基于金属3D打印技术的毫米波多功能复杂结构波导器件研究

Passive devices based on waveguide structure have wide application and great demand in millimeter wave system. There are disadvantages such as high labor costs, long machining cycles， low material utilization and incapable to fabricate complex structures in the traditional process of fabricating such devices. The 3D printing technology can effectively solve these problems. There are some problems in the research and application of 3D printing technology to fabricate millimeter wave waveguide based devices, such as inaccurate roughness model, no specific design method for the advantage of 3D printing technology in fabricating complex structures, and no effective solution to the dimensional tolerance of 3D printing technology. This project addresses the problems of 3D printing technology in fabricating millimeter wave devices based on waveguide structures. Based on the classic roughness model, a roughness model suitable for 3D printed millimeter wave waveguide device is established. From the characteristic matrix theory, we deduces the design method of complex structure and multi-functional device suitable for 3D printing technology. Starting from the high-order mode waveguide structure, the method to effectively avoid the dimensional tolerance of 3D printing process is proposed. The implementation of the project will effectively reduce the cost of millimeter wave devices, and will also enrich and stimulate original research in the field of microwave engineering and material science.

基于波导结构的无源器件在毫米波系统中有着广泛的应用和极大的需求。传统工艺加工此类器件存在高人力成本、长加工周期、低材料利用率和无法加工复杂结构的问题。3D打印技术能有效的解决上述问题。在基于3D打印毫米波波导结构器件的研究和应用中存在的问题有：粗糙度模型不准确；无针对3D打印技术在加工复杂结构这一优势的设计方法；无有效解决3D打印技术体积容差的方法。本项目针对3D打印技术在加工基于波导结构的毫米波器件时存在的问题进行研究，从经典粗糙度模型出发，建立适用于3D打印毫米波波导器件的粗糙度模型；从特征矩阵理论出发，推演出适合3D打印技术的复杂结构、多功能器件的综合设计方法；从高阶模波导结构出发，提出能有效规避3D打印工艺体积容差的方法。该项目的实施有助于推广3D打印技术在毫米波器件制造中的应用，还将丰富并激发毫米波技术和材料科学领域的原创性研究。

该项目对基于波导结构的3D打印无源器件在毫米波系统中应用进行了初步研究。相关研究成果总结为SCI论文14篇，EI论文6篇，授权中国发明专利4件，获得国际学术奖励一项。传统工艺加工此类器件的过程中存在高人力成本、长加工周期和低材料利用率的问题。3D打印技术能有效的解决上述问题，且在加工复杂结构、多功能器件时优势明显。在基于3D打印毫米波波导结构器件的研究和应用中存在的问题有：(1)粗糙度模型不准确；(2)无针对3D打印技术在加工复杂结构、多功能器件这一优势特定的设计方法；(3)无有效解决3D打印技术体积容差的方法。本项目针对3D技术在加工基于波导结构的毫米波器件时存在的问题:(1)从经典粗糙度模型出发，建立适用于3D打印毫米波波导器件的粗糙度模型;（2）从特征矩阵理论出发，推演出适合3D打印技术的复杂结构、多功能器件的综合设计方法;（3）从高阶模波导结构出发，提出能有效规避3D打印工艺体积容差的方法。针对上述问题，本项目在执行过程中，通过理论分析和实验验证的手段，达成以下成果：(1)给出了3D打印微波器件表面粗糙度的大尺度和小尺度模型，对3D打印微波器件的表面粗糙度进行了量化表征；(2)针对3D打印技术在加工复杂结构时的优势，提出了特征矩阵融合理论，其可适用于多功能复杂结构波导器件的设计；(3)提出基于3D打印技术的高阶模波导器件设计方法，有效规避了3D打印中的加工体积容差问题。该项目的实施有效降低了目前毫米波波导结构器件的成本，丰富并激发了毫米波技术和材料科学领域的原创性研究。