用于太赫兹辐射的金属化立体光刻3D打印矩形波导组件 郎丽英、 陈一阳、 秦启航、 高萌琪、 李行、 李帅、 贾定红、 曹阳

《Electronics》：Metalized Stereolithography 3D-Printed Rectangular Waveguide Components for Terahertz Radiation Liying Lang, Yiyang Chen, Qihang Qin, Mengqi Gao, Xing Li, Shuai Li, Dinghong Jia and Yang Cao

　　摘要 矩形波导作为在受控环境中操控太赫兹辐射的标准通用平台，已被广泛应用于各种太赫兹系统中。然而，传统的制造方法在实现这种亚毫米级结构的一体化集成时面临重大挑战，特别是在需要结合亚波长特征或复杂几何形状以实现高级功能时。在这项工作中，我们提出了一种结合立体光刻3D打印和无电镀技术的制造方法，并通过实现各种高性能D波段太赫兹矩形波导和天线，展示了其广泛的适用性、内在优势及局限性。所制备的矩形波导在D波段的插入损耗低于0.3 dB，回波损耗高于15 dB，同时能够在极端温度（-50°C至150°C）下保持稳定，并且重量减轻了超过60%。一体式制造的平滑壁锥形喇叭天线表现出与理论预期高度一致的波束成形特性。而在传统设计中尝试制造的波纹喇叭天线则会因3D打印固有的阶梯效应而导致性能下降。我们开发了一种具有斜向波纹的新设计，有效缓解了周期性亚波长特征中的不受控制的变形。与传统的90°波纹设计相比，这种斜向波纹设计将实验与理论辐射模式之间的偏差从1.45 dB减少到不到0.5 dB，提高了超过60%的图案保真度。我们认为，这种制造方法结合工艺自适应设计范式为实现高性能、轻量化及设计灵活的太赫兹波导组件奠定了坚实的技术基础，对推进下一代集成太赫兹系统的发展具有重要意义。

1. 引言
太赫兹波段（0.1–10 THz）以其独特的宽频带特性、对许多光学不透明材料的强穿透能力以及能够获取大量分子光谱特征而著称，使其成为下一代高速无线通信、无损成像和光谱学技术的关键技术[1,2]。矩形波导起源于20世纪初的微波技术，目前已成为太赫兹波段中不可或缺的标准平台，用于波导传输、互连和芯片封装[3,4,5]。其商业成功归因于低传输损耗、可靠的单模操作、结构坚固性和简单性，以及精确控制的模式场分布。设计灵活性还使得它们在太赫兹系统中具备先进的信号处理功能，进一步凸显了其多功能性[6,7,8]。喇叭天线能够将波导模式转换为宽带宽内的定向高增益自由空间辐射，是长距离太赫兹无线通信的关键组件[9,10]。除了基本设计外，工程化变体如波纹喇叭天线和透镜喇叭天线还提供了额外的功能，如极化控制和辐射模式成形[11,12]，满足了太赫兹链路中共频道信号利用和功率效率的严格要求。
然而，就单独的矩形波导组件而言，尽管它们通常遵循已建立的微波设计规范，但需要更严格的制造公差。这是由于太赫兹波导的亚毫米级横截面尺寸及其某些组件（例如波导滤波器中的谐振器[13]）所需的集成亚波长特征所决定的。传统的减法制造方法（如CNC加工）在制造高精度太赫兹波导组件时面临重大挑战，因为工具的可达性和精度受限，从而导致尺寸误差，进而降低波导传输性能并阻碍小型化和集成。高分辨率微制造技术（如LIGA和深硅刻蚀[14]）已成功应用于更高频率的太赫兹组件（例如850 GHz的天线[15]），但成本较高、结构稳定性差且集成困难。选择性激光烧结和熔化（SLS/SLM[16]）虽然实现了全金属组件（如喇叭天线[17]），但商用金属打印机的空间分辨率有限，导致尺寸误差和表面粗糙度，即使在较低太赫兹频段也会影响性能。相比之下，立体光刻（SLA）3D打印具有数十微米的分辨率，并通过金属化工艺证明适合制造太赫兹波导[18,19,20,21]。虽然这种方法有望克服多个领域的长期局限，但仍需进一步工作来验证其普遍适用性、优化工艺、评估复杂结构中的多物理性能，并开发设计策略以补偿制造缺陷。
