金属粉末レーザ積層技術によるミリ波帯給電回路一体型導波管スロットアンテナの実現

利用金属粉末激光层压技术实现集成毫米波段馈电电路的波导缝隙天线

• 批准号: 26820140
• 负责人: Zhang Miao
• 金额: $ 2.33万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-01 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-26820140/
• 关键词: 金属粉末のレーザ積層; 等価導電率; 二次元ビーム切り替え; バトラーマトリックス; ショートスロット結合器; 導波管; 空洞共振器; 表面粗さ

昨年度に引き続き、容易に利用できる金属粉末のレーザ積層装置を用いて導波管形状を作製した際、表面粗さと材質が等価導電率に及ぼす影響を分析した。材料にSiを混ぜたアルミニウム合金を使用し、直径30μmの粉末で造形した場合、60GHz以上の高周波での応用はまだ損失が大きく、40GHz帯以下の周波数領域では十分に適用できると判明した。二次元ビーム切り替えは5G（次世代移動通信システム）の実現に不可欠な重要技術となっている。受動型で低損失かつ低コストの二次元ビーム切り替えを実現するために、ショートスロット2平面結合器を用いた2次元バトラーマトリックスを提案した。従来の単一E面またはH面ショートスロット結合器を使用したものに比べ、更なる小型化と低損失性を可能とした。4x4ポート入力2次元バトラーマトリックスを22GHz帯で設計し、レーザ積層技術による試作を行った。材料として当初アルミニウム合金を考えたが、体積が大きいため、試作費に数百万円がかかるため断念せざるを得なかった。代替案としてABS系樹脂材料を使用し、造形後に1.5μmの銅メッキを施した。また比較として、黄銅を用いた切削による加工も行った。ベクトルネットワークアナライザによる測定を行った結果、挿入損失を除いて、ほぼ設計通りに振幅と位相の分配特性を実現できた。また金属切削加工に比べて、レーザ積層品は約1～1.4dB 材料損失が大きいことも測定で判明した。その原因は組み立て精度の他に主に表面粗さとメッキの不完全性にあると判明した。今後はメッキの改善または金属粉末の使用で十分性能が改善すると期待できる。

继去年之后，我们分析了使用现成的金属粉末激光沉积系统制造波导形状时表面粗糙度和材料对等效电导率的影响。研究发现，以掺Si铝合金为材料，采用直径30μm粉末成型时，在60GHz及以上高频应用中仍存在较大损耗，但完全适用于频率范围低于 40 GHz。二维波束切换已成为实现5G（下一代移动通信系统）必不可少的重要技术。为了实现无源、低损耗、低成本的二维波束切换，我们提出了一种使用短槽二平面耦合器的二维巴特勒矩阵。与传统的单E平面或H平面短槽耦合器相比，这可以实现进一步的小型化和更低的损耗。我们设计了 22GHz 频段的 4x4 端口输入 2D Butler 矩阵，并使用激光层压技术制造了原型。最初我们考虑采用铝合金作为材料，但由于其体积较大，而且制作原型的成本高达数百万日元，我们只好放弃了这个想法。作为替代方案，使用 ABS 树脂材料，并在建模后进行 1.5 μm 镀铜。为了进行比较，还进行了使用黄铜的加工。使用矢量网络分析仪进行测量的结果是，除了插入损耗之外，我们能够实现几乎与设计一致的幅度和相位分布特性。测量还表明，与金属切割相比，激光层压产品的材料损失大约高 1 至 1.4 dB。除了装配精度之外，发现原因主要是由于表面粗糙度和电镀缺陷造成的。未来，预计通过改进电镀或使用金属粉末，性能将得到充分改善。

项目成果

Design of a Novel 2-D Beam-switching Waveguide Butler Matrix

新型二维光束切换波导巴特勒矩阵的设计

• 发表时间: 2016
• 作者: Dong