Research Duo utilizza la simulazione e il PLA per realizzare un prototipo di antenna con stampa 3D leggera
Mentre la maggior parte delle antenne stampate in 3D sono realizzate in metallo , due ricercatori della Yasar University della Turchia hanno recentemente completato uno studio sull’utilizzo del materiale PLA per realizzare un’antenna a conica ondulata conica stampata in 3D, utilizzata per alimentare antenne riflettori in sistemi DBS (direct broadcast satellite). Il documento, intitolato ” Il prototipo di un’antenna a conica ondulata con banda Ku a banda larga con tecnologia di stampa 3D ,” discute la progettazione, produzione e verifica dei ricercatori di un’antenna prototipo fabbricata con la stampa 3D FDM e la verniciatura aerosol conduttiva di nichel.
L’abstract dice: “L’antenna progettata con il programma CST Microwave Studio funziona con banda larga di 10,5-18,5 GHz in banda Ku. Il prototipo è realizzato con tecnologia di stampa 3D di nuova generazione e metodo di rivestimento a vernice conduttiva, che rende l’antenna leggera e fornisce una produzione a basso costo e più veloce. In base ai risultati della misurazione, l’antenna ha una perdita di ritorno quasi migliore di 20 dB, un valore di guadagno di minimo 14,5 dBi e un livello di lobi laterali di -18 dB al massimo entro 1,76: 1 di larghezza di banda. Si osserva che l’antenna presenta una perdita di guadagno di 1,5-2 dB all’interno della banda rispetto alla stessa antenna con metallo ad alta conducibilità, che richiede un costo e un tempo di produzione più elevati per la produzione. “
Tipicamente, le antenne a cono ondulato conico sono utilizzate in applicazioni di polarizzazione doppie o circolari, come le comunicazioni satellitari, e sono costituite da quattro sezioni principali: guida d’onda di ingresso (alimentazione), transizione, profilo corrugato (convertitore di modalità) e apertura dell’antenna; tuttavia, questo prototipo ha solo tre.
Le scanalature e i denti della superficie interna di questo tipo di antenna funzionano come alimentazione per i riflettori nei sistemi di telerilevamento e nei satelliti, a causa della sua “direttività e guadagno, nonché basso livello di polarizzazione incrociata, bassi livelli e lobi posteriori e buona perdita di ritorno valore.”
“Quando c’è propagazione della modalità TE11 nella sezione guida d’ingresso, che è una struttura a parete liscia e piatta, i modi TE11 e TM11 si propagano nella superficie corrugata. La propagazione delle componenti del campo elettrico e magnetico delle modalità TE e TM è alla stessa velocità, il che si traduce in una modalità ibrida (HE11) “, hanno spiegato i ricercatori. “Pertanto, la superficie corrugata dell’antenna si comporta effettivamente come un convertitore di modalità. La propagazione in modalità ibrida fornisce una simmetria dei raggi estremamente buona nei modelli di radiazioni con bassi livelli di polarizzazione incrociata, con un’alta efficienza del raggio. Per questi motivi, le trombe corrugate offrono buone prestazioni a larghezza di banda ampia. “
Poiché sono costituiti da forme geometriche complesse, è necessario un processo di produzione estremamente preciso per realizzarli. Le macchine CNC e CCM vengono utilizzate più spesso, ma sono costose e richiedono molto tempo, motivo per cui alcune persone scelgono di utilizzare la stampa 3D FDM.
Questa antenna è stata specificamente progettata per funzionare a banda larga tra 10.5 e 18.5 GHz, quindi può coprire sia la banda RX generale (10.5-12.75 GHz) che la banda TX (17.3-18.4 GHz) nelle comunicazioni DBS e le bande TX / RX di 10.7 -12,75 GHz e 13,75-14,5 GHz in applicazioni satellitari di telecomunicazione e telemetria. Le simulazioni all’interno di CST Microwave Studio 2017 sono state utilizzate per ottimizzare queste dimensioni, utilizzando prima il materiale Perfect Electric Conductor (PEC) per rendere il processo più veloce, quindi con il PLA dielettrico e il rivestimento di vernice aerosol conduttiva al nichel.
“Inoltre, i risultati con il materiale PEC sono usati come risultati di riferimento per il confronto in modo che possano essere presi in considerazione come risultati quando l’antenna è fabbricata con macchine CNC e materiali ad alta conduttività come l’alluminio”, hanno spiegato i ricercatori.
“Dai risultati della simulazione fornita per l’antenna rivestita, si può concludere che i materiali in PLA / nickel hanno un effetto piuttosto leggero sulle prestazioni di perdita di ritorno dell’antenna, dove i valori di perdita di ritorno sono quasi superiori a 20 dB per 10-19 GHz. I valori scendono leggermente sotto i 20 dB per le frequenze intorno ai 10 GHz. Ciò è dovuto al fatto che lo spessore del rivestimento su PLA diminuisce le dimensioni interne dell’antenna compresa la guida d’onda rettangolare di alimentazione. Pertanto, la frequenza di taglio della guida d’onda (e dell’antenna) diventa più vicina a 10 GHz, in corrispondenza della quale la perdita di ritorno dell’antenna si deteriora. “
Un Ultimaker 2+ è stato utilizzato per produrre il prototipo dell’antenna in PLA, che è più facile, più economico e più ecologico da stampare rispetto all’ABS. Un ugello da 0,4 mm è stato utilizzato per applicare strati da 0,2 mm, con il 50% di riempimento, a 50 mm / secondo, che ha richiesto circa 23 ore.
“Dopo la stampa, le parti identiche vengono rivestite utilizzando tre mani di vernice spray aerosol Super Shield-841 conduttivo per dare uno spessore del rivestimento di circa 0,1 mm. Infine, i semilavorati fabbricati vengono assemblati combinandoli con uno speciale sistema a morsetto regolabile “, hanno osservato i ricercatori. “Una volta completate le fasi di produzione, il peso totale dell’antenna prototipo viene misurato in circa 230 gr, che è sufficientemente leggero.”
Sono state misurate le prestazioni – direttività, schemi di radiazione, guadagno realizzato e perdita di ritorno – dell’antenna. Inoltre, i ricercatori hanno confrontato il costo, il costo di produzione e il peso dell’antenna se realizzati con PLA e nichel stampati in 3D e uno realizzato in alluminio con fresatura a controllo numerico.
Non sorprende che la ricerca dimostri che il prototipo stampato in 3D richiede meno tempo e denaro per essere realizzato, ed è anche più leggero.
“Sebbene per il rivestimento a spruzzo con uno spessore di circa 0,1 mm si utilizzi un materiale conduttivo (nichel) con conduttività moderata, dalle misurazioni si ricava che l’antenna non ha una perdita di guadagno superiore a 2 dB rispetto alla stessa antenna prodotta con alta conduttività materiale e produzione basata su CNC. La struttura dell’antenna proposta, prodotta con la tecnica proposta, presenta comunque prestazioni molto soddisfacenti tali da fornire una perdita di ritorno superiore a 17 dB, un guadagno di 14,5 dBi e un livello di lobi di picco di -18 dB nel piano E e H nella banda di frequenza data (1,76 : 1 larghezza di banda) “, hanno concluso i ricercatori. “La tecnica di fabbricazione proposta presenta i vantaggi del basso peso, del basso costo e del basso tempo di produzione rispetto alla produzione basata su CNC nonostante la leggera perdita del guadagno. Come conclusione,
Co-autori del documento sono ME Carkaci & M. Secmen.
