微纳3D打印助力斯坦福大学SLAC实验新进展，用于快速提升高频无源微波器件性能
发布日期：2024-09-04
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作为美国的重要战略布局科研机构，坐落在斯坦福大学中的SLAC国家加速器实验室专门从事粒子加速器的设计与建造以及高速粒子的研究工作，并在这一专业领域取得了巨大成就，其中包括三项荣获诺贝尔奖的重要发现。SLAC实验室在化学、材料学、能源科学、生物科学、聚变能源科学、高能物理和宇宙学等多个前沿科学领域均有所贡献。
其中，正交模耦合器（Ortho-Mode Transducer）是天线系统中的关键组件，用于分离和混合两个相互正交的极化波，能够将输入信号分离成两个正交极化方向的信号，并将它们分别传输到相应的接收器或发射器中。这项技术是SLAC实验室的重点研究方向之一，它在卫星通信、雷达、射电望远镜等领域发挥着至关重要的作用，为提升这些系统的性能和效率提供了不可或缺的支持。
发现问题与应对挑战
SLAC国家加速器实验室的项目经理Gregory Peter Le Sage开发了一种高频OMT。实验初期，该团队尝试使用立体光刻（SLA）技术进行3D打印。然而，由于SLA打印的OMT样件未能达到性能预期，这促使Le Sage必须去寻找更高精度和机械强度的精密制造解决方案。
在打印OMT时，该团队发现使用光学精度为50 μm的SLA打印设备会导致OMT出现了严重的性能缺陷。该OMT样件在71 GHz处的插入损耗达到11 dB，远超过了数控加工原型中观察到的可接受损耗阈值1.5 dB。由于SLA技术较低的分辨率，导致样件的公差较大，致使打印样件尺寸不精确，这严重影响了OMT的高频性能，进而导致信号衰减和失真。模拟结果表明，即使是10 μm的轻微偏差，也可能大幅降低组件的有效性。
利用SLA技术打印的OMT样件
重新设计和工艺改进
经过相关实验后，Le Sage意识到，为了达到预期的效果，OMT样件的精细度和机械强度必须要得到提升。因此，他对OMT模型进行了专门针对3D打印技术的重新设计。重新设计的目的是增强部件的结构完整性，这对于OMT的性能和耐用性都是至关重要的。最终，他选择了摩方精密面投影微立体光刻（PµSL）3D打印技术，该技术以其高精度、高质量、高公差控制能力等特点，可以完美的制造出全新设计的OMT模型。
OMT模型的内部设计
先进制造和性能评估
借助摩方精密的microArch® S240（精度：10 μm）3D打印设备，该团队完成了全新的OMT设计打印，其精度与高频应用所需的精度一致，进一步保障了OMT的高频性能。3D打印完成后，OMT样件进行了电镀处理，通过改进了对内部表面的接触，进一步确保了电镀效果。
PμSL 技术打印的OMT样件准备进行测试
通过本次研究，3D打印技术对高频组件性能有着至关重要的影响。与传统制造工艺相比，摩方精密微纳3D打印技术可以实现高精度复杂零件的加工制造，保障了OMT能够满足微波通信系统对高性能的严格要求。这一技术在分辨率和公差控制上的能力对于推动研究成果的应用具有重要意义，并助力微波通信系统的发展，为通信技术的未来进步开辟了新的路径。
OMT垂直极化S21测试
