英國提出3D打印低成本制造多輸入多輸出5G天線

5G技術(shù)預(yù)期會在無線技術(shù)領(lǐng)域掀起一場變革，大幅提升物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)程,，無論是自動駕駛汽車，還是智能城市或是遠(yuǎn)程手術(shù),，或在線虛擬現(xiàn)實等都可輕松實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),。

5G信號（也被稱為第五代蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）信號傳輸速度據(jù)稱比3G和4G快10-20倍。但是,，由于對物體敏感性高,，5G信號需要大量增加天線的數(shù)量。

來自全球的研究人員在5G領(lǐng)域進(jìn)行攻關(guān),，希望能夠取得技術(shù)突破,。那么3D打印技術(shù)在5G領(lǐng)域會有著怎么樣的應(yīng)用呢？

3D打印5G天線是一個方向

2020年4月10日,，南極熊從外媒獲悉,，英國的研究人員正在使用3D打印為5G通信系統(tǒng)制造低成本多輸入多輸出（MIMO）天線。

使用3D打印制造的這些MIMO天線能夠在多個方向上傳送光束,，無需使用移相器即可提供連續(xù)的實時覆蓋,。 此外，它們可以在28 GHz 5G頻段上運行,，其寬帶寬性能超過4 GHz,。

因此，研究人員發(fā)現(xiàn),，由于使用了3D打印,，這些天線為實現(xiàn)5G和毫米波應(yīng)用提供了一種低成本的選擇。 此外,，3D打印還簡化了復(fù)雜的設(shè)計選擇,，從而可以改變天線波束的方向，并增加其方向性,。

天線的（a）前視圖,，（b）透視圖，圖片來自Shaker Alkaraki和Yue Gao

3D打印天線的優(yōu)勢

目前大多數(shù)國家/地區(qū)正在實施的即將到來的5G標(biāo)準(zhǔn)化,。 5G無線技術(shù)是對當(dāng)前技術(shù)的重大改進(jìn),，有望將整體系統(tǒng)容量提高數(shù)百倍，并以更高的頻譜和能源效率提高整體系統(tǒng)吞吐量,，同時將系統(tǒng)延遲降至最低,。 5G將在具有以下毫米波（mm-wave）頻段的國家/地區(qū)引入：24 GHz至29.5 GHz，37 GHz至42.5 GHz,，47.2 GHz至48.2 GHz和64至71 GHz,。

3D打印成為設(shè)計天線的有效制造工藝，并已被用于生產(chǎn)從微波到太赫茲頻率的不同頻段的各種應(yīng)用的天線,。研究人員解釋說：“使用3D打印提供天線解決方案具有許多優(yōu)勢,，例如以低成本實現(xiàn)復(fù)雜的形狀�,！�

實際上,，歐洲航天局（ESA）等公司已經(jīng)在其PROBA-3太空任務(wù)中采用了3D打印天線。該天線是由西班牙工程技術(shù)集團(tuán)SENER和高級航空技術(shù)中心（CATEC）3D打印的,。

3D打印螺旋天線,，圖片來自SENER。

此外,，來自特拉華大學(xué)（UDEL）的研究人員還利用XJet Carmel 1400系統(tǒng),，利用3D打印技術(shù)開發(fā)新型5G天線；

圖片來源：特拉華大學(xué)（UDEL）

位于亞利桑那州的雷達(dá)和天線制造商Lunewave是一家初創(chuàng)公司,，其專有技術(shù)完全專注于3D打印透鏡天線,。該公司在2018年的種子輪融資中籌集了500萬美元。


3D打印MIMO天線原型

研究人員稱,，3D打印天線的過程可以分為兩個階段,。首先是3D打印過程本身，然后是金屬化過程,。研究人員解釋說,，與低成本的化學(xué)鍍相比，使用低成本的金屬打印技術(shù)更為有效,，因為這有助于降低3D打印天線的成本,，這是首先使用增材制造的主要好處。

MIMO天線系統(tǒng)使用多個天線,，這有助于增加系統(tǒng)鏈路容量,。然而，通過傳統(tǒng)的制造過程生產(chǎn)MIMO系統(tǒng)需要系統(tǒng)組件的高成本,。因此,，研究人員建議3D打印MIMO天線,，以限制生產(chǎn)天線的費用，同時還使系統(tǒng)效率更高并使天線可操縱,。

作者解釋說：“我們?yōu)?G毫米波基站應(yīng)用提出了一種創(chuàng)新的低成本MIMO天線,。MIMO天線是使用3D打印技術(shù)制造的，與傳統(tǒng)天線相比,，它提供了以整體降低的成本交付創(chuàng)新而復(fù)雜的天線,。所提出的MIMO天線緊湊，低成本,，高效,，高增益，并且使用新穎的技術(shù)而不使用相控陣技術(shù)即可提供波束切換能力,�,！�

壁高（𝑤ℎ）對天線輻射方向圖的影響，圖片來自Shaker Alkaraki和Yue Gao,。

為該研究而開發(fā)的MIMO天線原型包括2×2系統(tǒng)和4×3 MIMO系統(tǒng),。除了價格合理，效率高外,，這些原型還具有通過3D打印實現(xiàn)的光束切換功能,。每個MIMO天線都由兩個主要部分組成：饋電結(jié)構(gòu)和輻射結(jié)構(gòu)。饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計成將電磁能耦合到輻射結(jié)構(gòu)的表面,，該表面是系統(tǒng)的3D打印部分,，由一個被矩形空腔和兩個波紋包圍的中央槽組成。使用Objet30 3D打印機對輻射結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印,，然后使用噴射金屬（JMT）噴涂金屬化工藝將其金屬化,。這涉及在3D打印的結(jié)構(gòu)上涂一層薄的銀，厚度為2.5μm,。

4 x 3 MIMO中存在的波束控制機制由天線側(cè)面的3D打印金屬化壁組成,。取決于壁的高度，金屬化的壁有助于將波束轉(zhuǎn)向所需的方向,，同時還可以提高天線的增益,。這是由于壁高內(nèi)的增量增加而引起的，而增量又使增益上升到飽和點,。最后,，作者寫道：“最后，對所提出的MIMO天線的性能進(jìn)行了測量,，并發(fā)現(xiàn)其可以通過數(shù)值模擬工具進(jìn)行預(yù)測,。”

論文“mm-Wave Low Cost MIMO Antennas with Beam Switching Capabilities Fabricated Using 3D Printing for 5G Communication Systems”由倫敦瑪麗皇后大學(xué)的博士后研究員Shaker Alkaraki和薩里大學(xué)通信系統(tǒng)研究所無線通信教授Yue Gao撰寫。

編譯自：3dprintingindustry