特拉华大学科学家3D打印5G信号Luneburg透镜

2020年12月21日，南极熊获悉，来自特拉华大学的研究人员开发出了新型的增材制造Luneburg透镜，具有5G频率下的通信能力。

团队利用FDM 3D打印技术，制作出了多个表面平整的微型天线，能够添加到电子产品、传感器甚至手机上。现在，科学家们正在与美国陆军合作，为他们的发射设备开发与国防相关的机器人和民用航空航天应用。

领导这项研究的Mark Mirotznik教授说："这种透镜是一种非常廉价、有效的方式，可以将通信信号引导到一个特定的方向，它在5G上会特别有用。我们认为我们的透镜可能会应用于那种'网络边缘'的东西，因为它们价格低廉，但却非常坚固。"

△特拉华大学的研究人员已经开发出一系列兼容5G频率的3D打印镜头原型，图片来自特拉华大学

增材制造天线

无线通信系统与我们的日常生活越来越密切相关，因为这项技术经常用于连接日常智能设备的雷达和卫星中。为了发挥这一重要作用，这些天线需要具有高增益、广角、灵活和能够中继多频段信号的特点。

目前，卫星内部使用可转向相控阵天线来实现这一目标，但它们可能是昂贵、复杂和耗电的技术。梯度指数(或GRIN)Luneburg透镜经常被吹捧为一种替代方案，因为它们的球面梯度结构允许它们同时中继多个波束。

尽管GRIN器件具有吸引人的特性，但其球形几何结构使其难以集成到标准天线阵列中。然而，使用转换光学（TO）工艺，可以将Luneburg透镜转换为与传统卫星更兼容的平面。

虽然TO在这一领域的部署取得了一定的成功，但由于透镜馈电中存在反射，进展受到了阻碍。为了解决这个问题，团队理论上认为，利用3D打印技术，可以增加一个抗反射（AR）层，从而产生一个具有多频能力的Luneburg设备。

△科学家们部署了一种先进的FDM 3D打印技术（如图）来调整现有的Luneburg镜片，图片来自特拉华大学

3D打印的Luneburg透镜

为了测试他们的假设，科学家们在现有透镜的平面激励表面上3D打印了一个AR层，并将其配置为在Ka波段（26-40GHz）内工作。然后对原型的电磁特性进行测试，并与模拟以及现有GRIN设备的性能进行比较。

在评估过程中，该团队的升级天线设计能够减轻现有透镜在ka波段带宽上的反射。原型机还缩小了透镜的半功率，与计算机预测相比，它在大多数馈电位置的孔径效率超过60%。

研究人员最初承认，他们的AR层有时会限制设备的扫描角度，但此后他们已经优化了其性能。与DeLUX AM（Mirotznik共同创办的一家初创公司）合作，团队还确定了各种新颖的镜头应用，包括将其嵌入到3D打印的 "四翼飞机 "内。

现在，科学家们已经与美国国防部签订了合同，要制造一个能够从传送带上取下，并立即出发的机器人。这看起来很雄心勃勃，但团队已经打印了一个镜头集成的设备，可以从构建板上自行移动，显示了3D打印技术的整体潜力。

△研究团队试图为他们的透镜找到新的应用，包括将它们连接到3D打印的四翼飞机上（如图），图片来自特拉华大学

开发增强型增材天线

采用3D打印的成本和设计灵活性优势，使研究人员越来越能够制造出具有升级中继能力的5G天线。

英国的研究人员已经研究了为5G系统3D打印多输入多输出（MIMO）天线的优点。所提出的 "MIMOs "可以在多个方向上传送波束，提供连续、实时的覆盖，而不需要移相器。

另一个来自特拉华大学的团队已经部署了一台XJet Carmel 1400 3D打印机来制造新型5G天线。利用被动波束转向算法，科学家们能够打印出具有复杂结构、小通道和优化材料特性的透镜。

在其他地方，伯明翰大学的科学家们已经部署了精密的3D打印来制造5G天线的电路。作为一个军事主导项目的一部分，设备也可以有民用测绘和汽车雷达应用。

研究人员的研究结果在他们题为 "High gain, wide-angle QCTO-enabled modified Luneburg lens antenna with broadband anti-reflective layer "的论文中详细介绍，该论文由Soumitra Biswas和Mark Mirotznik共同撰写。