摘要

本文在标准化RF连接器的增材制造(AM)中考虑采用敏捷设计方法，并提出了3D打印的UMCC，讨论了设计工艺，并考虑了制造问题。

关键词

增材制造，RF，3D打印，连接器，MMCX，SMA，U.FL，W.FL，UMCC。

一、引言

十多年来，3D打印高保真电子技术一直是增材制造(AM)领域的发展目标;但是，在实际实现这一目标方面进展甚微。缺乏进步的常见理由包括：增材制造材料的范围在不断扩大，增材制造的软件界面仍在发展，所采用的增材制造技术可能带来挑战。随着这些领域的进步，3D打印电子设备已变得可实现，但是要使这项技术发挥最大潜力，应将3D打印传感器和连接器纳入AM工艺。

RF连接器现有很多品类，虽然一些品类比其他品类更常见，但这些连接器中的大多数在拓扑上是等效的。每个连接器均包含一个信号传输导体，该导体通过电介质绝缘，而电介质本身又被用作接地参考的另一条导体围绕。尽管理论依据保持不变，但项目要求的变化导致可使用的射频连接器的形貌范围广泛。

这包括典型插头插座公母之别、尺寸和外形、紧固方法(例如拧紧、卡扣、推入插配等)以及材料(即电介质和导体)之间的差异。为此，考虑使用AM时，可以进行3D打印的可用连接器类型要少得多。本文提出了可以通过AM制造并直接嵌入到较大的3D打印设计中的RF连接器的设计;同时，仍可以做到符合应用标准。

二、方法

3D打印RF连接器的主要设计注意事项是3D打印工艺本身带来的限制。电子印刷需要多材料印刷，因为既需要电介质材料又需要导电迹线材料。最常见的3D打印电子产品是使用双熔丝制造(FFF)打印或具有至少一台FFF挤出机，以及气动直接写入(PDW)功能的混合系统制造的。

在前者的情况下，将圆柱形坯料(通常称为长丝，由热塑性塑料制成)推入加热的喷嘴中，使得坯料熔化。一个或多个喷嘴将具有介电材料，而另一个或多个喷嘴将具有导电材料。此方法中的所有材料在加热时应柔韧，而在冷却时应坚硬。后一种方法通常将FFF用于介电材料，但具有用于PDW印刷导电油墨的气动泵和注射器系统。

与PDW系统一起使用的导电油墨、焊膏等通常具有比导电丝更高的导电率，因为大多数导电丝是塑料和导电颗粒的复合材料。结果成为了易于FFF打印但具有相对较低电导率的材料。另一方面，PDW系统具有几种很有前景的导电材料。但是，要想使用这些系统获得良好的结果，可能是具有挑战性的。印刷后，PDW中使用的材料可能还需要对导电油墨/浆料进行热固化。使用这两种方法时，都缺少可用的多合一软件包，因此经常需要设计的预处理和机器代码的后处理。

三、设计与制造

考虑到AM工艺的局限性，我们揭示了几种可行的3D打印RF连接器。具体来说，推入插配和按扣连接器被认为是3D打印的合理设计。同轴连接器(UMCC)是用于RF应用的最小的通用连接器之一，使其难以打印。但我们仍然选择此连接器类型，因为它没有螺纹件，通常用于连接周期短的应用中，并且其功能在PDW天线可达到的工作频率范围内。

图1.带探头垫的3D可打印U.FL母头连接器。

通常，射频适配器的每一侧都有金属化的紧固件或护套，以进一步减少电磁泄漏。在这种设计中，公头UMCC的接地导体在与印刷连接器配合时将提供这种保护。在较大的设计中或需要额外保护的情况下，可以集成具有更坚固导电屏蔽的设计解决方案。我们的全嵌入式3D可打印超小型同轴连接器(UMCC)的CAD模型如图1所示。

图1中样品的总尺寸为12.7mm×12.7mm×2.605mm。棕褐色材料是介电塑料，银材料是导电墨水。PDW系统用于导电油墨，因为与FFF导电丝相比，它可提供更好的导电效果。我们还进行了手动设计补偿，以管理与3D打印相关的系统错误，例如尺寸补偿、材料间隙阈值、线宽和层高公差等。

设计完成后，将3D模型导出到“切片”程序中。该软件根据用户设置和打印机规格将3D模型转换为可读的机器代码。很少有与通用电子打印兼容的切片应用程序，以创建customprinte、材料和详细信息设置。然后，对机器代码进行手动以及自动后处理，以解决机器偏移、软件缺陷、条件命令以及当前在市售软件中无法实现的其他功能。即使使用这些软件补偿，也需要更改打印机的硬件。

常见的FFF 3D打印机使用直径为0.4mm的喷嘴，这限制了最小可打印功能部件尺寸。该模型需要较小的特征尺寸，因此需要使用0.25mm的喷嘴。每次更换注射器尖端时，都必须使墨水与塑料对齐。其他更改包括自定义的细丝固定器，对挤出机系统的自定义以及覆盖材料设置。

该测试样品由用于接地和信号走线的焊盘制成，以测试连续性;但是，在完整的系统中，顶面将代表设备的表面，整个连接器将嵌入到传感器、天线等走线中。导电油墨被单层印刷，以减少工具更换并简化设计。 图2显示了设计中的塑料部分，内带有和没有装有配对的公头UMCC。图2中使用了尼龙，但我们也能够使用工程塑料，例如PEEK、PEK、ESD安全PC等。

图2.未配对的3D打印母头UMCC(左)，与标准公头UMCC配对(右)。

四、模拟

使用CST微波工作室，在配对配置中模拟了我们连接器的CAD模型。仿真包括我们的3D打印设计，以及中心导电引脚和配对标准UMCC的接地。在UMCC配合接口处放置了一个波导端口，在接地和信号走线之间安排了一个50欧姆的离散端口。为了进行比较，使用连接器两侧的离散端口进行第二次仿真。两种情况下的模拟插入损耗和回波损耗如图3所示。

图3.使用波导端口和离散端口进行的模拟仿真在插入损耗和回波损耗方面的比较。

虽然仿真非常吻合，但较低的频率存在偏差。这是由于以下事实：对于低于1 GHz的频率，仿真的波导端口的大小不正确。无论如何，仿真表明，带有银触点的尼龙印刷UMCC连接器在大约3 GHz的频率下表现出可接受的响应。

五、结论

我们建立了一种用于3D打印嵌入式UMCC连接器的方法。解决了可印刷性和连接器功能，以及使用了专用材料。此设计用作​​概念验证，以演示现代3D打印平台的功能以及AM连接器的潜力。尽管此设计是为测试和验证目的而设计的，但可以轻松对其进行修改并将其集成到3D打印天线系统中。我们计划将这项研究扩展到全3D打印天线系统，通过该系统，可以将标准和非标准3D打印连接器与市售组件进行比较。