增材制造为高功率射频波导创造了新的选择

佐治亚理工学院(GTRI)的研究人员正在使用增材制造技术来创建独特的波导结构，这些结构使用传统制造工艺很难或不可能制造。新技术对于将更新的组件集成到设备中特别有用，否则可能需要进行重大设计更改。

在高功率毫米波和微波雷达和天线中，波导将电磁能量从一个组件引导到设备内部的另一个组件。直到最近，波导还由挤压铜或铝管制成，但这些传统的制造技术并不总是能适应最佳设计所需的复杂配置，同时将能量传输损耗降至最低。

“为了有效地传播电磁波，波导必须具有非常精确的内部几何形状，”GTRI高级研究工程师KyleAzevedo解释说。“然而，波导在内表面光洁度方面也必须非常光滑。传输能量的空腔必须得到很好的控制，以避免重大损失。而且波导也必须适合密闭空间。

添加剂技术具有特定的射频优势

为了允许更复杂的设计，GTRI研究人员正在评估两种替代制造技术：由金属制造的3D打印结构和金属涂层的3D打印聚合物组件。每种都有优点和缺点，必须针对特定应用进行选择。研究人员正在测试使用这两种技术制成的波导，以抵抗疲劳损伤的机械性能，散热的热性能，电气性能及其RF能量损失。

增材技术提供的灵活性可以帮助设计人员在包含许多其他组件的拥挤设计中适应波导。在当前的一个项目中，研究人员发现他们需要将雷达的馈电喇叭移动几英寸，以适应其他设计考虑。但这使波导设计复杂化。

“这是一个非常大的挑战，因为我们必须改变一些现有的波导，而如果没有提出全新的设计，我们就无法使用传统的管件来做到这一点，”Azevedo说。“但是，通过使用允许更多定制的增材工艺，我们能够在一次迭代中缩小尺寸并优化设计。”

在另一个项目中-考虑用于陆军反电池雷达-美国陆军DEVCOMC5ISR中心的研究人员使用加法技术来适应与原始组件尺寸和形状不同的更新组件，以提高RF性能。研究人员设计了一种3D打印的波导，可容纳现有的连接器并集成到其遗留系统中，然后与陆军的岩岛兵工厂合作，优化制造和质量控制。该新组件已在托比汉纳陆军仓库和尤马试验场成功测试，现在正在作为OEM替代品进行评估。这可能允许增材制造来增强供应系统。

除了促进原本可能更具挑战性的设计外，GTRI研究人员还希望增材制造将使他们能够通过在内部移动一些波导制造来加速原型的迭代开发。

利用新的制造方法克服挑战

对于全金属波导，增材制造可能有一些缺点，但这些缺点可能并不像最初出现的那样重要。为了限制传输损耗，传统波导的内表面是光滑的，但由于金属3D打印的工作方式，光滑的内表面可能难以制造。增材工艺的设计灵活性可以弥补这一点。

“在我们的一项设计中，我们发现即使我们对表面光洁度的粗糙度有一些限制，我们也可以通过优化波导形状来恢复传输损耗，”Azevedo解释说。“使用传统的波导制造技术无法实现最终设计。

虽然将金属涂层应用于由聚合物或树脂生产的波导可以提供更光滑的表面，但这一过程也有其自身的一系列挑战。

“我们现在正在解决的问题之一是，许多具有理想电镀性能的树脂和聚合物都含有二氧化硅，”GTRI研究工程师MaxTannenbaum说。“它们在固化时像陶瓷一样，但是当你去除树脂时，许多传统溶剂不会去除二氧化硅，你最终会在表面上形成白垩粉末。如果在尝试电镀之前无法将其去除，则镀层将不会粘附。

为增材工艺的射频应用构建知识库

为了支持使用增材技术制造的波导的扩展应用，研究人员正在使用仿真和实验来开发全面的设计信息。

“制造波导的传统方法自第二次世界大战以来一直存在，当时原始系统启动并运行，从那时起，这些技术已经完善了几十年，”Azevedo说。“因此，有大量关于有效方法的详细数据，包括冶金性能。我们希望对具有如此多优势的新增材制造技术有相当的理解深度。通过汇总他们所学到的知识，研究团队计划与其他可能对加法方法感兴趣的RF工程师分享他们的知识。

“我们的工作集中在两条平行的路径上：研究制造所涉及的机械约束和射频限制，”GTRI研究工程师AustinForgey说。我们正在将获得的新实验数据与RF仿真合并，并将其与测试机械性能相结合。这将为我们提供完整的设计包，可供需要它的设计师使用。

除了波导之外，GTRI研究人员正在研究增材制造在RF设计中的其他应用。与佐治亚理工学院机械工程学院的研究人员一起，他们正在制造由铝3D打印的冷板，用于冷却高功率电子产品。3D打印允许在单个部件中实现新颖的流体流动，这是传统制造无法实现的。

同样，他们也在寻找添加剂技术，以保护组件免受电磁干扰所需的屏蔽。

虽然他们希望扩大增材制造方法的使用，为射频应用提供新的设计选择，但研究人员认为增材制造不会很快废除传统的制造技术。

“我的观点是，肯定会有混合，因为增材制造技术并不是所有问题的答案，”Tannenbaum说。“但它们是我们遇到的许多具体问题的解决方案，使我们能够制造更便宜、更轻、更快可用的零件。

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