在这项工作中，我们提出了一系列采用单体金属化3D打印的太赫兹矩形波导组件，并通过展示其出色的电磁性能，证明了结合SLA 3D打印和无电镀技术的制造方法的广泛适用性。详细介绍了制造过程和这些组件的物理特性。具体包括D波段矩形波导的导波性能（包括插入损耗和回波损耗）、在极端温度下的可靠性以及高速数据传输性能。在此基础上，我们开发了一体式制造的太赫兹喇叭天线，从无特征的锥形天线到包含周期性亚波长特征的波纹天线。为了解决3D打印在精确再现周期性亚波长特征方面的固有局限，我们开发了一种具有斜向波纹的波纹喇叭天线。与之前的金属化3D打印太赫兹组件相比，这种工艺自适应设计独特地减轻了逐层制造过程中产生的阶梯效应，实现了单次打印即可精确制造亚波长特征。通过减轻制造引起的几何变形，这种工艺自适应设计提高了几何保真度，同时保持了所需的辐射控制性能。总体而言，我们的结果证明了所提出的制造方法是传统制造方法的有力替代方案，能够实现轻量化、高性能且设计灵活的太赫兹器件。

2. 3D打印的太赫兹矩形波导
2.1. 太赫兹矩形波导的增材制造
与微波波导不同，用于太赫兹辐射的矩形波导具有更高的长宽比，即空心通道的长度与横截面尺寸之比，分别在厘米和亚毫米级别。这使得减法制造（例如CNC加工）不再适合制造所需结构。大多数情况下，需要对离散制造的互补部件进行后处理；然而，组装过程中的对准不良可能导致波导性能下降。相比之下，立体光刻3D打印能够轻松精确地一体式生产矩形波导组件，即使是那些包含深度亚波长特征的组件也是如此。考虑到太赫兹波段对大多数金属的微弱穿透性[22]，随后对空心通道进行表面金属化处理后，这些由固化光聚合物树脂制成的3D打印件可以在导波应用中与全金属器件相媲美。此外，这种制造方法由于树脂的低密度，使波导组件具有轻量化特性，非常适合重量敏感的应用（例如卫星中的互连器）。
所提出的太赫兹矩形波导的制造流程如图1所示。该过程首先使用计算机辅助设计软件进行3D模型设计和优化。随后进行DLP打印以调整打印方向并生成切片层。打印完成后，将部件浸泡在异丙醇中去除未固化的树脂，并在紫外光下进行后固化。具体来说，本研究中使用的太赫兹矩形波导组件的介电基板是通过桌面数字光处理（DLP）3D打印机（Titan 3，MicroSLA Inc.，加利福尼亚州都柏林）获得的。XY分辨率和层厚分别设置为25 μm和10 μm。固化后的光聚合物树脂主要由寡聚物和活性稀释单体组成，热固化（160°C，3小时）后的密度为1.15 g/cm3。其肖氏D硬度为86（ASTM D2240）[23]，杨氏模量为2720 MPa（ASTM D638）[24]，弯曲模量为2510 MPa（ASTM D790）[25]，表明3D打印的矩形波导组件具有令人满意的结构坚固性。之后进行表面预处理，包括表面粗糙化和敏化处理，以提高树脂基板与金属层之间的粘附力。粗糙化处理创造了微尺度粗糙度，然后在室温下的氯化亚锡溶液中进行敏化。每个步骤之后都用去离子水彻底冲洗。最后，使用动态液相沉积技术进行无电镀银处理。与传统的浸没电镀不同，这种方法有效避免了阻碍溶液渗透到高长宽比腔体中的空气屏障效应。通过精确调节溶液成分、流速和工艺顺序，通过氧化还原反应形成了均匀的金属涂层。这一动态过程确保了整个通道内反应物浓度的一致性，从而在内壁上实现了均匀的涂层厚度。沉积后，用去离子水冲洗波导并干燥。这一标准化程序确保了即使在高长宽比结构中也具有高重现性和均匀涂层。
