根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，諾基亞早在起專利《Wireless portable electronic device having conductive body that functions as a radiator》中就揭示了關(guān)于無線便攜式電子裝置的設(shè)備制造，電子裝置包括由導(dǎo)電材料形成的主體，主體包括內(nèi)腔和開口。還包括設(shè)置在內(nèi)腔中的接地平面和電磁耦合，天線可以是環(huán)形天線和單極天線。這其中3D打印-增材制造技術(shù)在天線的制造中浮出水面。
3D打印在各種天線的制造中，有應(yīng)用于便攜式通訊設(shè)備的，有應(yīng)用于5G基站的，有應(yīng)用于衛(wèi)星接收裝置，有應(yīng)用于航天器設(shè)備上的等等，這些應(yīng)用背后的技術(shù)邏輯是什么呢？本期，3D科學(xué)谷與谷友共同來領(lǐng)略3D打印天線的面面觀。
▲?3D科學(xué)谷《3D打印與電子產(chǎn)品白皮書 》
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成就不一般的天線
3D打印正在改變天線的制造方式，拿5G基站來說，基于陣列式的多入多出(MIMO)技術(shù)使基站天線數(shù)量成倍增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了移動終端使用的天線，從而大幅提高通信頻譜效率。MIMO技術(shù)是5G通信中比較重要的技術(shù)，根據(jù)mino技術(shù)的相關(guān)要求，5G移動通信的天線應(yīng)具有高增益、小型化、寬頻段及高隔離度等技術(shù)特征，以滿足5G通信的高傳輸速率、波束智能賦形、波束能量聚集等功能。
預(yù)計5G在2020-2025年，將拉動中國數(shù)字經(jīng)濟(jì)增長15.2萬億元，5G與人工智能、大數(shù)據(jù)等ICT新技術(shù)融合發(fā)展，將推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)組織方式、資源配置效率、管理服務(wù)模式深刻變革。
中國信息通信研究院
MIMO天線有時被稱作空間多樣，因?yàn)樗褂枚嗫臻g通道傳送和接收數(shù)據(jù)，利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量。5G基站的天線小型化有利于陣列天線的安裝部署。頻段升高，基站數(shù)量增加也必將加強(qiáng)有源一體化天線的普及趨勢，一體化基站子系統(tǒng)將會被廣泛地應(yīng)用。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，英國大學(xué)開發(fā)了適用于5G和毫米波（mm-wave）應(yīng)用的低成本多輸入多輸出（MIMO）天線的設(shè)計和原型。這種MIMO天線通過3D打印技術(shù)制造，能夠在多個方向上傳送光束，從而在不使用移相器的情況下，在高達(dá)?30°的高度上提供連續(xù)和實(shí)時的覆蓋范圍。
?mm-Wave_Low_Cost_3D_Printed_MIMO_Antennas
這為MIMO提供了優(yōu)越的優(yōu)勢，是一種有吸引力的低成本技術(shù)，這種3D打印的MIMO天線適合在28 GHz 5G頻段上工作，寬帶寬性能超過4 GHz，并且在仰角平面內(nèi)的波束切換能力高達(dá)?30°。通過將具有不同高度的3D打印壁引入3D打印輻射天線一側(cè)，可以在整個帶寬上控制MIMO中單元素天線的主波束方向。與所有其他可用的光束轉(zhuǎn)向技術(shù)不同，這種不同高度的壁不僅能夠改變天線波束的方向，而且能夠在整個帶寬上同時增益總體方向性。
在3D科學(xué)谷看來，提高天線的性能，是3D打印正在改變天線制造的一大頗為“接地氣”的商業(yè)邏輯。
目前3D打印天線的材料種類繁多，大致包括混合材料（金屬油墨與非導(dǎo)電材料的混合等等），陶瓷，金屬材料。在3D科學(xué)谷看來，3D打印在天線制造方面具有兩大技術(shù)邏輯：3D打印實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜更精致的結(jié)構(gòu)提升天線性能；3D打印實(shí)現(xiàn)輕量化、結(jié)構(gòu)一體化的天線結(jié)構(gòu)更節(jié)約材料與空間占用、更緊湊。
3D科學(xué)谷
目前市場上通過3D打印天線的案例正在涌現(xiàn)，這些案例背后具有一定的技術(shù)邏輯支撐，一旦獲得商業(yè)化的可行性，將獲得更加廣泛的普及。
/ 輕量化、結(jié)構(gòu)一體化
Optisys是一家創(chuàng)新型的射頻產(chǎn)品開發(fā)和制造公司，該公司使用金屬增材制造生產(chǎn)高度集成的產(chǎn)品，深受各大行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)的信賴。
