Nano Dimension和UTS 合作开发3D打印5G天线阵列，共同迈向精密AMES

2021年10月11日，南极熊获悉，悉尼科技大学（UTS）ProtoSpace和纳米维度公司（Nano Dimension）已经合作开展了一个试点项目，以加速5G AME设备的开发。一直以来，Nano Dimension都是作为增材制造电子产品（AME）行业内领先的工业3D打印机制造商而闻名。

利用Nano Dimension公司的DragonFlyLDM 3D打印系统，此两家合作伙伴制造了5G毫米波天线封装（AiP）设计。据报道，这些设计提供了增强的带宽，同时弥补了AME AiP和芯片之间的差距。

据合作伙伴称，天线阵列原型的成功打印为5G消费类移动电子产品开辟了巨大的可能性。

△Nano Dimension公司的DragonFlyLDM 3D打印技术正在运行中。照片来自Nano Dimension公司。

The DragonFly LDM 3D打印机

Nano Dimension公司的旗舰产品——DragonFly LDM系统是它们公司AME能力背后的驱动力，它将自由形状的几何图形与嵌入式电子装置结合起来。这款打印机配备了两个喷墨打印头，可同时打印导电银纳米墨水（形成印刷电路的大部分连接）和电介质光聚合物墨水（为周围结构提供机械支持、热阻和电绝缘）。

今年4月份，NanoDimension公司收购了机器学习公司DeepCube，此后将该公司的深度学习专长用于开发基于机器学习的分布式电子制造网络。这项平台实现了对该公司全球3D打印机网络的数字控制，使得打印机能够不断地自我学习并提高其效率。

不久之后，Nano Dimension公司还收购了微型3D打印机开发商Nanofabrica公司，并将该公司的技术整合到其机器中，以进一步推动精密高性能电子设备（Hi-PEDs）的3D打印。

通过这些收购，Nano Dimension公司正在寻求解决由于供应链问题和印刷电路板（PCB）制造商面临的日益增长的利润压力而导致的全球范围内持续的半导体芯片短缺问题。

最近，Nano Dimension公司宣布与弗劳恩霍夫制造工程和自动化研究所（Fraunhofer IPA）合作，专门为机电系统的生产开发新的自由形态3D打印和装配工艺。在为期两年的项目结束时，Nano Dimension公司希望能将这些工艺整合到其DragonFly LDM系统中。

△Nano Dimension公司的DragonFlyLDM 3D电子打印机。照片来自Nano Dimension公司。

推进精密电子元件的开发

位于悉尼市中心的ProtoSpace UTS是澳大利亚最先进的增材制造设施中心之一，它可以提供先进的3D打印和扫描技术。

ProtoSpace UTS和NanoDimension之间的试点项目由UTS技术实验室毫米波集成电路和天线小组组长杨扬博士领导。Yang与Francesca Lacopi教授和Nano Dimension的研发团队合作，共同推进3D打印毫米波/太赫兹天线和电路的研发，并为太空领域利用5G贡献了力量。

这些合作伙伴一直致力于建立一个无线生态系统，使数十亿的高速无线设备和在毫米波频段工作的高度集成的AME设备天线能够被封装在移动设备上。

不过要实现这一目标，在开启5G物联网新时之前，他们仍然面临着几个挑战。5G AME设备的开发仍处于起步阶段，由于毫米波AiPs的成本高、生产周期长，使得定制原型和概念验证困难重重。

此外，由于传统设备天线的收益已经达到极限，因此在数字环境中仍然迫切需要高速可转向的多波束移动天线。

该团队还负责研究如何在不影响其关键性能的情况下，实现天线阵列的集成和小型化封装最优化。

为了解决这些问题，杨和他的团队在UTS和Nano Dimension开展的试点项目的概念验证基础上，开发了一种用于生产5G毫米波AiP设计的新型AME工艺。据报道，该工艺可以制造出具有定制封装外形的单衬底多导电层，而不会对保密性或知识产权安全造成风险。

△Nano Dimension公司的AME3D打印技术通过沉积两种不同类型的墨水来工作。图片来自Nano Dimension公司。

制造天线阵列

研究团队通过使用DragonFly LDM，开发出基于压电3D打印的AME工艺，并生产了几个单基板多金属层天线。金属层被垂直堆叠到3D打印的单一基板中，形成了一个天线原型，表现出宽带宽和超低轮廓的优势。

为了证明他们的概念，该团队设计并3D打印了多层线性极化（LP）贴片天线元件和2×2 LP天线阵列。所谓的 "馈电网络"可以被集成到天线阵列元件的同一基板上，而不增加阵列的尺寸和外形。

与传统的单层LP贴片天线相比，该团队的装置将阻抗带宽从5.9%提高到10.9%（三层），以及83%（七层）。该团队的设计可以在厚度仅为1.5毫米的单一衬底中制造，使其适用于期待超低轮廓和宽频贴片天线的应用。

在此之后，合作伙伴又生产了圆极化（CP）贴片天线元件和2×2 CP天线阵列，这验证了该团队的垂直金属层堆叠方法得可行性，可以获得更宽的阻抗带宽和更广泛的3dB以下的轴向比率的频率范围。天线的设计频率为6GHz以下，为5G消费类移动电子产品内的应用提供了相当大的潜力。

研究团队认为，其AME AiP技术能够无缝衔接AME AiP和芯片之间的差距，同时提供比传统制造方法便宜得多的原型设计成本。他们认为，这些因素将有助于实现AME AiP的初始概念验证和定制原型，从而加速5G AME设备天线在太空和消费移动电子等行业的发展。