約翰霍普金斯大學(xué)3D 打印寬帶毫米波吸收器

供稿人：張童童、王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室


宇宙微波背景 (CMB) 望遠(yuǎn)鏡靈敏度的提高需要對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行控制，無(wú)論是在正常環(huán)境條件下還是在低溫環(huán)境中，造成誤差的主要來(lái)源是雜散光，都需使用毫米波吸收器來(lái)降低誤差。熔融沉積技術(shù)（FDM）由于其易于定制的特點(diǎn)已經(jīng)應(yīng)用于毫米波吸收器的制造，但以前只用來(lái)制備過(guò)頻帶相對(duì)較窄的基于諧振器的吸波結(jié)構(gòu)。

約翰霍普金斯大學(xué)的Petroff基于空間填充曲線設(shè)計(jì)出的連續(xù)楔形結(jié)構(gòu)來(lái)近似金字塔的周期吸波圖案，如圖1所示，這種設(shè)計(jì)可以避免每個(gè)金字塔切片間由于FDM工藝特性造成的拉絲現(xiàn)象。其所制備出的易于定制的吸波結(jié)構(gòu)可以以低成本實(shí)現(xiàn)足夠的雜散光吸收性能，并且由于熱塑性材料的特性使其可以在低溫環(huán)境下使用。

△圖1 基于二階希爾伯特曲線設(shè)計(jì)出的單元吸波結(jié)構(gòu)

本文使用載碳高抗沖聚苯乙烯 （HIPS） 顆粒擠出成絲作為吸波結(jié)構(gòu)的成型材料。仿真結(jié)果說(shuō)明，吸收結(jié)構(gòu)可以通過(guò)使用更小的擠出噴嘴來(lái)使楔形結(jié)構(gòu)的頂端更尖銳，這樣會(huì)降低樣件的反射率從而提高吸波性能。通過(guò)仿真使用優(yōu)化后的吸波結(jié)構(gòu)模型，最終制備出方形樣件面積為 160 mm × 160 mm，總高度為 14.5 mm，如圖2所示。在 63 GHz 至 115 GHz 和 140 GHz 至 215 GHz 兩個(gè)波導(dǎo)波段對(duì)樣件進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果如圖3所示，測(cè)量和電磁模擬之間有很好的一致性。此外，原樣件已成功在 60 K 低溫下用于雜散光吸收，并且經(jīng)受了數(shù)十個(gè)熱循環(huán)。

△圖2 FDM制備的希爾伯特曲線吸波結(jié)構(gòu)

△圖3 反射率測(cè)量結(jié)果與電磁模擬預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

本文制備的吸波結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的平鋪金字塔設(shè)計(jì)相比，空間填充曲線的使用克服了 FDM工藝帶來(lái)的拉絲限制，同時(shí)還提供了額外的機(jī)械性能提升。
參考文獻(xiàn)：

    BA Pichardo-Álvarez、M. Salazar-Martínez、VH López-Morelos 等。 制造科學(xué)與工程[J]． 磁場(chǎng)在堆焊層中的應(yīng)用以提高其在石油和天然氣行業(yè)的性能，2022 年，144(9)：094501。