《Scientific Reports》：3D打印制造含有匹配层的平板透镜，可用于毫米波！

南极熊获悉，2022年3月，马德里卡洛斯三世大学信号理论与通信系（Department of Signal Theory and Communication, University Carlos IIIof Madrid）的研究者们在《Scientific Reports》发表了一项新研究，他们利用3D打印制作了一种可用于Ka频段的宽带高性价平板透镜天线，并在原始镜头设计中添加匹配层。由此产生的透镜是全介质、低成本、全3D打印和平面的，在整个Ka频段具有高增益特性，适合5G技术等新的通信系统。

△3D打印制造的平面透镜天线。(A)俯视图(B)正交视图

●Ka波段：是电磁频谱的微波波段的一部分，Ka波段的频率范围为26.5-40GHz。Ka波段也被称作30/20GHz波段，通常用于卫星通信。

●透镜天线：一种能够通过电磁波，将点源或线源的球面波或柱面波转换为平面波从而获得笔形、扇形或其他形状波束的天线。

研究背景：

新一代通信系统正逐渐向电磁波频谱的更高部分扩展，即毫米波。频率上移带来的主要问题是传播损耗增加，因此需要使用高增益天线解决这一问题。传统的解决方案是使用打印技术作为贴片阵列，实现高增益，但这需要复杂而昂贵的馈电网络，并且还受到介电和导电损耗的影响。因此，透镜天线已成为解决上述问题的优选解决方案。

透镜天线的优点是不需要昂贵或复杂的馈电网络，然而，由于其复杂的形状和材料的可用性问题，很难通过标准的制造方法制造透镜天线，以达到特定的折射率。近年来用于制造高频结构的一种技术是3D打印。

在本研究中，研究人员提出了一种在Ka波段工作的平面介电透镜天线，避免了形状修改，场变换方法进行设计，透镜每个区域的不同相对介电常数，以便将入射到透镜一侧的球面波在其出口处转换为平面波。

研究内容：

1.透镜天线的设计和仿真

△梯度折射率平面透镜示意图。

△对3D打印平板透镜在27GHz、34GHz和40 Hz下的仿真结果进行了分析。上图：电场大小。下图：增益辐射模式。

2. 3D打印制造平板透镜

设计完成并通过仿真验证后，研究人员对平板透镜进行制造。因为需要获得在设计过程中的每个环的比介电常数值。为此，透镜是使用3D打印增材制造技术，使用具有不同相对介电常数值的PREPERM介质丝进行制造。

3. 增加匹配层

空气-透镜转变处的介电常数差异很大，特别是对于中心环，可能会产生显著的反射。为了减少这种影响，通常使用匹配层。研究人员评估了三种情况下的匹配层：从镜头入射波侧的空气-镜头对比度(即前ML情况)，镜头外部的镜头环-空气过渡(即后ML情况)，以及作为两种情况的组合添加匹配层(即前ML情况和后ML情况)

。

△34GHz下无匹配层、透镜前有匹配层(Pre-ML)、透镜后有匹配层(Post-ML)、透镜两侧有匹配层(Pre-ML)的3D打印平板透镜的模拟结果。上图：电场大小。下图：增益辐射模式。

4.透镜和匹配层结合

△透镜和匹配层的分解图，每个部分所需的等效介电系数值以及将用于每个部分的打印材料。

△制造的匹配层和透镜天线的图片。(A)匹配层的俯视图。(B)具有匹配层的透镜天线。

5.对制造的透镜天线进行测量

△测量了Ka波段有匹配层和无匹配层的3D打印透镜在三个频率下的E面和H面增益辐射方向图。(A)28GHz(B)34 GHz(C)40GHz

△将所提出的透镜与文献中工作在毫米波段的其他平面透镜进行比较

通过实验数据，可以证明使用匹配层的透镜的性能得到了改善，获得了更高水平的最大增益。与通过其他制造技术所制备的透镜天线相比，通过3D打印制备的透镜天线有更好的性能，具有较宽的工作带宽。

注：本文内容呈现略有调整，若需可以查看原文。

改编原文：Poyanco, JM., Pizarro, F. & Rajo-Iglesias, E. Cost-effectivewideband dielectric planar lens antenna for millimeter wave applications.SciRep12,4204 (2022).

DOI：https://doi-org-443.webvpn.las.ac.cn/10.1038/s41598-022-07911-z