北理工-3D打印技術(shù)在5G通訊天線中的應(yīng)用進展與挑戰(zhàn)（一）

來源： 增材制造技術(shù)前沿

隨著5G通訊的到來以及通信系統(tǒng)向毫米波和更高頻率的方向發(fā)展，天線將被要求具有更高增益、寬帶寬和低能耗。3D打印通過逐層堆疊來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復雜零件的制備，從而能夠以更便宜、更快和靈活的方式制造任意形狀的天線。近期北京理工大學的科研團隊綜述了目前最先進的不同頻率的3D打印天線制造工藝和材料，并討論了主要的挑戰(zhàn)和前景，以深入了解3D打印如何在天線制造中的進一步發(fā)展。

由于在過去十年中人們對更快數(shù)據(jù)速率的需求不斷增加，研究人員一直致力于創(chuàng)建稱為5G的新一代通信系統(tǒng)。隨著5G的到來，各種設(shè)備與環(huán)境交互，帶有嵌入式傳感器的物體數(shù)量呈指數(shù)級增長。因此，無線通信的主要挑戰(zhàn)是開發(fā)高性能系統(tǒng)，包括天線。傳統(tǒng)通信頻段受限且過載，難以提供未來難以預(yù)期的數(shù)據(jù)速率。需要使用更高頻率的通信系統(tǒng)，例如毫米波和亞毫米波。這些高頻通信系統(tǒng)的限制部分之一是發(fā)射器和接收器，其中天線起著至關(guān)重要的作用。對于毫米波頻段中的通信，天線必須具有高度指向性以減輕在自由空間的衰減。這些要求導致天線結(jié)構(gòu)復雜、高度集成、重量輕和小型化，這給現(xiàn)有制造工藝帶來了壓力。

圖 1 3D打印天線的概要

3D打印技術(shù)又稱增材制造，以快速成型、成本低、材料利用率高、無需模具等優(yōu)點，受到工業(yè)界和研究界的廣泛關(guān)注。它是使用逐層堆疊工藝，容易制備復雜形狀零件。這些優(yōu)勢展現(xiàn)了3D打印技術(shù)滿足射頻設(shè)備要求的潛力，例如毫米波和更高頻段的天線。目前已經(jīng)有多項關(guān)于各種類型的3D打印天線的研究，這些天線通常使用金屬、聚合物和陶瓷制造。例如透鏡、介質(zhì)諧振器和天線。其中多款天線工作在毫米波頻段，增益高，輻射效率好，適用于移動通信、衛(wèi)星、遙感等領(lǐng)域。這項報導基于材料分類對3D打印天線進行概述，其中包括對不同頻率的不同類型天線的比較，如圖1所示。

目前已經(jīng)開發(fā)出多種具有不同功能的3D打印技術(shù)。其中熔融沉積成型（FDM）、光固化成型（SLA）、聚合物噴射（Poly-jets）、選區(qū)激光熔化（SLM)和粘合劑噴射(BJ)用于制造天線，這些技術(shù)的示意圖如圖2。最近FDM中采用了一種允許一步打印天線結(jié)構(gòu)的新型材料，是一種商用類型的燈絲，具有比傳統(tǒng)燈絲更高的導電性，被稱為“Electrifi”。它由一種獨特的金屬聚合物復合材料組成，主要由無害的可生物降解聚酯和銅制成。聚合物SLA已成功用于高濾波和射頻封裝應(yīng)用，然而聚合物SLA在微波頻率下有損耗，這使得它們不適合低損耗毫米波的應(yīng)用。迄今為止，已經(jīng)使用Poly-jet成功制造了多種類型的電介質(zhì)天線和電磁帶隙結(jié)構(gòu)。Poly-jet是實現(xiàn)毫米波、亞毫米波和THz頻率3D打印天線的理想選擇。與傳統(tǒng)方法相比，Poly-jet能夠以更低的成本制造結(jié)構(gòu)復雜的天線，制造過程精確、方便、快捷。此外使用SLM打印的天線具有高致密化、無孔洞和高強度的優(yōu)點，SLM已廣泛用于制造微波天線，BJ制備天線目前還沒有太多的報道。

圖2 天線3D打印技術(shù)示意圖

圖3 天線的不同3D打印技術(shù)的比較

圖3比較了天線的不同3D打印技術(shù)特性。FDM是聚合物天線制造中最常用的方法，因為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頻領(lǐng)域的應(yīng)用。SLA在其他3D打印技術(shù)中精度最高，被廣泛應(yīng)用于陶瓷天線的打印。純金屬天線可以通過SLM直接打印，使用導電元件可以減少損耗，從而實現(xiàn)高輻射性能。在某些情況下poly-jet和BJ也被用于生產(chǎn)天線。多樣化的打印工藝在生產(chǎn)眾多天線系統(tǒng)、推動通信系統(tǒng)的探索以及其他領(lǐng)域的發(fā)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。