Caracterización de materiales mediante guías de onda rectangulares para aplicaciones de microondas

Abstract

Este trabajo presenta la caracterización de varios materiales de impresión 3D para su uso en el diseño de dispositivos de alta frecuencia. Estos materiales no actúan simplemente como soportes estructurales, sino como elementos cuyas propiedades dieléctricas y geometría modifican el comportamiento de la red diseñada, por lo que es muy importante una extracción precisa de la características dieléctricas que estos presentan. Para este estudio, se hace uso de paralelepípedos impresos en 3D a introducir en el volumen interior de dos secciones de guías de onda rectangulares, específicamente WR137 y WR90 con longitudes de 51 [mm]. En el proceso de medición de los parámetros S en dichas secciones de guía de onda se hace uso de un VNA para evaluar y caracterizar dichos materiales, agregando dos secciones de guía en los extremos de la línea bajo prueba que funcionan como transición de los cables coaxiales del VNA a la guía de onda. Dicha estructura de transición incluye un dipolo que conecta los extremos de la guía de onda con dichos cables coaxiales, permitiendo la transición de la señal en el interior de la guía. Dichas medidas obtenidas posteriormente se contrastan con simulaciones electromagnéticas de las estructuras correspondientes, buscando obtener una concordancia completa entre las medidas obtenidas y las simulaciones, ajustando las propiedades de los materiales. Los resultados obtenidos revelan información importante sobre el comportamiento de los materiales de impresión 3D en aplicaciones de alta frecuencia. Sorprendentemente, se puede observar que no existe una gran diferencia en términos de rendimiento entre materiales específicamente concebidos para su uso en dispositivos de alta frecuencia y materiales comunes y más económicos como pueden ser el PLA y el ABS.

This work presents the characterization of various 3D printing materials for their use in the design of high-frequency devices. These materials not only act as structural supports but also as elements whose dielectric properties and geometry modify the behavior of the designed network. Therefore, precise extraction of the dielectric characteristics that these materials present is very important. For this study, 3D-printed parallelepipeds are used to be inserted into the interior volume of two rectangular waveguide sections, specifically WR137 and WR90 with lengths of 51 [mm]. In the process of measuring the S-parameters in these waveguide sections, a Vector Network Analyzer (VNA) is used to evaluate and characterize these materials. Two waveguide sections are added to the ends of the test line, which serve as a transition from the coaxial cables of the VNA to the waveguide. This transition structure includes a dipole that connects the ends of the waveguide with the coaxial cables, allowing the signal transition inside the waveguide. The obtained measurements are subsequently compared with electromagnetic simulations of the corresponding structures, aiming to achieve a complete agreement between the obtained measurements and the simulations by adjusting the properties of the materials. The results reveal important information about the behavior of 3D printing materials in high-frequency applications. Surprisingly, it can be observed that there is not a significant difference in terms of performance between materials specifically designed for high-frequency devices and common and more affordable materials such as PLA and ABS.