▲Optisys 4×4 Ka波段跟蹤天線 – 無人機(jī)應(yīng)用 ? SLM Solutions
Optisys公司通過SLM?500 生產(chǎn)航天項目中的天線等零部件，要確保所生產(chǎn)的零部件能夠投入使用并非易事。從近地軌道使用的產(chǎn)品到太空探測器，增材制造的零部件必須能夠應(yīng)用于整個惡劣且多變的太空環(huán)境。對于零部件而言，大氣環(huán)境下的氧原子運(yùn)動就如同噴砂一般，但是在其他星球上，零部件則需要承受住高溫負(fù)荷以及極端溫度循環(huán)。通過選區(qū)激光熔化技術(shù)生產(chǎn)的零部件不僅實(shí)現(xiàn)了輕量化，其優(yōu)異的性能也能夠在各種極端環(huán)境下使用。
與傳統(tǒng)制造方式相比，選區(qū)激光熔化技術(shù)可以通過集成內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)來生產(chǎn)輕量化零部件，確保出色的零部件質(zhì)量以及一致性。既減輕了零部件重量，又實(shí)現(xiàn)了功能及零部件的集成，降低了零部件的生產(chǎn)成本以及發(fā)射成本。
▲OptisysX波段集成孔徑雷達(dá)- Imsar高空偵查無人機(jī)應(yīng)用 ? SLM Solutions
金屬3D打印方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，除了PBF選區(qū)金屬熔化3D打印技術(shù)，Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)，以及液態(tài)金屬3D打印也在發(fā)揮越來越重要的技術(shù)角色。
l 液態(tài)金屬打印
國內(nèi)夢之墨依托中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)等強(qiáng)大技術(shù)力量和自主知識產(chǎn)權(quán)，構(gòu)建了“材料-制造-應(yīng)用”三位一體的柔性電路綠色生產(chǎn)模式，用變革性技術(shù)打破電子制造邊界。夢之墨現(xiàn)有桌面級電子電路快速制作系統(tǒng)、工業(yè)級柔性電子印刷服務(wù)平臺等業(yè)務(wù)體系，液態(tài)金屬柔性電路產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于移動通信、消費(fèi)電子、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療健康、創(chuàng)新教育等行業(yè)。
夢之墨一直致力于液態(tài)金屬在電子增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作，其“基于液態(tài)金屬功能材料的增材制造與柔性電子技術(shù)”是中國原創(chuàng)、世界領(lǐng)先的先進(jìn)科技成果。技術(shù)團(tuán)隊基于材料屬性，利用先進(jìn)的制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同熔點(diǎn)、粘度以及電導(dǎo)率等液態(tài)金屬合金材料的制備；利用電子增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電子電路現(xiàn)場即時制作、柔性電路快速制作以及工業(yè)級超柔性電路的批量化生產(chǎn)需求。
/ 多材料打印
3D打印-增材制造的發(fā)展趨勢朝向多維度的深化層面，當(dāng)前的一大發(fā)展趨勢包括多材料發(fā)展趨勢，發(fā)揮3D打印實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的優(yōu)勢（包括幾何特征的復(fù)雜性，以及多材料結(jié)合的復(fù)雜性）是3D打印突破當(dāng)前應(yīng)用對經(jīng)濟(jì)性要求的限制，向應(yīng)用端深度延伸走向產(chǎn)業(yè)化的一條發(fā)展路徑。
ACAM亞琛增材制造中心
▲?3D科學(xué)谷《3D打印與電子產(chǎn)品白皮書 》
l Aerosol Jet 氣溶膠噴射
Optomec 獲得專利的 Aerosol Jet 3D 電子打印機(jī)是一種獨(dú)特的增材電子解決方案，能夠直接打印高分辨率導(dǎo)電電路，特征尺寸小至 10 微米。該工藝的進(jìn)一步區(qū)別在于其能夠打印到非平面基材和全三維終端部件上。生產(chǎn)應(yīng)用包括 3D 天線、3D 傳感器、醫(yī)療電子、半導(dǎo)體封裝和顯示器組裝的直接打印。
