北理工何汝杰副教授团队：用于5G通信的3D打印天线:当前进展和未来挑战

来源 :机械工程学报

随着5G时代的到来，通信系统逐渐向毫米波和更高频率发展，这就要求天线等5G器件必须具有高增益、宽带宽和低损耗等特性。相较于传统制造，3D打印具有低成本、快速成型、材料利用率高等优势。尤其是，3D打印离散-堆积的制造方式，极其适合复杂异形结构的制备，从而为复杂异形天线的先进制造提供了创新途径。目前3D打印技术可实现多种材料制造天线，包括聚合物、金属、陶瓷和复合材料。所覆盖的天线频率覆盖10GHz的低频甚至太赫兹，可实现最高增益30dBi左右，同时实现高效率的发射与接收。此外，3D打印制造天线可应用于包括5G通讯、GPS、雷达、遥感、卫星等多个领域，是全球无线通讯技术的发展的重要组成。

本综述旨在归纳总结当前各类3D打印天线的研究进展与现状，并对未来可能的发展方向进行一定思考，期待为本领域研究提供一定借鉴与参考。

图1 3D打印天线简介

研究难点或瓶颈
材料方面：目前缺少专用于天线制造的3D打印材料；材料的导电性差，损耗高，限制高性能天线的制造。

结构方面：精度和粗糙度的限制影响了3D打印天线的进一步发展。

功能方面：多材料集成系统难以制造，打印精度与打印速度难以同时提高等，影响多功能、高性能微波系统的制造。

3D打印天线的挑战和前景

展望
随着5G及未来6G通讯系统的发展，对射频系统中发挥重要功能的天线提出了更高的要求，天线愈加复杂化、小型化以及高集成度，而通过层层堆积的3D打印天线有望满足这些要求。但目前，3D打印天线的发展还存在许多挑战。首先，在材料方面，需要研究新型可控电磁性能的材料、高导电的可打印材料；在结构方面，需致力于解决如何进一步提高精度、降低粗糙度，同时开发新型结构设计；在此基础上，实现多材料3D打印、多尺度3D打印、全3D打印和一体化3D打印，为实现全3D打印的多功能、高性能的微波射频系统提供新的实现方式。


团队带头人介绍

何汝杰，北京理工大学先进结构技术研究院副教授、博士生导师，主要从事结构功能一体化陶瓷增材制造研究。主持国家自然科学基金项目3项、北京市自然科学基金项目1项、及各类国家/国防课题项目10余项。至今以第一作者/通讯作者发表SCI论文110余篇，SCI他引2500余次，H因子32。授权专利10余件。兼任轻量化多功能复合材料与结构北京市重点实验室副主任，中国硅酸盐学会特种陶瓷分会青年工作委员会副秘书长等。担任SCI期刊Int J Appl Ceram Technol副主编，J Adv Ceram编委，Rare Met（《稀有金属》）、J Inorg Mater（《无机材料学报》）青年编委，Materials、Adv Mater Science Eng客座编辑，《材料工程》、《航空材料学报》、《硅酸盐通报》、《陶瓷学报》、《现代技术陶瓷》等期刊编委或青年编委等。2015年，获中国科协首批“青年人才托举工程”；2022年，参与身份获国防科技进步一等奖。

徐浩，现任中国计量科学研究院副研究员，从事毫米波太赫兹频段材料电磁特性计量技术研究。近五年来先后主持和参与科技部重点研发计划、自然科学基金等多项课题。起草制定国家计量规程规范3项，发表学术论文10余篇。