特拉華大學(xué)科學(xué)家3D打印5G信號(hào)Luneburg透鏡

2020年12月21日，南極熊獲悉,，來(lái)自特拉華大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出了新型的增材制造Luneburg透鏡,，具有5G頻率下的通信能力。

團(tuán)隊(duì)利用FDM 3D打印技術(shù),，制作出了多個(gè)表面平整的微型天線(xiàn),，能夠添加到電子產(chǎn)品、傳感器甚至手機(jī)上�,，F(xiàn)在,，科學(xué)家們正在與美國(guó)陸軍合作，為他們的發(fā)射設(shè)備開(kāi)發(fā)與國(guó)防相關(guān)的機(jī)器人和民用航空航天應(yīng)用,。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Mark Mirotznik教授說(shuō)："這種透鏡是一種非常廉價(jià),、有效的方式，可以將通信信號(hào)引導(dǎo)到一個(gè)特定的方向,，它在5G上會(huì)特別有用,。我們認(rèn)為我們的透鏡可能會(huì)應(yīng)用于那種'網(wǎng)絡(luò)邊緣'的東西，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格低廉,，但卻非常堅(jiān)固,。"

△特拉華大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列兼容5G頻率的3D打印鏡頭原型，圖片來(lái)自特拉華大學(xué)

增材制造天線(xiàn)

無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)與我們的日常生活越來(lái)越密切相關(guān),，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)經(jīng)常用于連接日常智能設(shè)備的雷達(dá)和衛(wèi)星中,。為了發(fā)揮這一重要作用,，這些天線(xiàn)需要具有高增益、廣角,、靈活和能夠中繼多頻段信號(hào)的特點(diǎn),。

目前，衛(wèi)星內(nèi)部使用可轉(zhuǎn)向相控陣天線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),，但它們可能是昂貴,、復(fù)雜和耗電的技術(shù),。梯度指數(shù)(或GRIN)Luneburg透鏡經(jīng)常被吹捧為一種替代方案,，因?yàn)樗鼈兊那蛎嫣荻冉Y(jié)構(gòu)允許它們同時(shí)中繼多個(gè)波束,。

盡管GRIN器件具有吸引人的特性,，但其球形幾何結(jié)構(gòu)使其難以集成到標(biāo)準(zhǔn)天線(xiàn)陣列中。然而,，使用轉(zhuǎn)換光學(xué)（TO）工藝，可以將Luneburg透鏡轉(zhuǎn)換為與傳統(tǒng)衛(wèi)星更兼容的平面,。

雖然TO在這一領(lǐng)域的部署取得了一定的成功,，但由于透鏡饋電中存在反射，進(jìn)展受到了阻礙,。為了解決這個(gè)問(wèn)題,，團(tuán)隊(duì)理論上認(rèn)為，利用3D打印技術(shù),，可以增加一個(gè)抗反射（AR）層,，從而產(chǎn)生一個(gè)具有多頻能力的Luneburg設(shè)備。

△科學(xué)家們部署了一種先進(jìn)的FDM 3D打印技術(shù)（如圖）來(lái)調(diào)整現(xiàn)有的Luneburg鏡片，圖片來(lái)自特拉華大學(xué)

3D打印的Luneburg透鏡

為了測(cè)試他們的假設(shè),，科學(xué)家們?cè)诂F(xiàn)有透鏡的平面激勵(lì)表面上3D打印了一個(gè)AR層,，并將其配置為在Ka波段（26-40GHz）內(nèi)工作。然后對(duì)原型的電磁特性進(jìn)行測(cè)試,，并與模擬以及現(xiàn)有GRIN設(shè)備的性能進(jìn)行比較,。

在評(píng)估過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)的升級(jí)天線(xiàn)設(shè)計(jì)能夠減輕現(xiàn)有透鏡在ka波段帶寬上的反射,。原型機(jī)還縮小了透鏡的半功率,，與計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)相比，它在大多數(shù)饋電位置的孔徑效率超過(guò)60%,。

研究人員最初承認(rèn),，他們的AR層有時(shí)會(huì)限制設(shè)備的掃描角度,，但此后他們已經(jīng)優(yōu)化了其性能,。與DeLUX AM（Mirotznik共同創(chuàng)辦的一家初創(chuàng)公司）合作，團(tuán)隊(duì)還確定了各種新穎的鏡頭應(yīng)用,，包括將其嵌入到3D打印的 "四翼飛機(jī) "內(nèi),。

現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)與美國(guó)國(guó)防部簽訂了合同,，要制造一個(gè)能夠從傳送帶上取下,，并立即出發(fā)的機(jī)器人。這看起來(lái)很雄心勃勃,，但團(tuán)隊(duì)已經(jīng)打印了一個(gè)鏡頭集成的設(shè)備,，可以從構(gòu)建板上自行移動(dòng)，顯示了3D打印技術(shù)的整體潛力,。

△研究團(tuán)隊(duì)試圖為他們的透鏡找到新的應(yīng)用,，包括將它們連接到3D打印的四翼飛機(jī)上（如圖），圖片來(lái)自特拉華大學(xué)

開(kāi)發(fā)增強(qiáng)型增材天線(xiàn)

采用3D打印的成本和設(shè)計(jì)靈活性?xún)?yōu)勢(shì),，使研究人員越來(lái)越能夠制造出具有升級(jí)中繼能力的5G天線(xiàn),。

英國(guó)的研究人員已經(jīng)研究了為5G系統(tǒng)3D打印多輸入多輸出（MIMO）天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。所提出的 "MIMOs "可以在多個(gè)方向上傳送波束,，提供連續(xù),、實(shí)時(shí)的覆蓋，而不需要移相器,。

另一個(gè)來(lái)自特拉華大學(xué)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)部署了一臺(tái)XJet Carmel 1400 3D打印機(jī)來(lái)制造新型5G天線(xiàn),。利用被動(dòng)波束轉(zhuǎn)向算法，科學(xué)家們能夠打印出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu),、小通道和優(yōu)化材料特性的透鏡,。

在其他地方，伯明翰大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)部署了精密的3D打印來(lái)制造5G天線(xiàn)的電路。作為一個(gè)軍事主導(dǎo)項(xiàng)目的一部分,，設(shè)備也可以有民用測(cè)繪和汽車(chē)?yán)走_(dá)應(yīng)用,。

研究人員的研究結(jié)果在他們題為 "High gain, wide-angle QCTO-enabled modified Luneburg lens antenna with broadband anti-reflective layer "的論文中詳細(xì)介紹，該論文由Soumitra Biswas和Mark Mirotznik共同撰寫(xiě),。