北理工-3D打印技术在5G通讯天线中的应用进展与挑战！

日期: 2023-12-04 17:17:10 作者: 天火3娱乐

随着5G通讯的到来以及通信系统向毫米波和更高频率的方向发展，天线将被要求具有更高增益、宽带宽和低能耗。3D打印通过逐层堆叠来实现结构较为复杂零件的制备，从而能够以更便宜、更快和灵活的方式制造任意形状的天线。近期北京理工大学的科研团队，并讨论了主要的挑战和前景，以深入了解3D打印如何在天线制造中的进一步发展。

由于在过去十年中人们对更快数据速率的需求持续不断的增加，研究人员始终致力于创建称为5G的新一代通信系统。随着5G的到来，各种设备与环境交互，带有嵌入式传感器的物体数量呈指数级增长。因此，无线通信的主要挑战是开发高性能系统，包括天线。传统通信频段受限且过载，难以提供未来难以预期的数据速率。需要用更高频率的通信系统，例如毫米波和亚毫米波。这些高频通信系统的限制部分之一是发射器和接收器，其中天线起着至关重要的作用。对于毫米波频段中的通信，天线一定要有高度指向性以减轻在自由空间的衰减。这些要求导致天线结构较为复杂、高度集成、重量轻和小型化，这给现有制造工艺带来了压力。

图 1 3D打印天线D打印技术又称增材制造，以快速成型、成本低、材料利用率高、无需模具等优点，受到工业界和研究界的广泛关注。它是使用逐层堆叠工艺，容易制备复杂形状零件。这些优势展现了3D打印技术满足射频设备要求的潜力，例如毫米波和更高频段的天线。目前已经有多项关于很多类型的3D打印天线的研究，这些天线通常使用金属、聚合物和陶瓷制造。例如透镜、介质谐振器和天线。其中多款天线工作在毫米波频段，增益高，辐射效率好，适用于移动通信、卫星、遥感等领域。

目前已经开发出多种具有不一样功能的3D打印技术。其中熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、聚合物喷射（Poly-jets）、选区激光熔化（SLM)和粘合剂喷射(BJ)用来制造天线，这些技术的示意图如图2。最近FDM中采用了一种允许一步打印天线结构的新型材料，是一种商用类型的灯丝，具有比传统灯丝更高的导电性，被称为“Electrifi”。它由一种独特的金属聚合物复合材料组成，主要由无害的可生物降解聚酯和铜制成。聚合物SLA已成功用于高滤波和射频封装应用，然而聚合物SLA在微波频率下有损耗，这使得它们不适合低损耗毫米波的应用。迄今为止，已经使用Poly-jet成功制造了多种类型的电介质天线和电磁带隙结构。Poly-jet是实现毫米波、亚毫米波和THz频率3D打印天线的理想选择。与传统方法相比，Poly-jet能够以更低的成本制造结构较为复杂的天线，制作的完整过程精确、方便、快捷。此外使用SLM打印的天线具有高致密化、无孔洞和高强度的优点，SLM已大范围的使用在制造微波天线，BJ制备天线目前还没有太多的报道。

图3比较了天线D打印技术特性。FDM是聚合物天线制造中最常用的方法，因为它成本低且可直接加工。然而FDM的打印精度低，限制了在毫米波等高频领域的应用。SLA在其他3D打印技术中精度最高，被广泛应用于陶瓷天线的打印。纯金属天线可以通过SLM直接打印，使用导电元件可以减少损耗，从而实现高辐射性能。在某些情况下poly-jet和BJ也被用于生产天线。多样化的打印工艺在生产众多天线系统、推动通信系统的探索以及其他领域的发展方面发挥着关键作用。

热塑性塑料、树脂、陶瓷材料和金属粉末已经被用来制造天线D打印天线按制造所用材料可分为以下几类：1）聚合物天线）直接用导电材料打印或用介电材料打印然后金属化的金属天线）复合材料天线，主要是指聚合物基体与陶瓷的结合；5）多材料集成天线，主要是不同部分由导体和介质材料组成的天线D打印聚合物天线，在天线制造中，因为它们比导电材料更容易打印。因此，3D打印是制造透镜等介质天线的最合适方法

