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約翰霍普金斯大學(xué)3D打印寬帶毫米波吸收器

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宇宙微波背景 (CMB) 望遠(yuǎn)鏡靈敏度的提高需要對系統(tǒng)誤差進(jìn)行控制，無論是在正常環(huán)境條件下還是在低溫環(huán)境中，造成誤差的主要來源是雜散光，都需使用毫米波吸收器來降低誤差。熔融沉積技術(shù)（FDM）由于其易于定制的特點(diǎn)已經(jīng)應(yīng)用于毫米波吸收器的制造，但以前只用來制備過頻帶相對較窄的基于諧振器的吸波結(jié)構(gòu)。

約翰霍普金斯大學(xué)的Petroff基于空間填充曲線設(shè)計出的連續(xù)楔形結(jié)構(gòu)來近似金字塔的周期吸波圖案，如圖1所示，這種設(shè)計可以避免每個金字塔切片間由于FDM工藝特性造成的拉絲現(xiàn)象。其所制備出的易于定制的吸波結(jié)構(gòu)可以以低成本實(shí)現(xiàn)足夠的雜散光吸收性能，并且由于熱塑性材料的特性使其可以在低溫環(huán)境下使用。

△圖1 基于二階希爾伯特曲線設(shè)計出的單元吸波結(jié)構(gòu)

本文使用載碳高抗沖聚苯乙烯（HIPS）顆粒擠出成絲作為吸波結(jié)構(gòu)的成型材料。仿真結(jié)果說明，吸收結(jié)構(gòu)可以通過使用更小的擠出噴嘴來使楔形結(jié)構(gòu)的頂端更尖銳，這樣會降低樣件的反射率從而提高吸波性能。通過仿真使用優(yōu)化后的吸波結(jié)構(gòu)模型，最終制備出方形樣件面積為 160 mm × 160 mm，總高度為 14.5 mm，如圖2所示。在 63 GHz 至 115 GHz 和 140 GHz 至 215 GHz 兩個波導(dǎo)波段對樣件進(jìn)行測量。結(jié)果如圖3所示，測量和電磁模擬之間有很好的一致性。此外，原樣件已成功在 60 K 低溫下用于雜散光吸收，并且經(jīng)受了數(shù)十個熱循環(huán)。