Circuitos de microondas mediante técnicas de fabricación aditiva

Abstract

En la actualidad, las técnicas fabricación aditiva y la impresión 3D están despertando un gran interés en una amplia variedad de sectores industriales como la medicina, la ciencia y la tecnología. A lo largo de los últimos años, la reducción de costes de las impresoras 3D comerciales ha hecho que la fabricación aditiva ya no se utilice solamente para realizar prototipos rápidos, si no también para fabricar componentes que pueda utilizar el usuario final. Además, las ventajas que se obtienen utilizando esta tecnología (posibilidad de realizar estructuras complejas en muy poco tiempo, eficiencia del material utilizado, combinación de materiales y bajo coste), han atraído también a los científicos, que han empleado en muchas de sus investigaciones esta tecnología. Recientemente, las técnicas de fabricación aditiva han aparecido en el desarrollo de dispositivos de microondas y el número de investigaciones sobre esta temática crece cada año más. Es dentro de este tema donde ha contribuido esta Tesis Doctoral, que se ha dedicado completamente al desarrollo y la fabricación de dispositivos de alta frecuencia utilizando las técnicas de impresión 3D. En particular, este trabajo se centra en la realización de circuitos de microondas en diferentes tecnologías (microstrip, stripline, multicapa y guía de onda), mediante la utilización de una impresora 3D de bajo coste. Los circuitos fueron diseñados, fabricados y caracterizados experimentalmente, demostrando el gran potencial y la flexibilidad que tiene la fabricación aditiva en la implementación de dispositivos de alta frecuencia. La Tesis Doctoral está organizada en seis capítulos, donde se recogen los avances más significativos y resultados obtenidos de este trabajo, que han dado lugar a cuatro publicaciones incluidas en el Journal Citation Reports. En el primer capítulo se realiza una introducción del panorama en el que se sitúa la Tesis Doctoral, junto con el estado del arte de la fabricación aditiva y se presentan los objetivos que se proponen alcanzar durante el desarrollo de este trabajo. El segundo capítulo presenta la puesta en marcha de la impresora 3D de bajo coste y la tecnología de fabricación aditiva que se utiliza en este trabajo, describiendo el proceso de fabricación de un substrato para aplicaciones de alta frecuencia y analizando las propiedades eléctricas y mecánicas de distintos materiales de impresión 3D. En el tercer capítulo se describe la implementación de diferentes circuitos planares de alta frecuencia en tecnología microstrip y stripline, modificando las características del material y la geometría del substrato con el fin de conseguir mejorar las prestaciones de los circuitos. El cuarto capítulo expone el diseño y el método de fabricación de distintos filtros paso banda en estructura multicapa y la implementación de un diplexor utilizando esta tecnología, con la finalidad de obtener mejores prestaciones en comparación con las tecnologías de realización de estos circuitos tradicionales. En el quinto capítulo se presenta el proceso de diseño y fabricación de un novedoso filtro paso banda en guía de onda mediante la utilización de estructuras periódicas. El sexto capítulo describe las conclusiones globales que se han alcanzado en esta Tesis Doctoral y se proponen diferentes líneas de investigación para desarrollar nuevas aportaciones futuras. Finalmente, la Tesis Doctoral se cierra con un anexo donde se incluyen los principales artículos realizados durante este trabajo.

Additive manufacturing techniques and 3D printing are currently generating great interest in a wide variety of industrial sectors – such as medicine, science and technology. Over the past few years, the cost reduction of commercial 3D printers has meant that additive manufacturing is no longer used solely for rapid prototyping, but also for making components that can be used by the end user. In addition, the advantages gained by using this technology (complex structures can be produced in a very short time, the efficiency of the material used, materials can be combined and the low-cost) have also attracted research scientists, who have used the technology in many of their research studies. Recently, additive manufacturing techniques have appeared in the development of microwave devices and the number of research studies on this subject is growing year on year. This doctoral thesis, which has been dedicated to the development and manufacture of high-frequency devices using 3D printing techniques, has contributed to this research field. In particular, it focuses on the production of microwave circuits in various different technologies (microstrip, stripline, multilayer and waveguide), using a low-cost 3D printer. The circuits were designed, manufactured and characterized experimentally, demonstrating the great potential and flexibility that additive manufacturing has in the implementation of high-frequency devices. The doctoral thesis is organized into six chapters, in which the most significant advances and results achieved are presented. They have led to four publications, which are included in Journal Citation Reports. The first chapter gives an introduction to the field in which the thesis is situated, together with the state of the art of additive manufacturing. Here, the objectives to be achieved during the development of this work are presented. The second chapter presents the implementation of the lowcost 3D printer and the additive manufacturing technology used in this work, describing the manufacturing process of a substrate for high-frequency applications and analysing the electrical and mechanical properties of various different 3D printing materials. The third chapter describes the implementation of various high-frequency planar circuits in microstrip and stripline technology, modifying the characteristics of the material and the geometry of the substrate in order to improve the performance of the circuits. The fourth chapter presents the design and the manufacturing method of various band-pass filters in a multilayer structure and the implementation of a diplexer using this technology, in order to achieve better performance, compared to traditional circuits manufacturing technologies. In the fifth chapter, the design and manufacturing process of a novel waveguide band-pass filter is presented using periodic structures. The sixth chapter describes the overall conclusions that have been reached in this doctoral thesis and several research directions are proposed to develop new projects and future contributions. Finally, the doctoral thesis concludes with an annex that includes the main articles written during this project.