天線和射頻組件一般可以極大地受益于最近開發的低損耗3D打印分級折射率材料。梯度折射率材料提供的額外自由度可以使天線和其他射頻組件的設計具有比目前基于傳統恒定介電常數材料的設計更出色的性能。在這里，我們將討論我們為天線和射頻匹配網絡設計平面透鏡以及基于梯度折射率復合材料的濾波器的工作。

第一節.

介紹

如圖1所示，傳感器在無人機載系統（UAS）和CubeSats中的使用增加，增加了對具有大頻率帶寬的小尺寸、重量和功率（SWaP）射頻組件的需求。在一些專業應用中，低雷達橫截面（RCS）也是一項要求。不幸的是，目前可用于射頻系統的設備的SWaP超過了UAS和CubeSats的典型要求。通過用一個寬帶系統替換多個窄帶寬系統來保持典型性能的RF系統小型化的方法引起了人們的興趣。采用具有可控電氣特性（空間可變介電常數和磁導率）的低損耗、分級折射率 （GRIN） 材料可提供額外的自由度，從而產生寬帶、保形、小體積和薄型孔徑，其性能指標與更大的現有天線系統相當或更優越。

安裝在UAS上的兩個基于GRIN的天線

通過利用促進在射頻系統設計中使用GRIN材料的兩項關鍵的最新發展來提高天線和射頻組件的性能：首先是開發一種基于廣義嵌段共聚物的策略，將陶瓷，磁性和導電材料整合到3D打印墨水中，用于打印低損耗GRIN材料， 特別是在 Ka頻段（26.5-40千兆赫）;其次，超材料概念和隱身技術的發展，從理論上表明，各向異性、可變的介電/磁性材料可以精確控制電磁波的傳播。梯度折射率介電、磁性和導電材料的 3D 打印可以增加頻率帶寬并減少天線系統以及射頻/微波組件（如濾波器、饋電網絡和匹配網絡）的體積。它還可以正確控制天線和其他結構的電磁散射。

MIT-LL介電沉積技術。a） 可以產生的相對介電常數范圍。測量數據是點-點曲線，而實線表示用于擬合測量數據的模型 b） 主動混合噴嘴打印分級長絲。

第二節.

復合材料

我們的工作重點是定制可印刷材料的介電常數，同時保持其低損耗特性。我們的假設是，通過改變復合油墨的陶瓷納米顆粒含量，我們應該能夠調整印刷結構的相對介電常數。疏水性（苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯）三嵌段聚合物作為我們的模型低介電聚合物，測得的介電常數為 2.2。我們選擇了艾爾2O3， TiO2和 SrTiO3納米顆粒由于其較高的相對介電常數和低損耗正切。陶瓷納米顆粒的表面被功能化，以促進與聚合物基質的改進共混。使用這些材料，我們已經能夠在2.24至5 GHz范圍內打印和測試中位數相對介電常數為10-4.10的結構，如圖2（a）所示。磁性材料，如羰基鐵顆粒，也被添加到可印刷油墨中，用于較低頻率（L/S波段）的應用，測量數據將在會議上展示。

我們還建立了一種方法，允許我們的低損耗復合油墨的順序和梯度沉積，以使用定制的直接寫入3D打印點膠噴嘴生成新穎的RF組件。我們能夠通過編程控制多種材料的連續沉積或使用主動混合噴嘴動態改變墨水內的聚合物與納米顆粒的比例來引導最終印刷結構的介電常數。這種主動混合噴嘴消除了單個油墨的急劇過渡，允許對印刷結構進行幾何和成分控制（見圖2（b））。

第三節.

用于傳統Ka波段喇叭天線的平面透鏡

低損耗GRIN材料的可用性會對天線和相控陣的設計產生重大影響。在這里，我們考慮平面GRIN透鏡的設計，以增加傳統Ka波段錐形喇叭天線的增益（見圖3）。眾所周知，平面透鏡必須設計為聚焦視場，從而減小遠區的光束寬度。請記住，這里考慮的喇叭天線在E和H平面上具有不同的波束寬度，平面透鏡的介電分布在E和H平面上并不相同。此外，沿天線/透鏡軸線的介電分布必須經過精心設計，以使透鏡與其孔徑處的喇叭場和自由空間進行阻抗匹配。否則，阻抗失配損耗會增加，從而降低天線的實現增益。

第四節.

匹配網絡設計

GRIN材料的另一個重要應用是設計匹配網絡（MN）以及低通和帶通濾波器。盡管這些組件是使用微帶傳輸線設計的，但如圖4所示，這些線具有恒定的寬度，而基板的介電常數沿器件的軸線變化。作為參考，還考慮了傳統可變寬度傳輸線的性能，圖4。可以觀察到，兩種設計具有相似的性能，對于大約20 GHz的頻率，反射系數小于-10dB。目前正在構建這些 MN，將顯示測量結果以訪問這些設備的性能。

第五節.

沖擊

這項工作將產生重大影響的重要領域是小型UAS和其他機載和太空結構，如立方體衛星。小型無人機和立方體衛星需要用于傳感器（雷達/輻射計）的低質量、保形和低成本天線系統。由此產生的寬帶（或多頻段）系統將取代幾個窄帶系統，從而降低整體質量和體積。與這項工作相關的另一個應用是控制來自天線和其他結構的電磁波散射的能力。將GRIN材料添加到當前可用的材料中，RF設計人員能夠更好地控制和塑造機載和星載結構散射的場。

傳統的ka波段錐形喇叭天線，帶有平面GRIN透鏡

兩個匹配網絡的模擬 S 參數。一個MN使用GRIN基板實現，第二個MN使用傳統的錐形傳輸線實現，其中基板具有固定的介電值

第六節.

總結和結論

這項工作演示了使用平面GRIN透鏡來增加傳統Ka波段錐形喇叭天線的實現增益。這些復合材料是為定制微波組件的3D打印量身定制的。亞毫米級精度允許打印高頻組件，以改進SWaP和性能方面的經典微波技術。作為位置函數的介電常數的可編程性和精確控制使我們能夠控制電磁波的行為，從而能夠直接實現有利于商業和軍事部門的新技術。然而，需要進一步的工作來開發測量分級指數材料的介電常數和/或滲透率的技術。目前大多數技術不適用于GRIN材料。

審核編輯：劉清