鉴于低频太赫兹系统（例如6G回程链路、无损检测和车载雷达[26]）的快速发展和原型级应用，选择D波段（110–170 GHz，对应波长1.76–2.73 mm）作为操作频率范围，以展示所提出的矩形波导组件的能力。

2.2. 3D打印矩形波导的表征
制造了一个1英寸长的D波段矩形波导，带有标准UG-387/U [27]法兰用于设备之间的连接，整个过程一次性完成（见图2a）。与重量约为50克的全金属对应物相比，光聚合物树脂的较低密度使得3D打印的组件质量减少了超过60%。空心芯的横截面尺寸为1.632 mm × 0.809 mm，与理想设计（1.651 mm × 0.826 mm）相比存在轻微的几何偏差。此外，由于3D打印的固有缺陷——如支撑结构的非最优布局、长时间使用后的释放膜退化、打印分辨率有限以及后固化过程中的应力松弛——还观察到边缘圆角（测量的曲率半径约为0.03 mm）和空心孔通道中的局部微缺陷（表面的微结构突起或凹陷）。为了定量评估上述几何偏差对电磁性能的影响，使用有限元方法对矩形波导支持的固有模式进行了数值模拟。将空心芯建模为空气，并在边界应用了包含Drude–Lorentz模型的阻抗边界条件来表示金属表面。进行了模式分析。采用了最大和最小元素尺寸分别为λ/5和λ/10的细网格以确保解决方案的准确性，并采用单变量方法来隔离每个几何特征的影响（见图2b）。可以看出，横截面收缩导致支持的TE10模式的模态损耗降低，从而略微增加了S21值，但代价是截止频率的降低。边缘圆角对电磁场分布的影响可以忽略不计，而微缺陷导致局部模式扰动和轻微的损耗增加。上述3D打印引起的缺陷总体上对导模场分布（图2b插图）和操作频段内的传输损耗影响较小。

图2. 3D打印的矩形波导。(a) 3D打印的D波段矩形波导的横截面和纵向视图。(b) 3D打印缺陷对D波段矩形波导引导的太赫兹辐射影响的数值模拟结果。使用原子力显微镜（AFM，Asylum Research MFP-3D）表征了空心通道的表面形态，揭示了表面粗糙度和沉积银层的厚度。由于Z轴打印分辨率的限制，观察到波导表面存在大约10 μm的周期性起伏——这与打印层厚度相对应。测量得到的算术平均粗糙度（Ra）在固化前和固化后分别为53.463 nm和83.906 nm（图3a）。沉积在树脂基板上的银层厚度为数百纳米，比140 GHz时的 skin depth 大一个数量级，从而使其具有与金属对应物相似的导波性能。然而，电镀银层的有效电导率为4.24 × 10^7 S/m [28]，略低于块状银的电导率，这可能是由于表面粗糙度和表面氧化所致。尽管有这种减少，导电性仍然足够高，可以支持波导传输。通过对波导通道进行横截面扫描电子显微镜（SEM）成像，评估了沉积银层的均匀性（见图3b，显示了镀银后矩形波导通道的宽壁横截面）。横截面表面看起来是平坦的，边缘笔直，银层与树脂基材的粘附性能良好，没有可见的剥离或裂纹。由于逐层3D打印过程导致的周期性条纹清晰可见，其间距与打印层的厚度相对应。因此，除了在D波段的应用外，我们相信这种制造方法可以扩展到更高的太赫兹频率。测量得到的金属化后表面粗糙度（Ra ≈ 84 nm）远低于1 THz时的λ/30（约10 μm）[29]，这表明通过提高微米级打印分辨率，理论上可以达到1 THz的频率。从尺寸角度来看，SLA工艺的几何精度可保证尺寸偏差在15 μm以内，满足这一频率范围内太赫兹波导组件的公差要求。图3. 3D打印矩形波导内表面的表征。(a) 波导内表面粗糙度的3D地形图：(I) 金属化前；(II) 金属化后。(b) 波导宽壁截面的横截面SEM图像。这种金属3D打印的矩形波导与全金属波导作为对照一起，使用矢量网络分析仪（CEYEAR 3674E）进行了表征。在测量之前，进行了标准的透过反射线（TRL）校准，以消除系统误差。