圣母大學(xué)開發(fā)3D打印超節(jié)能5G天線，能耗降至不到現(xiàn)有系統(tǒng)10%

導(dǎo)讀：全球有20億人使用第五代（5G）無線網(wǎng)絡(luò)。這些用戶獲得了更快的上傳和下載速度、更低的延遲以及更高的移動(dòng)設(shè)備可靠性。然而，5G技術(shù)的推出也帶來了高昂的能源成本。5G網(wǎng)絡(luò)比前幾代網(wǎng)絡(luò)耗能更高，每個(gè)基站的能耗相當(dāng)于73個(gè)美國家庭的用電量。

2025年4月10日，南極熊獲悉，在美國陸軍的資助下，圣母大學(xué)的研究人員基于先前低功率天線物理學(xué)的研究成果正在開發(fā)一種用于5G網(wǎng)絡(luò)的新型低功率天線，采用3D打印的人工介電材料，旨在實(shí)現(xiàn)5G性能，同時(shí)能耗不到現(xiàn)有系統(tǒng)10%。

△每根天線均采用3D打印的介電材料，并帶有重復(fù)排列的螺旋單元圖案。攝影：Angelic RoseHubert。

研究團(tuán)隊(duì)由圣母大學(xué)電子工程系副教授、無線研究所成員喬納森·奇瑟姆（Chisum）領(lǐng)導(dǎo)。Chisum表示，新型天線的關(guān)鍵在于他在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和制造的一種人工介電材料。

Chisum說道：“目前，運(yùn)營蜂窩網(wǎng)絡(luò)的成本很大一部分來自電力。如果你觀察一下蜂窩塔，你就會(huì)明白為什么：它為每個(gè)頻段使用不同的天線，而這些天線依賴于有源供電芯片。我們最初的想法很簡單：如果我們能夠利用材料的物理特性，將類似的功能設(shè)計(jì)到一根超寬帶天線中，從而讓許多耗電芯片完成原本需要完成的工作，那會(huì)怎樣？”

△本杰明·戴維斯手持一個(gè)天線原型，該原型經(jīng)過100小時(shí)的精細(xì)工藝逐層構(gòu)建而成。攝影：安吉麗克·羅斯·休伯特。

這種新型低功率天線是一種毫米波梯度折射率 (GRIN) 透鏡天線。盡管 GRIN 透鏡已存在一個(gè)多世紀(jì)，但開發(fā)用于 5G 網(wǎng)絡(luò)的 GRIN 透鏡天線的想法曾一度在大多數(shù)無線技術(shù)領(lǐng)域的研究人員看來遙不可及。然而，在過去八年里，Chisum 和他的實(shí)驗(yàn)室在寬帶波束控制的基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域取得了突破性的發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)使Chisum 和他的團(tuán)隊(duì)能夠制造出一種能夠在所有 5G 頻段上運(yùn)行的天線，這曾被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的壯舉。

5G天線的寬帶、低功耗特性使其對(duì)美國陸軍尤為有用。美國陸軍參與了5G技術(shù)的研發(fā)，不僅依靠它進(jìn)行安全通信，還用于追蹤裝備和監(jiān)測士兵健康狀況。然而，目前的5G技術(shù)在野外部署、運(yùn)輸和運(yùn)行都存在諸多困難和成本高昂的問題。

Chisum解釋說：“陸軍必須在世界各地運(yùn)營5G網(wǎng)絡(luò)，而5G網(wǎng)絡(luò)在全球各地的運(yùn)行頻率各不相同。因此，像我們這樣的寬帶解決方案至關(guān)重要。由于它功耗極低，體積相對(duì)較小、重量輕，因此可以集成到移動(dòng)平臺(tái)中�！�

一旦實(shí)施，該技術(shù)將提供效率、安全性和多功能性均有提高的“移動(dòng)5G”解決方案。Chisum還強(qiáng)調(diào)，開發(fā)這項(xiàng)新技術(shù)是將其融入民用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的第一步。Chisum 說道：“由于運(yùn)營商無力承擔(dān)現(xiàn)有多天線解決方案的成本，5G 毫米波基站在當(dāng)前 5G 網(wǎng)絡(luò)中的部署陷入停滯。然而，基于 GRIN 透鏡的寬帶 5G 天線為降低商用無線網(wǎng)絡(luò)的成本和效率開辟了新的可能性。”

到目前為止，Chisum 和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中通過長達(dá) 100 小時(shí)的精細(xì)工藝，逐層逐層地生產(chǎn)出他們設(shè)計(jì)的原型。該團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種高效且經(jīng)濟(jì)的方法來制造該設(shè)備，采用尖端的 3D 打印技術(shù)。這也將使 Chisum 的團(tuán)隊(duì)能夠在現(xiàn)場演示該技術(shù)，為將其納入 5G 網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。

△Chisum實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建并完善了透鏡天線的數(shù)字模型。左圖展示了透鏡天線設(shè)計(jì)中的一個(gè)單獨(dú)的陀螺單元。右圖展示了一個(gè) 3x3 的陀螺單元立方體。圖片由圣母大學(xué)工程學(xué)院微波與毫米波電路與系統(tǒng)系提供。

為了將這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，Chisum 的實(shí)驗(yàn)室組建了一支行業(yè)合作伙伴團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)將包括多家領(lǐng)先的供應(yīng)商，他們在無線網(wǎng)絡(luò)、天線以及特別適用于 GRIN 介質(zhì)的增材制造方面擁有專業(yè)知識(shí)。

Cheshir Industries 首席執(zhí)行官 Nicolas Garcia 表示：“Cheshir Industries 團(tuán)隊(duì)非常榮幸能夠領(lǐng)導(dǎo)圣母大學(xué) 5G 移動(dòng)天線開發(fā)項(xiàng)目的透鏡和陣列設(shè)計(jì)工作。該項(xiàng)目不僅代表著我們國家在提升無線能力方面邁出的重要一步，也是寬帶 GRIN 天線系統(tǒng)商業(yè)化和開發(fā)過程中的一個(gè)重要里程碑。” CheshirIndustries 是在圣母大學(xué) IDEA 中心的支持下成立的。該公司由 Chisum 和兩位圣母大學(xué)電氣工程博士項(xiàng)目的畢業(yè)生共同創(chuàng)立：NicolasGarcia（22 屆博士）和 Nicholas Estes（22 屆博士）。

Fortify 首席客戶官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Karlo Delos Reyes 表示：“作為射頻設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，3DFortify 非常高興能夠與圣母大學(xué)及其行業(yè)合作伙伴攜手合作，提供尖端技術(shù)。此次合作使我們能夠利用自身先進(jìn)的技術(shù)，突破 GRIN 透鏡天線設(shè)計(jì)的極限。我們將攜手整個(gè)價(jià)值鏈，共同打造一個(gè)變革性的解決方案，為未來的民用應(yīng)用鋪平道路�！