英國(guó)提出3D打印低成本制造多輸入多輸出5G天線

5G技術(shù)預(yù)期會(huì)在無(wú)線技術(shù)領(lǐng)域掀起一場(chǎng)變革，大幅提升物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)程，無(wú)論是自動(dòng)駕駛汽車，還是智能城市或是遠(yuǎn)程手術(shù)，或在線虛擬現(xiàn)實(shí)等都可輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

5G信號(hào)（也被稱為第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）信號(hào)傳輸速度據(jù)稱比3G和4G快10-20倍。但是，由于對(duì)物體敏感性高，5G信號(hào)需要大量增加天線的數(shù)量。

來(lái)自全球的研究人員在5G領(lǐng)域進(jìn)行攻關(guān)，希望能夠取得技術(shù)突破。那么3D打印技術(shù)在5G領(lǐng)域會(huì)有著怎么樣的應(yīng)用呢？

3D打印5G天線是一個(gè)方向

2020年4月10日，南極熊從外媒獲悉，英國(guó)的研究人員正在使用3D打印為5G通信系統(tǒng)制造低成本多輸入多輸出（MIMO）天線。

使用3D打印制造的這些MIMO天線能夠在多個(gè)方向上傳送光束，無(wú)需使用移相器即可提供連續(xù)的實(shí)時(shí)覆蓋。 此外，它們可以在28 GHz 5G頻段上運(yùn)行，其寬帶寬性能超過4 GHz。

因此，研究人員發(fā)現(xiàn)，由于使用了3D打印，這些天線為實(shí)現(xiàn)5G和毫米波應(yīng)用提供了一種低成本的選擇。 此外，3D打印還簡(jiǎn)化了復(fù)雜的設(shè)計(jì)選擇，從而可以改變天線波束的方向，并增加其方向性。

天線的（a）前視圖，（b）透視圖，圖片來(lái)自Shaker Alkaraki和Yue Gao

3D打印天線的優(yōu)勢(shì)

目前大多數(shù)國(guó)家/地區(qū)正在實(shí)施的即將到來(lái)的5G標(biāo)準(zhǔn)化。 5G無(wú)線技術(shù)是對(duì)當(dāng)前技術(shù)的重大改進(jìn)，有望將整體系統(tǒng)容量提高數(shù)百倍，并以更高的頻譜和能源效率提高整體系統(tǒng)吞吐量，同時(shí)將系統(tǒng)延遲降至最低。 5G將在具有以下毫米波（mm-wave）頻段的國(guó)家/地區(qū)引入：24 GHz至29.5 GHz，37 GHz至42.5 GHz，47.2 GHz至48.2 GHz和64至71 GHz。

3D打印成為設(shè)計(jì)天線的有效制造工藝，并已被用于生產(chǎn)從微波到太赫茲頻率的不同頻段的各種應(yīng)用的天線。研究人員解釋說(shuō)：“使用3D打印提供天線解決方案具有許多優(yōu)勢(shì)，例如以低成本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀。”

實(shí)際上，歐洲航天局（ESA）等公司已經(jīng)在其PROBA-3太空任務(wù)中采用了3D打印天線。該天線是由西班牙工程技術(shù)集團(tuán)SENER和高級(jí)航空技術(shù)中心（CATEC）3D打印的。

3D打印螺旋天線，圖片來(lái)自SENER。

此外，來(lái)自特拉華大學(xué)（UDEL）的研究人員還利用XJet Carmel 1400系統(tǒng)，利用3D打印技術(shù)開發(fā)新型5G天線；

圖片來(lái)源：特拉華大學(xué)（UDEL）

位于亞利桑那州的雷達(dá)和天線制造商Lunewave是一家初創(chuàng)公司，其專有技術(shù)完全專注于3D打印透鏡天線。該公司在2018年的種子輪融資中籌集了500萬(wàn)美元。


3D打印MIMO天線原型

研究人員稱，3D打印天線的過程可以分為兩個(gè)階段。首先是3D打印過程本身，然后是金屬化過程。研究人員解釋說(shuō)，與低成本的化學(xué)鍍相比，使用低成本的金屬打印技術(shù)更為有效，因?yàn)檫@有助于降低3D打印天線的成本，這是首先使用增材制造的主要好處。

MIMO天線系統(tǒng)使用多個(gè)天線，這有助于增加系統(tǒng)鏈路容量。然而，通過傳統(tǒng)的制造過程生產(chǎn)MIMO系統(tǒng)需要系統(tǒng)組件的高成本。因此，研究人員建議3D打印MIMO天線，以限制生產(chǎn)天線的費(fèi)用，同時(shí)還使系統(tǒng)效率更高并使天線可操縱。

作者解釋說(shuō)：“我們?yōu)?G毫米波基站應(yīng)用提出了一種創(chuàng)新的低成本MIMO天線。MIMO天線是使用3D打印技術(shù)制造的，與傳統(tǒng)天線相比，它提供了以整體降低的成本交付創(chuàng)新而復(fù)雜的天線。所提出的MIMO天線緊湊，低成本，高效，高增益，并且使用新穎的技術(shù)而不使用相控陣技術(shù)即可提供波束切換能力�！�

壁高（𝑤ℎ）對(duì)天線輻射方向圖的影響，圖片來(lái)自Shaker Alkaraki和Yue Gao。

為該研究而開發(fā)的MIMO天線原型包括2×2系統(tǒng)和4×3 MIMO系統(tǒng)。除了價(jià)格合理，效率高外，這些原型還具有通過3D打印實(shí)現(xiàn)的光束切換功能。每個(gè)MIMO天線都由兩個(gè)主要部分組成：饋電結(jié)構(gòu)和輻射結(jié)構(gòu)。饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成將電磁能耦合到輻射結(jié)構(gòu)的表面，該表面是系統(tǒng)的3D打印部分，由一個(gè)被矩形空腔和兩個(gè)波紋包圍的中央槽組成。使用Objet30 3D打印機(jī)對(duì)輻射結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印，然后使用噴射金屬（JMT）噴涂金屬化工藝將其金屬化。這涉及在3D打印的結(jié)構(gòu)上涂一層薄的銀，厚度為2.5μm。

4 x 3 MIMO中存在的波束控制機(jī)制由天線側(cè)面的3D打印金屬化壁組成。取決于壁的高度，金屬化的壁有助于將波束轉(zhuǎn)向所需的方向，同時(shí)還可以提高天線的增益。這是由于壁高內(nèi)的增量增加而引起的，而增量又使增益上升到飽和點(diǎn)。最后，作者寫道：“最后，對(duì)所提出的MIMO天線的性能進(jìn)行了測(cè)量，并發(fā)現(xiàn)其可以通過數(shù)值模擬工具進(jìn)行預(yù)測(cè)。”

論文“mm-Wave Low Cost MIMO Antennas with Beam Switching Capabilities Fabricated Using 3D Printing for 5G Communication Systems”由倫敦瑪麗皇后大學(xué)的博士后研究員Shaker Alkaraki和薩里大學(xué)通信系統(tǒng)研究所無(wú)線通信教授Yue Gao撰寫。

編譯自：3dprintingindustry