Feasibility Study on Additive Manufacturing of Dielectrics in Antenna Structures
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2023-05-15
Department
Major/Subject
Microwave Engineering
Mcode
ELEC3051
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
76
Series
Abstract
The advancements in additive manufacturing in the past decade has not gone unnoticed in the field of wireless communication. Using 3D printing, it is possible to manufacture complex shapes that cannot be achieved through conventional means. Furthermore, antennas commonly make use of different dielectrics, which can be 3D printed. In this thesis, three essential techniques for 3D printing a variable-permittivity antenna are analyzed. First, the theory behind material mixing is studied, to be able to control the permittivity of a dielectric material. Second, the necessity to be able to perform measurements of dielectric materials, is addressed. Finally, the usefulness of a variable-permittivity in an antenna structure is demonstrated. To manufacture a 3D printed variable-permittivity material, the basic theory behind permittivity mixing is reviewed, and a model based on spherical inclusions is designed. To prove the viability of the material, samples are manufactured and measured. It was found that the inclusion radius of the variable material is limited by the accuracy of the 3D printer, and larger inclusions provide more reliable results. To verify that the variable-permittivity material works as intended, a measurement kit for dielectric measurements is designed based on the transmission/reflection line measurement method. The measurement kit consists of a 3D printed and metalized waveguide section. The associated TRL-calibration and the parameter extraction algorithms are also reviewed. The measurement process and data processing algorithms are verified both in simulations and in practice. To demonstrate the benefits of a variable-permittivity dielectric in an antenna system, a simulated case study was conducted. In the case study, the performance of a variable-permittivity antenna array is compared to two reference antennas: a free space reference antenna, and a reference antenna with a homogeneous dielectric loading. The variable dielectric antennas showed to provide several advantages over the reference models, such as reduced element height, and wider bandwidths, and higher polarization purity.Framstegen inom friformsframställning har under det senaste decenniet inte gått obemärkt inom trådlös kommunikation. 3D-printning möjliggör tillverkningen av komplexa former som inte går att producera på konventionella sätt. Dielektriska material för bruk i antenner kan även produceras med hjälp av 3D-printning. I denna avhandling analyseras tre väsentliga tekniker som behövs för att utarbeta en antenn med variabel permittivitet genom att utnyttja 3D-printning. Först studeras teorin bakom materialblandning för att kunna kontrollera permittiviteten hos ett dielektriskt material, och sedan framställs en mätsats i syftet att kunna utföra mätningar av dielektriska material. Slutligen kommer ändamålsenligheten av en antennstruktur med variabel permittivitet att motiveras. För att kunna tillverka ett 3D-printat material med variabel permittivitet granskas den grundläggande teorin bakom materialblandning, och en modell baserad på sfäriska ihåligheter utformas. För att bevisa att materialet fungerar som avsett tillverkas det prover vilka mäts. Det visar sig att ihåligheternas radie i det variabla materialet begränsas av 3D-skrivarens noggrannhet, och att större ihåligheter åstadkommer mer tillförlitliga resultat. En mätsats framställs i syftet att mäta permittiviteten på de dielektriska proven, vilket är grundläggande för att kunna verifiera att materialen fungerar som avett. Mätningsmetoden baserar sig på transmission och reflektion av radiovågor i en 3D-printad vågledarsektion, som framställs genom att insidan metalliseras. Den tillhörande TRL-kalibreringen, samt och algoritmen för framställningen av permittiviteten uppvisas även också. Mätprocessen verifierades både genom simuleringar och tillämpades praktisk. Fördelarna med ett dielektriskt material med variabel permittivitet i ett antennsystem undersöktes i formen av en simulerad fallstudie. I studien jämförs prestandan hos en antennuppsättning med variabel permittivitet med två referensantenner: en referensantenn för fritt utrymme och en referensantenn med en homogen dielektrisk belastning. De variabla dielektriska antennerna uppvisade förbättrad prestanda jämfört med referensmodellerna, bland annat genom bredare bandbredder, högre polarisationsrenhet, och reducerad elementhöjd.Description
Supervisor
Holopainen, JariThesis advisor
Kuosmanen, MattiKeywords
3D printing, additive manufacturing, antennas, antenna arrays, permittivity, measurements
