约翰霍普金斯大学3D 打印宽带毫米波吸收器

供稿人：张童童、王玲 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室


宇宙微波背景 (CMB) 望远镜灵敏度的提高需要对系统误差进行控制，无论是在正常环境条件下还是在低温环境中，造成误差的主要来源是杂散光，都需使用毫米波吸收器来降低误差。熔融沉积技术（FDM）由于其易于定制的特点已经应用于毫米波吸收器的制造，但以前只用来制备过频带相对较窄的基于谐振器的吸波结构。

约翰霍普金斯大学的Petroff基于空间填充曲线设计出的连续楔形结构来近似金字塔的周期吸波图案，如图1所示，这种设计可以避免每个金字塔切片间由于FDM工艺特性造成的拉丝现象。其所制备出的易于定制的吸波结构可以以低成本实现足够的杂散光吸收性能，并且由于热塑性材料的特性使其可以在低温环境下使用。

△图1 基于二阶希尔伯特曲线设计出的单元吸波结构

本文使用载碳高抗冲聚苯乙烯 （HIPS） 颗粒挤出成丝作为吸波结构的成型材料。仿真结果说明，吸收结构可以通过使用更小的挤出喷嘴来使楔形结构的顶端更尖锐，这样会降低样件的反射率从而提高吸波性能。通过仿真使用优化后的吸波结构模型，最终制备出方形样件面积为 160 mm × 160 mm，总高度为 14.5 mm，如图2所示。在 63 GHz 至 115 GHz 和 140 GHz 至 215 GHz 两个波导波段对样件进行测量。结果如图3所示，测量和电磁模拟之间有很好的一致性。此外，原样件已成功在 60 K 低温下用于杂散光吸收，并且经受了数十个热循环。

△图2 FDM制备的希尔伯特曲线吸波结构

△图3 反射率测量结果与电磁模拟预测结果对比

本文制备的吸波结构与传统的平铺金字塔设计相比，空间填充曲线的使用克服了 FDM工艺带来的拉丝限制，同时还提供了额外的机械性能提升。
参考文献：

    BA Pichardo-Álvarez、M. Salazar-Martínez、VH López-Morelos 等。 制造科学与工程[J]． 磁场在堆焊层中的应用以提高其在石油和天然气行业的性能，2022 年，144(9)：094501。