《Scientific Reports》：3D打印制造含有匹配層的平板透鏡，可用于毫米波！

南極熊獲悉，2022年3月，馬德里卡洛斯三世大學信號理論與通信系（Department of Signal Theory and Communication, University Carlos IIIof Madrid）的研究者們在《Scientific Reports》發(fā)表了一項新研究，他們利用3D打印制作了一種可用于Ka頻段的寬帶高性價平板透鏡天線，并在原始鏡頭設計中添加匹配層。由此產(chǎn)生的透鏡是全介質、低成本、全3D打印和平面的，在整個Ka頻段具有高增益特性，適合5G技術等新的通信系統(tǒng)。

△3D打印制造的平面透鏡天線。(A)俯視圖(B)正交視圖

●Ka波段：是電磁頻譜的微波波段的一部分，Ka波段的頻率范圍為26.5-40GHz。Ka波段也被稱作30/20GHz波段，通常用于衛(wèi)星通信。

●透鏡天線：一種能夠通過電磁波，將點源或線源的球面波或柱面波轉換為平面波從而獲得筆形、扇形或其他形狀波束的天線。

研究背景：

新一代通信系統(tǒng)正逐漸向電磁波頻譜的更高部分擴展，即毫米波。頻率上移帶來的主要問題是傳播損耗增加，因此需要使用高增益天線解決這一問題。傳統(tǒng)的解決方案是使用打印技術作為貼片陣列，實現(xiàn)高增益，但這需要復雜而昂貴的饋電網(wǎng)絡，并且還受到介電和導電損耗的影響。因此，透鏡天線已成為解決上述問題的優(yōu)選解決方案。

透鏡天線的優(yōu)點是不需要昂貴或復雜的饋電網(wǎng)絡，然而，由于其復雜的形狀和材料的可用性問題，很難通過標準的制造方法制造透鏡天線，以達到特定的折射率。近年來用于制造高頻結構的一種技術是3D打印。

在本研究中，研究人員提出了一種在Ka波段工作的平面介電透鏡天線，避免了形狀修改，場變換方法進行設計，透鏡每個區(qū)域的不同相對介電常數(shù)，以便將入射到透鏡一側的球面波在其出口處轉換為平面波。

研究內(nèi)容：

1.透鏡天線的設計和仿真

△梯度折射率平面透鏡示意圖。

△對3D打印平板透鏡在27GHz、34GHz和40 Hz下的仿真結果進行了分析。上圖：電場大小。下圖：增益輻射模式。

2. 3D打印制造平板透鏡

設計完成并通過仿真驗證后，研究人員對平板透鏡進行制造。因為需要獲得在設計過程中的每個環(huán)的比介電常數(shù)值。為此，透鏡是使用3D打印增材制造技術，使用具有不同相對介電常數(shù)值的PREPERM介質絲進行制造。

3. 增加匹配層

空氣-透鏡轉變處的介電常數(shù)差異很大，特別是對于中心環(huán)，可能會產(chǎn)生顯著的反射。為了減少這種影響，通常使用匹配層。研究人員評估了三種情況下的匹配層：從鏡頭入射波側的空氣-鏡頭對比度(即前ML情況)，鏡頭外部的鏡頭環(huán)-空氣過渡(即后ML情況)，以及作為兩種情況的組合添加匹配層(即前ML情況和后ML情況)

。

△34GHz下無匹配層、透鏡前有匹配層(Pre-ML)、透鏡后有匹配層(Post-ML)、透鏡兩側有匹配層(Pre-ML)的3D打印平板透鏡的模擬結果。上圖：電場大小。下圖：增益輻射模式。

4.透鏡和匹配層結合

△透鏡和匹配層的分解圖，每個部分所需的等效介電系數(shù)值以及將用于每個部分的打印材料。

△制造的匹配層和透鏡天線的圖片。(A)匹配層的俯視圖。(B)具有匹配層的透鏡天線。

5.對制造的透鏡天線進行測量

△測量了Ka波段有匹配層和無匹配層的3D打印透鏡在三個頻率下的E面和H面增益輻射方向圖。(A)28GHz(B)34 GHz(C)40GHz

△將所提出的透鏡與文獻中工作在毫米波段的其他平面透鏡進行比較

通過實驗數(shù)據(jù)，可以證明使用匹配層的透鏡的性能得到了改善，獲得了更高水平的最大增益。與通過其他制造技術所制備的透鏡天線相比，通過3D打印制備的透鏡天線有更好的性能，具有較寬的工作帶寬。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調整，若需可以查看原文。

改編原文：Poyanco, JM., Pizarro, F. & Rajo-Iglesias, E. Cost-effectivewideband dielectric planar lens antenna for millimeter wave applications.SciRep12,4204 (2022).

DOI：https://doi-org-443.webvpn.las.ac.cn/10.1038/s41598-022-07911-z