早期使用Optomec氣溶膠噴射3D打印技術(shù)的客戶已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用到智能設(shè)備和微流控領(lǐng)域。使用該技術(shù)可以在無需添加支撐結(jié)構(gòu)的情況下使用光聚合物等材料打印出微米級的高縱橫比以及擁有不規(guī)則形狀的3D結(jié)構(gòu)。通過將這些3D結(jié)構(gòu)直接噴印在天線、傳感器、半導(dǎo)體芯片、醫(yī)療設(shè)備或工業(yè)零部件等結(jié)構(gòu)上，在一臺設(shè)備上即可制造出功能性3D電子組件。這種直接的數(shù)字方法優(yōu)化了制造工藝，減少了生產(chǎn)步驟和材料用量，因此氣溶膠噴射3D微結(jié)構(gòu)打印技術(shù)也是一種經(jīng)濟(jì)的、綠色技術(shù)。
l Nano Dimension電子增材制造技術(shù)
悉尼科技大學(xué)（UTS）ProtoSpace實(shí)驗(yàn)室是全球領(lǐng)先的增材制造機(jī)構(gòu)之一，Nano Dimension公司的DragonFly LDM是業(yè)內(nèi)唯一的綜合增材制造平臺。雙方通過與悉尼科技大學(xué)楊揚(yáng)博士團(tuán)隊試點(diǎn)合作，利用獨(dú)特的增材制造電子（AME）技術(shù)，發(fā)展出一個橫跨微波，毫米波和太赫茲（Terahertz）系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識體系，借著構(gòu)建新型高性能封裝天線和小型化的電路設(shè)計以促進(jìn)開發(fā)AME在5G和未來通信的潛能及對移動設(shè)備的創(chuàng)新。
▲ AME技術(shù)制造的超透鏡天線
? Nano Dimension
▲AME技術(shù)制造的低剖面天線陣列
? Nano Dimension
AME技術(shù)不僅可以適用于初創(chuàng)公司及電子產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)以低成本快速制作原型，而且內(nèi)部開發(fā)（無須外包加工）可幫助企業(yè)維護(hù)知識產(chǎn)權(quán)和數(shù)據(jù)安全等方面的高度機(jī)密。在未來通信的動態(tài)移動環(huán)境中，緊湊的AME天線和微波電路擺脫了當(dāng)今消費(fèi)電子設(shè)備小型化帶來的尺寸局限性，更易于集成到移動設(shè)備中并鏈接數(shù)十億個高速無線系統(tǒng)，將為新興的智能和沉浸式技術(shù) (例如數(shù)字視頻）創(chuàng)建具有多個動態(tài)波束的新天線原型，與未來的無人駕駛汽車、超低延遲虛擬現(xiàn)實(shí)、智能城市和移動通信，實(shí)現(xiàn)無縫遠(yuǎn)程接軌。
▲AME技術(shù)制造的多層帶通濾波器
? Nano Dimension
Nano Dimension獨(dú)家的納米級銀質(zhì)導(dǎo)電材料AgCite以及PCB電路板3D設(shè)計軟件，能夠一次性生產(chǎn)混和導(dǎo)電(金屬)和絕緣(塑料聚合物)墨水材料的原型，精準(zhǔn)打印出完整且多層次的PCB特征，包含埋孔、鍍通孔的互連細(xì)節(jié)，且無須蝕刻、鉆孔、電鍍或破壞并在數(shù)小時內(nèi)即可完成。
增材制造在多功能材料方面的愿景為無限組合的材料與技術(shù)，而最終的目標(biāo)是點(diǎn)擊即生產(chǎn)。ACAM亞琛增材制造中心定義達(dá)到這個愿景的進(jìn)階過程包括5個梯度，當(dāng)前的世界范圍內(nèi)的發(fā)展大多還處在Level 0的水平，Level 0為功能化增材制造過程，Level 1為可預(yù)測的增材制造過程，Level 2為自動化的增材制造過程，Level 3為全自動化的增材制造包括前處理與后處理，Level 4為集成化的全自動化不同制造工藝的組合。
ACAM亞琛增材制造中心
而面向生產(chǎn)領(lǐng)域的電子產(chǎn)品3D打印，Nano Dimension還需要進(jìn)一步開發(fā)自由曲面3D打印和高精度的3D組裝技術(shù)。為了加快在研發(fā)進(jìn)展，2021年9月，Nano Dimension 還宣布與弗勞恩霍夫研究機(jī)構(gòu)旗下研究所Fraunhofer IPA 合作開發(fā)下一代 3D 打印系統(tǒng)。
/ 陶瓷打印
lXJet的陶瓷納米射流3D打印技術(shù)
特拉華大學(xué)研究人員通過XJet公司的陶瓷納米射流3D打印技術(shù)，并開發(fā)了一種新的無源透鏡天線。該透鏡天線可以安裝在一系列小型天線饋源的頂部，天線饋源陣列連接到波束切換電路。
這種新型波束成形透鏡開發(fā)中存在的挑戰(zhàn)是，以最小的能量損耗在任意角度散射毫米波的能力。研究人員通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計結(jié)果是，3D打印的球形球（藍(lán)色部分）可在幾乎整個半球（-90°
▲3D打印5G波束成形無源天線透鏡
? Xjet
球形球中包括許多空腔，每個腔位于天線饋源的頂部，用作半球中正確角度的波導(dǎo)，這樣可以支持同時的多光束。
Xjet的NPJ技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)每個通道內(nèi)壁的細(xì)節(jié)特征，具有保持波方向所需的精度和平滑度。尤其是XJet的陶瓷是一種各向同性，100％密度的陶瓷，具有正確的介電常數(shù)，不會“吸收”和削弱信號。這對于5G天線來說尤為重要，因?yàn)槿魏挝⑿〉娜莶钭兓伎赡軐?dǎo)致信號轉(zhuǎn)移到錯誤的位置。