测量不确定度较小，主要来自VNA源的固有稳定性（±0.03 dB）和实验室环境中的可忽略不计的残余多路径散射。每次重新连接波导后都进行了三次独立测量。通过将这种统计变化与仪器源稳定性（±0.03 dB）和潜在的环境损耗相结合，通过平方和估计计算了每个频率点的标准偏差。结果不确定性作为阴影误差带在曲线中可视化。实验结果表明，在目标频率范围内S21和S11值保持一致。具体来说，插入损耗低于0.3 dB（见图4a），回波损耗高于15 dB（见图4b）。与预期相反，在测量曲线中观察到了一些波动，尤其是在S21参数上。这种波动主要源于波导与测试系统之间的非理想接触。尽管使用标准的UG-387/U法兰连接波导以确保同轴对齐，但界面处的残余表面粗糙度和轻微的端面倾斜仍可能导致小的阻抗不连续性，并导致观察到的波动。此外，作为太赫兹辐射传播的关键组件，波导的温度适应性对于确保太赫兹系统的稳定性在实际应用中起着决定性作用。为了评估这一点，将制造的波导进行了温度循环测试（?50 °C 和 150 °C，每个循环12小时），并在测试前后记录了端面尺寸和透射率。实验结果表明，由于热膨胀引起的尺寸偏差保持在0.05 mm以下（见图4c），而在所需频段内透射率基本保持不变（见图4d），表明性能几乎不受影响。图4. 3D打印D波段矩形波导的表征。(a) 1英寸长波导的插入损耗（S21）和（b）回波损耗（S11）。(c) 经过温度循环处理的波导的尺寸变化。(d) 波导的透射率变化。进一步使用图5a中所示的太赫兹通信系统对数据传输功能进行了评估。基于140 GHz载波，通过切换1.75 GHz平坦通带内的子通道并以QAM调制格式传输数据流。通过信号分析仪获取并通过解调和比特错误率（BER）测量处理通过矩形波导传播的信号[30]。实验结果表明，在Gbps级别的数据速率下，测得的BER远低于清晰通道传输阈值（10?12，见图5b）。这表明3D打印的矩形波导可以支持超高速率信号传输，其性能与其全金属对应物相当。然而，由于当前通信系统的操作带宽有限，实验中尚未确定最大数据速率。图5. (a) 一个太赫兹通信系统，其中矩形波导连接太赫兹发射器和接收器。(b) 测量的比特错误率。3.3D打印圆锥形喇叭天线基于矩形波导的圆锥形喇叭天线为设备内自由空间辐射和引导波之间的双向转换提供了最简单的解决方案之一。它具有适中的增益和宽带操作范围，是光子和电子基太赫兹系统中最广泛使用的组件之一，适用于各种应用。例如，当配备太赫兹发射器时，通过其喇叭形开口结构发射的方向性波束即使在输出功率受限的情况下也能实现长距离无线链接[31]。然而，其在太赫兹领域的实施继承了矩形波导的关键限制，即难以实现高精度的一体化制造。在组装过程中，独立CNC加工的离散组件之间的错位非常难以避免（如果不是不可能的话），这可能导致增益下降，甚至在结构复杂的天线中导致特定功能失效。相比之下，上述制造方法可以规避这些与过程相关的挑战，并有望使制造出的天线具有设计所需的性能。以下展示了3D打印D波段天线，以说明这种制造方法的适应性和局限性。3.1. 具有光滑表面的太赫兹圆锥形喇叭天线开发了一种由WR-6.5矩形波导馈电、UG-387/U法兰、2.92毫米长的矩形到圆形过渡段、3毫米直径的圆形波导以及轴长21.6毫米、口径直径10毫米的圆锥形喇叭部分组成的圆锥形喇叭天线（见图6a）。数值模拟验证了这种设计在D波段的高辐射效率，140 GHz时的远场增益达到22.5 dBi，旁瓣水平低于?10 dB（见图6b,c）。按照图1所示的制造方法，这种喇叭天线成功地制作成一体的金属3D打印结构，几何偏差最小。图6. D波段圆锥形喇叭天线的设计。(a) 3D打印圆锥形喇叭天线的示意图和照片。(b) 140 GHz频段圆锥形喇叭天线的远场增益的数值分析。(c) 140 GHz频段圆锥形喇叭天线的一维辐射模式比较（蓝色曲线）。