。透镜天线是一种很有前途的高频和高度定向天线，并且已被证明可以在从微波到毫米波、亚毫米波和THz各种频率范围内所有常见的3D打印工艺制备。此外Luneburg透镜(LL)在雷达和卫星系统中引起了人们的关注，传统LL是一种对称的球面渐变折射率透镜。目前使用Poly-jet已经打印了一个LL原型。图4c是简化的球形LL用聚合物材料打印，采用棒状结构作为晶胞，它的工作频段可以覆盖整个波段。图4d是使用PLA+以低成本为X波段打印了一个额外的宽带圆偏振球形LL。图4f是使用SLA成功打印的LL，图4g是使用计算机数控加工制造的透镜。平面LL通常设计为具有多层的环形结构，如图5所示，它是使用SLA打印的，使用的材料是甲基丙烯酸酯单体、甲基丙烯酸酯低聚物和光引发剂的复合材料。图5d-g是通过具有不一样相对介电常数值的五种不同ABS灯丝打印的平面LL（图5e）。与之前的天线不同，平面LL的六层是使用PLA材料通过FDM打印的，如图5h。

除透镜天线外，喇叭也是毫米波和亚毫米波应用的热门天线备用选择。目前已经通过SLM制造铝合金和铜双脊方形喇叭天线所示。为提高电镀效果，可以在3D打印原型的表面上吸附一层催化活性贵金属。在电镀前100h，将厚度约为6nm的薄金层溅射到聚合物结构的背面作为种子层，图7显示了其中一个制造的原型。铜用于使用很多方法对不一样的天线进行金属化。除电镀外，铜还可用于以铜漆和铜带的形式对天线进行金属化。例如用尼龙PA 2200打印的天线，被几层铜漆覆盖，如图7c。使用SLA打印波纹锥形喇叭天线，然后涂上导电气溶胶涂层，如图7e所示。

使用3D打印制造的天线的后金属化是低成本制造5G天线的有希望的候选方法。

使用这种方法制造的微波元件重量轻（与传统生产的基本工艺和金属制造的相同元件相比）。然而这些零件机械降低低。此外，金属涂层聚合物组件不适合在恶劣环境或大功率应用中使用。

图6 3D打印的铝合金和铜双脊方形喇叭;（c）SLM Cu–15Sn锥形喇叭天线;（d）轴向波纹喇叭;（e，f）DMLS制造的共形天线;（g、h）双分形天线和逆双分形天线;（i）带有导电灯丝的喇叭天线D打印的各种镀导电层天线

微波介质陶瓷在微波介质材料中也起着关键作用，图8a-b的天线是由陶瓷材料打印制备的。通过设计3D晶格获得所需有效介电常数。除透镜外，陶瓷材料还可用于打印别的类型的介电天线D打印技术制造的高性能陶瓷反射阵列天线。与天线参数值相似的传统金属相比表现出更高的性能并且重量轻。此外与聚合物相比，陶瓷材料具备更广泛的介电常数和更稳定的机械性能，从而确保更容易控制材料性能。多项研究表明陶瓷天线具有非常出色的辐射性能，随着可打印陶瓷的使用，3D打印天线将变得更加常见。

，包括聚合物、金属、陶瓷和复合材料的组合。例如，由复合材料和聚合物组成的多层天线所示。此外采用纯金属线，材料的导电性大幅度的提高。在天线的设计和制造中还会使用多种材料，以实现电磁特性的空间控制和所需的辐射性能。图10显示了不一样的材料的3D打印天线的比较。很明显与其他天线D打印聚合物天线是最具成本效益的。

采用聚合物材料能轻松实现满足5G通信系统要求的轻量化天线。然而与金属天线相比，聚合物天线D打印制造的金属天线有着非常强的机械强度，然而它们的重量大和表面粗糙度高限制了它们在通信系统中的高频应用。与全金属天线D打印后通过金属化制造的金属天线具有显着降低的材料成本和重量优势。然而，它们机械不高，不适合在恶劣环境或大功率应用中使用。陶瓷材料提供比聚合物材料更宽范围的介电常数和更稳定的机械性能。通过新颖的天线设计和高介电常数材料的组合，天线的小型化是可行的。

4. 挑战与展望在天线设计和制造中，需要仔细考虑用于构建结构的材料，由材料决定的电磁特性对于天线的性能至关重要。因此就需要开发具有所需电磁特性的材料。图11显示了介电常数较高的材料对减小天线D打印天线的挑战和前景，通过材料开发和结构控制构建整体天线D打印能够更好的降低天线制备的复杂性，能够完全满足天线结构较为复杂、集成度高、重量轻、小型化的要求。此外能轻松实现高增益、宽带宽、良好辐射效率和可靠辐射的5G天线介电常数较高的材料对减小天线尺寸的重要性