些设计原型用于初期测试,使其的功能性在进行大规模生产之前先得到很好的验证。

然而目前对3D打印材料的高频表现研究并没有很多,已有的研究虽然对其性质进行了一定程度的研究[1],但并没有很多判定在不同的频段或者不同的应用场景下那种材料将会更加适合的报告。

首先要解决的第一个问题是其高频条件下材料表现的定义[1]。这一行为对于微波器件的的成功设计和制造至关重要。

当有电磁场施加到材料上时,材料中的原子和自由电荷将会重新调整位置,而这一行为与材料本身的晶格结构性质有很大关系。例如,在一些固体中,分子不能根据外加电场的变化而发生旋转,因此将不会调整位置,因此可以判定这一材料对外加电磁场的传导能力比较弱。同时,在高频状态下,材料的反应速度可能低于外加电场,因此产生了一些损失。总的来说,当频率增加时,损失可能会增大。因此我们还要区分同一材料高频和低频时的不同表现。

目前被最为广泛应用的性质是复数介电常数的测量。其实数与虚数部分比值所形成的损耗角可以满足设计时平衡低损耗的要求与性能要求(低成本制造和质量)。介电常数(实数部分)很重要,因为它可以控制微波传输线的特征阻抗。它也适用电路中元件之间的耦合,判定耦合系数并影响系统带宽。因此对3D打印材料介电常数的测量是本课题的研究重点。

然而,在实际条件下,我们还需要对有效介电常数和实际介电常数进行区分。在实际生产过程中,产品的介电常数通常与其主导材料不同,原因有许多,而最常见的可能性是由于采用了不同材料的基底材料。这一点在某些测量结构中将会对结果产生很大的影响。

尽管3D打印材料还有一些其他的可能影响制造的性质,比如高温下的稳定性,表面粗糙程度,同时,不同的打印方法也会影响打印出的成品的性质。常用的方法主要是 FDM[2] 和SL方法,FDM打印的精确度较低,而且表面比较粗糙,但是成品在高频条件下损失比较小。而SL方法的损失比较大,但是精度较高,而且表面平整。但此方面的研究已经比较深入,在已有文献中可以找到大部分相关资料,因此不是本课题研究的重点。

第二个问题时我们将采用何种结构对材料的介电常数进行测量。目前常见的结构主要有自由空间测量技术,开放式同轴探头技术,空腔谐振器,介质谐振器技术,传输线技术和近场扫描探针。而这些不同的技术又各有各的特点。比如当电场取向与样品表面相切时,分缸腔谐振器对低损耗的基底材料的测量所得到的结果非常准确,而开放式同轴探针非常适合对材料的无损测量,经常被用在一些生物材料的测量中。共振探针方法可以测量亚微米级别薄材料的介电常数。

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