北理工-3D打印技術(shù)在5G通訊天線中的應(yīng)用進(jìn)展與挑戰(zhàn)（一）

來源： 增材制造技術(shù)前沿

隨著5G通訊的到來以及通信系統(tǒng)向毫米波和更高頻率的方向發(fā)展，天線將被要求具有更高增益,、寬帶寬和低能耗,。3D打印通過逐層堆疊來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的制備，從而能夠以更便宜,、更快和靈活的方式制造任意形狀的天線,。近期北京理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)綜述了目前最先進(jìn)的不同頻率的3D打印天線制造工藝和材料，并討論了主要的挑戰(zhàn)和前景,，以深入了解3D打印如何在天線制造中的進(jìn)一步發(fā)展,。

由于在過去十年中人們對更快數(shù)據(jù)速率的需求不斷增加，研究人員一直致力于創(chuàng)建稱為5G的新一代通信系統(tǒng),。隨著5G的到來,，各種設(shè)備與環(huán)境交互，帶有嵌入式傳感器的物體數(shù)量呈指數(shù)級增長,。因此,，無線通信的主要挑戰(zhàn)是開發(fā)高性能系統(tǒng)，包括天線,。傳統(tǒng)通信頻段受限且過載,，難以提供未來難以預(yù)期的數(shù)據(jù)速率。需要使用更高頻率的通信系統(tǒng),，例如毫米波和亞毫米波,。這些高頻通信系統(tǒng)的限制部分之一是發(fā)射器和接收器，其中天線起著至關(guān)重要的作用,。對于毫米波頻段中的通信,，天線必須具有高度指向性以減輕在自由空間的衰減。這些要求導(dǎo)致天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、高度集成,、重量輕和小型化,，這給現(xiàn)有制造工藝帶來了壓力。

圖 1 3D打印天線的概要

3D打印技術(shù)又稱增材制造,，以快速成型,、成本低、材料利用率高,、無需模具等優(yōu)點(diǎn),，受到工業(yè)界和研究界的廣泛關(guān)注。它是使用逐層堆疊工藝,，容易制備復(fù)雜形狀零件,。這些優(yōu)勢展現(xiàn)了3D打印技術(shù)滿足射頻設(shè)備要求的潛力，例如毫米波和更高頻段的天線,。目前已經(jīng)有多項(xiàng)關(guān)于各種類型的3D打印天線的研究,，這些天線通常使用金屬、聚合物和陶瓷制造,。例如透鏡,、介質(zhì)諧振器和天線。其中多款天線工作在毫米波頻段,，增益高,，輻射效率好，適用于移動通信,、衛(wèi)星,、遙感等領(lǐng)域。這項(xiàng)報(bào)導(dǎo)基于材料分類對3D打印天線進(jìn)行概述,，其中包括對不同頻率的不同類型天線的比較,，如圖1所示。

目前已經(jīng)開發(fā)出多種具有不同功能的3D打印技術(shù),。其中熔融沉積成型（FDM）,、光固化成型（SLA）、聚合物噴射（Poly-jets）,、選區(qū)激光熔化（SLM)和粘合劑噴射(BJ)用于制造天線，這些技術(shù)的示意圖如圖2,。最近FDM中采用了一種允許一步打印天線結(jié)構(gòu)的新型材料,，是一種商用類型的燈絲，具有比傳統(tǒng)燈絲更高的導(dǎo)電性,，被稱為“Electrifi”,。它由一種獨(dú)特的金屬聚合物復(fù)合材料組成，主要由無害的可生物降解聚酯和銅制成,。聚合物SLA已成功用于高濾波和射頻封裝應(yīng)用,，然而聚合物SLA在微波頻率下有損耗，這使得它們不適合低損耗毫米波的應(yīng)用。迄今為止,，已經(jīng)使用Poly-jet成功制造了多種類型的電介質(zhì)天線和電磁帶隙結(jié)構(gòu),。Poly-jet是實(shí)現(xiàn)毫米波、亞毫米波和THz頻率3D打印天線的理想選擇,。與傳統(tǒng)方法相比,，Poly-jet能夠以更低的成本制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的天線，制造過程精確,、方便,、快捷。此外使用SLM打印的天線具有高致密化,、無孔洞和高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn),，SLM已廣泛用于制造微波天線，BJ制備天線目前還沒有太多的報(bào)道,。

圖2 天線3D打印技術(shù)示意圖

圖3 天線的不同3D打印技術(shù)的比較

圖3比較了天線的不同3D打印技術(shù)特性,。FDM是聚合物天線制造中最常用的方法，因?yàn)樗�成本低且可直接加��,。然而FDM的打印精度低,，限制了在毫米波等高頻領(lǐng)域的應(yīng)用。SLA在其他3D打印技術(shù)中精度最高,，被廣泛應(yīng)用于陶瓷天線的打印,。純金屬天線可以通過SLM直接打印，使用導(dǎo)電元件可以減少損耗,，從而實(shí)現(xiàn)高輻射性能,。在某些情況下poly-jet和BJ也被用于生產(chǎn)天線。多樣化的打印工藝在生產(chǎn)眾多天線系統(tǒng),、推動通信系統(tǒng)的探索以及其他領(lǐng)域的發(fā)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,。