研究人員發(fā)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)幾乎是均勻的，介電常數(shù)很高，而損耗角正切很低。根據(jù)YSU，這為包括天線，透鏡和濾光片在內(nèi)的各種微波器件的3D打印應(yīng)用開辟了潛在市場。YSU用這種材料制作了兩個簡單的介質(zhì)諧振器天線，測試結(jié)果表明材料特性確實(shí)可以滿足需求。
而根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，不僅是5G基站的應(yīng)用，3D打印陶瓷材料在衛(wèi)星光學(xué)鏡面、天線等電子結(jié)構(gòu)件方面具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢。
▲?《3D科學(xué)谷航天白皮書》
l光固化3D打印
據(jù)悉1.，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院、電子信息功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂文中教授團(tuán)隊利用因泰萊激光的CeraBuilder100陶瓷激光3D打印機(jī)打印近零熱膨脹Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介電陶瓷諧振器天線與集成透鏡，在溫度穩(wěn)定的衛(wèi)星通信中具有潛在的應(yīng)用前景，該微波介電材料在高頻通訊、5G領(lǐng)域也有著非常好的應(yīng)用前景。
在航空航天等極端環(huán)境下，對高增益、低重量、寬帶寬、微型化的耐溫性能的透鏡天線有著迫切的需求。團(tuán)隊利用近零熱膨脹Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介電陶瓷材料，設(shè)計了一款天線結(jié)構(gòu)。
▲陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡
?ADVANCED MATERIALS/《Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens》
利用CeraBuilder100陶瓷3D打印機(jī)，對設(shè)計的透鏡天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了打印成型。
▲陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡
?ADVANCED MATERIALS/《Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens》
團(tuán)隊對打印的成品進(jìn)行了參數(shù)測量，得到了較為理想的結(jié)果，測量表明打印制作的Kuband Luneburg透鏡綜合天線在10.45-11.39 GHz和12.27-13.45 GHz的平均增益分別為8.06dBi和10.3dBi。
▲陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡
?ADVANCED MATERIALS/《Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens》
▲陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡
?ADVANCED MATERIALS/《Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens》
使其成為利用光固化3D打印技術(shù)制作集成透鏡的理想候選DRAs材料。設(shè)計的透鏡天線增益得到了增強(qiáng)，拓寬了工作帶寬（在10.45-11.39 GHz時平均增益為8.06 dBi），在12.27-13.45 GHz時平均增益為10.3 dBi。因此，團(tuán)隊設(shè)計的新型透鏡天線，在溫度穩(wěn)定的衛(wèi)星通信中具有潛在的應(yīng)用前景。
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知之既深，行之則遠(yuǎn)，3D科學(xué)谷為業(yè)界提供全球視角的增材與智能制造深度觀察，有關(guān)3D打印在增材制造領(lǐng)域的更多分析，請持續(xù)關(guān)注3D科學(xué)谷《3D打印與電子產(chǎn)品白皮書》。
參考來源：1. 陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡天線在衛(wèi)星通信的潛在應(yīng)用
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