Characterization of 3D-printed materials at microwaves and mm-waves for radio frequency applications

This thesis investigates the characterization of 3D printed materials, specifically PLA and PETG, for their potential use as dielectrics in RF components. The primary objective is to determine whether these materials can be utilized effectively in applications such as metalized dielectric filters. To achieve this, a low-cost methodology for estimating the dielectric constant and the loss tangent is developed and validated. The study begins with numerical simulations, modeling WR-28 dielectric waveguides to analyze how the scattering parameters vary with different material properties. These simulations are performed using Ansys HFSS, considering both ideal conditions and real-world imperfections. Estimation of the dielctric constant is performed using the Beatty Standard, while the loss tangent is evaluated by comparing simulations with experimental data.. Following simulations, physical samples are manufactured using 3D printed Fused Filament Fabrication (FFF) and coated with conductive paint 843AR to enable RF measurements. A Vector Network Analyzer (VNA) is used to characterize the materials, with a two-step calibration process that ensure the accuracy of the measure. To assess the practical usability of these materials, resonators and stubs are designed as validation structures.

Questa tesi indaga la caratterizzazione dei materiali stampati in 3D, in particolare PLA e PETG, per il loro potenziale utilizzo come dielettrici in componenti a radiofrequenza (RF). L'obiettivo principale è determinare se questi materiali possano essere efficacemente impiegati in applicazioni come filtri dielettrici metallizzati. Per questo scopo, è stata sviluppata e validata una metodologia a basso costo per la stima della costante dielettrica e del loss tangent. Lo studio inizia con la simulazione di guide d'onda dielettriche WR-28 per analizzare come i parametri di scattering variano in funzione delle proprietà dei materiali. Queste simulazioni sono condotte con il software Ansys HFSS, considerando sia condizioni ideali che casi reali. La stima della costante dielettrica viene effettuata con il metodo Beatty standard, mentre il loss tangent viene valutato attraverso il confronto delle simulazioni con i dati sperimentali. Dopo le simulazioni, i campioni fisici vengono realizzati tramite stampa 3D con tecnologia FFF (Fused Filament Fabrication) e successivamente rivestiti con vernice conduttiva 843AR per abilitare le misure RF. La caratterizzazione dei materiali viene effettuata mediante un Vector Network Analyzer (VNA), con un processo di calibrazione in due fasi per garantire l'accuratezza delle misure. Infine, per valutare l'effettiva usabilità di questi materiali, vengono progettati risonatori e stub come strutture di validazione.