与其CNC加工的全金属对应物一起，3D打印的喇叭天线使用图7a所示的实验装置进行了表征。被测试的天线安装在一个高精度旋转台上，并与标准增益参考喇叭天线（金属圆锥形喇叭）同轴对齐，距离满足远场条件（大约1000毫米）。之后，通过将天线从?30°旋转到+30°来记录E平面辐射模式（见图7b的归一化结果）。实验发现，我们的3D打印天线与金属参考天线在140 GHz时的辐射模式非常吻合，这种趋势在整个D波段都持续存在。进一步观察发现，在此测量范围内，3D打印天线的主瓣特性与仿真结果非常吻合，即测量的3 dB波束宽度为14.6°，非常接近模拟值15.2°。旁瓣区域的小差异主要归因于测量不确定性，包括对准误差和系统校准残余。基于这些实验发现，可以得出结论，3D打印的喇叭天线可以作为全金属天线的轻量化替代品，提供类似的束成形性能。图7. 太赫兹喇叭天线的实验表征。(a) 3D打印圆锥形喇叭天线及其全金属对应物的实验装置和照片，以及（III）3D打印的波纹喇叭天线。(b) 140 GHz时3D打印圆锥形喇叭天线的E平面辐射模式。3.2. 太赫兹波纹喇叭天线考虑到随着工作频率的增加，圆锥形喇叭天线的辐射效率和模式纯度会下降，因此采用了在其内壁具有周期性亚波长波纹的波纹喇叭天线，它们在某些太赫兹应用中表现更好[32]。与无特征的天线相比，波纹的存在通过表面电流调制和电磁相位控制抑制了高阶模式干扰，从而在大多数情况下提高了增益并降低了交叉极化[33]。然而，这种微结构波纹——沿喇叭的轴向排列，深度和周期空间变化——通过CNC加工难以再现，即使有昂贵的基础设施和处理专业知识也是如此。此外，尽管提供了更高的分辨率，但微制造技术（例如，深度反应离子刻蚀和LIGA）仅限于高太赫兹带的波纹喇叭天线，因为材料兼容性和可实现的结构体积有限。相比之下，增材制造技术有望复制所需的总体和复杂内部特性，实现太赫兹波纹喇叭天线的一体化制造。与商用选择性激光熔化3D打印机制造的全金属对应物相比，通过SLA 3D打印制造方法制造的波纹喇叭天线可以实现更好的表面光洁度和较小的结构变形。为了进行性能比较分析，展示了具有与上述圆锥形喇叭天线相同整体配置的波纹喇叭天线（见图6a）。为了获得更好的辐射性能，在TE11-HE11模式转换器及其连接的线性渐变喇叭部分上叠加了周期性波纹（详见图8a的设计）。该设计遵循了波纹喇叭天线的经典原理[34,35,36]。具体来说，在模式转换器中加入了六个宽度为0.24 mm、深度从1.1350 mm渐变到0.5675 mm的凹槽，以促进HE11模式的激发并抑制高阶模式。此外，在线性渐变喇叭部分实现了周期深度渐变的0.3 mm波纹，凹槽和齿的宽度分别为0.24 mm和0.06 mm。这种设计保持了TE11和TM11模式之间的相对功率比为0.85:0.15，从而在天线中实现了束对称性和交叉极化区分（XPD）之间的权衡。数值辐射模式显示，与无特征的天线相比，波纹喇叭天线具有更大的波束宽度（16.3°）、增强的旁瓣抑制（约20 dB）和在140 GHz时的更高束圆形度（见图6c和图8b）。此外，理论上在D波段实现了超过25 dB的XPD改善（见图8c）。图8. D波段经典波纹喇叭天线的设计。(a) 波纹喇叭天线结构的示意图。(b) 140 GHz频段波纹喇叭天线的远场增益的数值分析。(c) D波段内喇叭天线的交叉极化性能的数值比较。波纹喇叭天线的制造和表征使用与圆锥形喇叭天线相同的方法进行（见图1和图7a）。需要注意的是，为了避免在相邻齿之间需要添加支撑结构并确保其结构完整性，整个结构和包含的垂直于轴的波纹都是以倾斜角度打印的。可以观察到，3D打印的亚波长凹槽的表面光洁度与矩形波导相当（见图3和图9a）。