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利用介电树脂和3D打印应对毫米波的挑战

Philip Lambert, Fortify, Boston, Mass.

一些市场力量和技术趋势推动着无线通信和传感系统的发展，这些系统以前只用于卫星通信、回传和军事雷达使用的波段，包括最近发布和许可的5G和Wi-Fi 6GHz以上波段，无需许可的71GHz波段，以及用于新汽车短程雷达的77-81GHz波段。随着6GHz以下频谱日益拥挤，许多应用正寻求在更高的频谱运行以避免干扰。

在毫米波频率工作还有其他优势：许多射频电子器件的尺寸与波长成正比。毫米波器件和设备通常可以比低频器件和设备小得多（即更小的天线和其他射频硬件），包括毫米波5G gNodeB和天线阵列，以及毫米波传感设备，如成像系统和雷达。

然而，这是一把双刃剑，随着毫米波器件的尺寸缩小，趋肤效应和高射频损耗等使得对制造公差和精密材料的要求更加严格。尽管在毫米波频率上有大片可用频谱，但在这些频率上会遇到在较低频率上往往可以忽略的现象和制造挑战。

一些新兴技术在毫米波频率以下无法实现，如密集的有源天线阵列（AAS）。现在就是毫米波技术进入主流的黎明时刻，但同时伴随着设计和制造的挑战，需要考虑新的解决方案。

制造的挑战

导体是金属的，通常可以可靠地沉积、溅射、成型和电镀，以达到合理的公差。它们也很容易测量。然而，电介质通常是陶瓷、玻璃或聚合物，这带来了微秒的生产和制造挑战。

在毫米波频率下，导体最重要的电气特性一般体现在表面。这可能取决于导体的厚度和载流子的相对深度。导体可以电镀或以其他方式涂上金或其他贵金属，以提供更高的导电性和更共形的表面。

对于经常用于支撑、分隔或加载导电结构的电介质来说，表面和体特性是至关重要的，电场通常会穿透电介质材料。当电场穿过电介质时，一些能量被吸收（电介质损耗正切或其倒数、质量因子）并转化为热量。对于许多电介质来说，相对小的温度变化会影响整体的性能和尺寸稳定性。因此，需要在1kHz时低于10^-4、在毫米波频率时低于10^-3的极低损耗正切的电介质。¹

电介质性能和尺寸的一致性是至关重要的，因为即使是介电性能的微小变化或梯度也会改变通过它的电场的行为。电介质材料的空间分层或混合会导致通常难以确定的介电效应，这可能导致一个给定的介电结构的有效介电常数与组成它的各电介质的有效介电常数相差甚远。

图1 带有串联（左）和平行（右）电介质层的平行板电容器。

例如，在平行板电容器中，电介质层相对于电容板的方向决定了整个电介质的有效电容率。对于垂直堆叠的电介质层，有效介电常数基本上是相加的，

原文始发于微信公众号（actMWJC）：利用介电树脂和3D打印应对毫米波的挑战（原载于《微波杂志》22年5/6月号）