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特拉華大學(xué)科學(xué)家3D打印5G信號Luneburg透鏡

3D打印前沿
2020
12/21
10:56
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2020年12月21日,南極熊獲悉,來自特拉華大學(xué)的研究人員開發(fā)出了新型的增材制造Luneburg透鏡,具有5G頻率下的通信能力。

團(tuán)隊利用FDM 3D打印技術(shù),制作出了多個表面平整的微型天線,能夠添加到電子產(chǎn)品、傳感器甚至手機(jī)上,F(xiàn)在,科學(xué)家們正在與美國陸軍合作,為他們的發(fā)射設(shè)備開發(fā)與國防相關(guān)的機(jī)器人和民用航空航天應(yīng)用。

領(lǐng)導(dǎo)這項研究的Mark Mirotznik教授說:"這種透鏡是一種非常廉價、有效的方式,可以將通信信號引導(dǎo)到一個特定的方向,它在5G上會特別有用。我們認(rèn)為我們的透鏡可能會應(yīng)用于那種'網(wǎng)絡(luò)邊緣'的東西,因為它們價格低廉,但卻非常堅固。"

△特拉華大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一系列兼容5G頻率的3D打印鏡頭原型,圖片來自特拉華大學(xué)

增材制造天線

無線通信系統(tǒng)與我們的日常生活越來越密切相關(guān),因為這項技術(shù)經(jīng)常用于連接日常智能設(shè)備的雷達(dá)和衛(wèi)星中。為了發(fā)揮這一重要作用,這些天線需要具有高增益、廣角、靈活和能夠中繼多頻段信號的特點。

目前,衛(wèi)星內(nèi)部使用可轉(zhuǎn)向相控陣天線來實現(xiàn)這一目標(biāo),但它們可能是昂貴、復(fù)雜和耗電的技術(shù)。梯度指數(shù)(或GRIN)Luneburg透鏡經(jīng)常被吹捧為一種替代方案,因為它們的球面梯度結(jié)構(gòu)允許它們同時中繼多個波束。

盡管GRIN器件具有吸引人的特性,但其球形幾何結(jié)構(gòu)使其難以集成到標(biāo)準(zhǔn)天線陣列中。然而,使用轉(zhuǎn)換光學(xué)(TO)工藝,可以將Luneburg透鏡轉(zhuǎn)換為與傳統(tǒng)衛(wèi)星更兼容的平面。

雖然TO在這一領(lǐng)域的部署取得了一定的成功,但由于透鏡饋電中存在反射,進(jìn)展受到了阻礙。為了解決這個問題,團(tuán)隊理論上認(rèn)為,利用3D打印技術(shù),可以增加一個抗反射(AR)層,從而產(chǎn)生一個具有多頻能力的Luneburg設(shè)備。

△科學(xué)家們部署了一種先進(jìn)的FDM 3D打印技術(shù)(如圖)來調(diào)整現(xiàn)有的Luneburg鏡片,圖片來自特拉華大學(xué)

3D打印的Luneburg透鏡

為了測試他們的假設(shè),科學(xué)家們在現(xiàn)有透鏡的平面激勵表面上3D打印了一個AR層,并將其配置為在Ka波段(26-40GHz)內(nèi)工作。然后對原型的電磁特性進(jìn)行測試,并與模擬以及現(xiàn)有GRIN設(shè)備的性能進(jìn)行比較。

在評估過程中,該團(tuán)隊的升級天線設(shè)計能夠減輕現(xiàn)有透鏡在ka波段帶寬上的反射。原型機(jī)還縮小了透鏡的半功率,與計算機(jī)預(yù)測相比,它在大多數(shù)饋電位置的孔徑效率超過60%。

研究人員最初承認(rèn),他們的AR層有時會限制設(shè)備的掃描角度,但此后他們已經(jīng)優(yōu)化了其性能。與DeLUX AM(Mirotznik共同創(chuàng)辦的一家初創(chuàng)公司)合作,團(tuán)隊還確定了各種新穎的鏡頭應(yīng)用,包括將其嵌入到3D打印的 "四翼飛機(jī) "內(nèi)。

現(xiàn)在,科學(xué)家們已經(jīng)與美國國防部簽訂了合同,要制造一個能夠從傳送帶上取下,并立即出發(fā)的機(jī)器人。這看起來很雄心勃勃,但團(tuán)隊已經(jīng)打印了一個鏡頭集成的設(shè)備,可以從構(gòu)建板上自行移動,顯示了3D打印技術(shù)的整體潛力。

△研究團(tuán)隊試圖為他們的透鏡找到新的應(yīng)用,包括將它們連接到3D打印的四翼飛機(jī)上(如圖),圖片來自特拉華大學(xué)

開發(fā)增強(qiáng)型增材天線

采用3D打印的成本和設(shè)計靈活性優(yōu)勢,使研究人員越來越能夠制造出具有升級中繼能力的5G天線。

英國的研究人員已經(jīng)研究了為5G系統(tǒng)3D打印多輸入多輸出(MIMO)天線的優(yōu)點。所提出的 "MIMOs "可以在多個方向上傳送波束,提供連續(xù)、實時的覆蓋,而不需要移相器。

另一個來自特拉華大學(xué)的團(tuán)隊已經(jīng)部署了一臺XJet Carmel 1400 3D打印機(jī)來制造新型5G天線。利用被動波束轉(zhuǎn)向算法,科學(xué)家們能夠打印出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、小通道和優(yōu)化材料特性的透鏡。

在其他地方,伯明翰大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)部署了精密的3D打印來制造5G天線的電路。作為一個軍事主導(dǎo)項目的一部分,設(shè)備也可以有民用測繪和汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用。

研究人員的研究結(jié)果在他們題為 "High gain, wide-angle QCTO-enabled modified Luneburg lens antenna with broadband anti-reflective layer "的論文中詳細(xì)介紹,該論文由Soumitra Biswas和Mark Mirotznik共同撰寫。




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