然而，采用这种倾斜的打印方向策略时，3D打印固有的层阶梯效应不可避免地会在制造的亚波长波纹上导致明显的微观结构缺陷，如不完整的凹槽轮廓和局部毛刺。这些制造引起的缺陷扰乱了支持平衡HE11模式所需的周期性表面阻抗分布，导致从主导的HE11模式到更高阶寄生模式的虚假模式转换，从而降低了模式纯度。这导致交叉极化水平增加，辐射模式对称性降低，以及孔径效率降低，从而使得性能低于预期。3D打印的波纹喇叭天线在140 GHz时的回波损耗为?16 dB，比数值预测的高出约10 dB。此外，当与3D打印的圆锥形喇叭天线进行归一化比较时，尽管制造的波纹天线呈现出更宽的对称波束辐射模式且没有可观察到的旁瓣，但其增益较低（20 dBi），比数值结果低1.45 dB（见图9b）。图9展示了太赫兹喇叭天线的实验特性。(a) 3D打印的波纹喇叭天线中周期性波纹表面粗糙度的放大视图和3D地形图。(b) 建议的波纹喇叭天线在140 GHz时的2D远场增益。

3.3. 带有定制亚波长特征的波纹喇叭天线
为了解决经典波纹喇叭天线的制造限制，受到[37]的启发，我们提出了一种改进的设计，该设计包含有意倾斜的波纹结构。这种方法实现了在垂直方向上的无支撑整体打印，从而消除了倾斜打印方向固有的阶梯效应。由此产生的高几何保真度保持了预期的周期性表面阻抗调制，进而降低了交叉极化水平并改善了辐射模式的对称性，提高了天线的整体性能，同时简化了制造过程。图10a显示了沿扩口部分的周期性波纹的示意图，其中倾斜角度θ定义为齿与纵轴之间的角度（θ = 90°代表图8a中的波纹喇叭天线设计）。在其他在第3节中详细描述的波纹喇叭天线设计几何参数保持不变的情况下，对θ为30°、45°和60°的配置进行了数值模拟。结果表明，电磁性能对θ的变化基本不敏感，如图10b,c所示。为了解决垂直打印过程中不可避免的重力效应，尽管与90°的波纹喇叭天线相比增益减少了约0.45 dBi（见图10d），但仍按照图1中的制造流程实现了θ为30°的波纹喇叭天线。实验结果表明，得到的基板表现出较少的局部微变形和更好的沟槽平行度（见图10e），相对于图9a中的理想设计，具有更高的几何保真度。

图10. 3D打印的带有倾斜波纹的天线。(a) 波纹的示意图。(b) 在140 GHz时具有倾斜齿特征的太赫兹波纹喇叭天线的1D辐射模式（Co-Pol/X-Pol）。(c) 波纹喇叭天线在D波段的数值XPD。（d）在140 GHz时太赫兹波纹喇叭天线的数值远场增益。(e) 具有30°倾斜齿的波纹的放大视图。(f) 在140 GHz时波纹喇叭天线的实验2D远场增益。所展示的3D打印波纹喇叭天线在D波段的回波损耗（S11）低于-20 dB，且在140 GHz时的波束宽度为16.4°。值得注意的是，在整个140 GHz的角度测试范围内，实验归一化增益与数值增益之间的偏差保持在0.5 dBi以下（见图10f）。与传统的90°设计相比，这种性能改进突显了3D打印在复制这种倾斜波纹喇叭天线方面的适用性。然而，测量得到的XPD（约40 dB）仍然低于数值预测值。这种差异主要源于制造缺陷，如扩口轮廓的残余非圆度以及后固化和国化过程中引起的微小结构变形。这些几何缺陷破坏了高极化纯度所需的结构对称性，从而降低了XPD。相比之下，通过测量环境条件下的自由空间传输来评估环境散射的影响；S21参数在D波段内保持在0.2 dB以上，表明周围环境的散射对测量的XPD降低的贡献较小。这需要通过提高打印分辨率和改进后续打印后的处理等努力来专注于提高制造精度。

4. 结论
