特拉華大學科學家3D打印5G信號Luneburg透鏡

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

團隊利用FDM 3D打印技術,，制作出了多個表面平整的微型天線，能夠添加到電子產品,、傳感器甚至手機上�,，F(xiàn)在，科學家們正在與美國陸軍合作,，為他們的發(fā)射設備開發(fā)與國防相關的機器人和民用航空航天應用。

領導這項研究的Mark Mirotznik教授說："這種透鏡是一種非常廉價,、有效的方式,，可以將通信信號引導到一個特定的方向，它在5G上會特別有用,。我們認為我們的透鏡可能會應用于那種'網絡邊緣'的東西,，因為它們價格低廉，但卻非常堅固,。"

△特拉華大學的研究人員已經開發(fā)出一系列兼容5G頻率的3D打印鏡頭原型,，圖片來自特拉華大學

增材制造天線

無線通信系統(tǒng)與我們的日常生活越來越密切相關，因為這項技術經常用于連接日常智能設備的雷達和衛(wèi)星中,。為了發(fā)揮這一重要作用,，這些天線需要具有高增益、廣角,、靈活和能夠中繼多頻段信號的特點,。

目前，衛(wèi)星內部使用可轉向相控陣天線來實現(xiàn)這一目標,，但它們可能是昂貴,、復雜和耗電的技術。梯度指數(shù)(或GRIN)Luneburg透鏡經常被吹捧為一種替代方案,，因為它們的球面梯度結構允許它們同時中繼多個波束,。

盡管GRIN器件具有吸引人的特性，但其球形幾何結構使其難以集成到標準天線陣列中,。然而,，使用轉換光學（TO）工藝,，可以將Luneburg透鏡轉換為與傳統(tǒng)衛(wèi)星更兼容的平面。

雖然TO在這一領域的部署取得了一定的成功,，但由于透鏡饋電中存在反射,，進展受到了阻礙。為了解決這個問題,，團隊理論上認為,，利用3D打印技術，可以增加一個抗反射（AR）層,，從而產生一個具有多頻能力的Luneburg設備,。

△科學家們部署了一種先進的FDM 3D打印技術（如圖）來調整現(xiàn)有的Luneburg鏡片，圖片來自特拉華大學

3D打印的Luneburg透鏡

為了測試他們的假設,，科學家們在現(xiàn)有透鏡的平面激勵表面上3D打印了一個AR層,，并將其配置為在Ka波段（26-40GHz）內工作。然后對原型的電磁特性進行測試,，并與模擬以及現(xiàn)有GRIN設備的性能進行比較,。

在評估過程中，該團隊的升級天線設計能夠減輕現(xiàn)有透鏡在ka波段帶寬上的反射,。原型機還縮小了透鏡的半功率,，與計算機預測相比，它在大多數(shù)饋電位置的孔徑效率超過60%,。

研究人員最初承認,，他們的AR層有時會限制設備的掃描角度，但此后他們已經優(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,，團隊還確定了各種新穎的鏡頭應用，包括將其嵌入到3D打印的 "四翼飛機 "內,。

現(xiàn)在,，科學家們已經與美國國防部簽訂了合同，要制造一個能夠從傳送帶上取下,，并立即出發(fā)的機器人,。這看起來很雄心勃勃，但團隊已經打印了一個鏡頭集成的設備,，可以從構建板上自行移動,，顯示了3D打印技術的整體潛力。

△研究團隊試圖為他們的透鏡找到新的應用,，包括將它們連接到3D打印的四翼飛機上（如圖）,，圖片來自特拉華大學

開發(fā)增強型增材天線

采用3D打印的成本和設計靈活性優(yōu)勢，使研究人員越來越能夠制造出具有升級中繼能力的5G天線。

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

另一個來自特拉華大學的團隊已經部署了一臺XJet Carmel 1400 3D打印機來制造新型5G天線。利用被動波束轉向算法,，科學家們能夠打印出具有復雜結構,、小通道和優(yōu)化材料特性的透鏡。

在其他地方,，伯明翰大學的科學家們已經部署了精密的3D打印來制造5G天線的電路,。作為一個軍事主導項目的一部分，設備也可以有民用測繪和汽車雷達應用,。

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