在这项工作中，我们提出了一种结合SLA 3D打印和无电镀金属化的新型太赫兹矩形波导组件制造方法，并通过实现多种组件展示了这种方法的广泛应用和相应的解决方案。实验发现，3D打印的D波段矩形波导即使在极端温度（-50°C至150°C）下也能实现与传统的全金属对应物相似的波导插入损耗和回波损耗，同时实现了超过60%的重量 reduction。此外，无特征的圆锥形和波纹喇叭天线、结合波导法兰的模式转换器和带有或不带有亚波长特征的扩口部分都能够轻松且精确地实现为整体结构。3D打印的圆锥形天线的测量辐射模式与金属天线相似，并且与预期相符，在140 GHz时的数值增益为22.5 dBi。经典的波纹天线设计（θ = 90°）实现了宽的对称波束辐射且没有可观察到的旁瓣；然而，由于亚波长特征中的不可控变形（由层阶梯效应引起），其增益降低，波束宽度也较窄（测量分别为20 dBi和11.5°）。因此，我们专注于开发具有30°倾斜周期性齿结构的波纹喇叭天线设计，旨在专门解决SLA 3D打印中的阶梯效应。虽然保持了与经典设计相似的辐射模式，但这种方法显著提高了制造的可行性。实验验证表明，这种优化结构的天线实现了更好的性能，即增益为21.5 dBi，波束宽度为16.4°，测量结果与理论预期非常吻合。

表1总结了通过不同方法制造的太赫兹矩形波导组件。与高端CNC加工相比，所提出的方法在几何复杂性和整体集成方面具有优势，但表面粗糙度略高。与SLM相比，基于SLA的金属化实现了更高的分辨率和更好的表面光洁度，尽管机械强度较低。硅微加工在高频操作方面仍然更优越，但在结构体积和集成灵活性方面有所限制。尽管所提出的方法在快速原型制作和设计灵活性方面具有优势，但其对于亚微米级公差的几何保真度目前仍不如CNC加工或硅微加工。然而，对于D波段和许多低太赫兹应用， where 公差在几十微米的范围内，该方法占据了互补的定位，平衡了性能、设计灵活性和制造成本。表2定量比较了通过不同方法制造的D波段波导组件的性能。我们的SLA金属化矩形波导实现了低于0.3 dB的插入损耗，圆锥形喇叭天线提供了约22.5 dBi的增益，倾斜波纹设计（θ = 30°）展示了过程适应性设计的有效性。总体而言，所提出的方法在保留轻量化、设计灵活性和整体集成优势的同时，提供了竞争性的电磁性能。值得注意的是，尽管通过我们提出的新制造方法实现了各种D波段太赫兹矩形波导组件，但还需要进一步努力来细化技术细节，以改善制造结构与理想设计之间的几何一致性。这些改进对于增强某些验证设备的关键性能参数（例如，波纹喇叭天线的XPD）以及将操作频段扩展到更高频率（例如，Y波段）至关重要。

为了提高所提出的3D打印波导组件的实际适用性，应考虑与机械强度、环境稳定性和功率处理相关的几个因素。最近的一项技术进展涉及将陶瓷微粒掺入光敏聚合物树脂中，表明前者目标是可以实现的，尽管需要权衡重量的增加[38]。在实际应用中，灰尘和湿度等环境条件可能会随时间影响银表面，可能引入额外的欧姆损耗。长期可靠性也是一个问题，因为银的氧化会逐渐降低有效导电性；这可以通过在未来的实现中使用保护涂层来缓解。关于功率处理能力——对于高功率太赫兹系统至关重要——优化的热管理策略是必不可少的。这些包括强制空气或液体冷却系统，以及使用高热导率金属（如铜）进行无电镀以增强散热。此外，随着使用的延长，银层和树脂基底之间的热膨胀系数（CTE）不匹配可能在反复的温度变化下引起界面应力，从而导致粘附力降低或分层。未来的改进可能包括引入过渡层（例如镍）或使用与树脂基底热膨胀系数更匹配的金属，以提高长期可靠性。此外，提高银层的均匀性对于确保一致的电导率和热分布至关重要。这些改进共同有助于在高功率操作条件下的可靠性提升[39]。我们相信，通过解决这些问题，基于金属化3D打印树脂基底的太赫兹波导组件可以作为传统全金属组件的有吸引力的替代品，因为它们具有可比的电磁响应和更好的设计灵活性，并为构建多功能集成太赫兹系统提供了一个轻量化的平台。

表1. 制造太赫兹矩形波导组件的不同方法。
表2. 通过不同方法制造的波导组件的性能比较。