北理工-3D打印技术在5G通讯天线中的应用进展与挑战（一）

来源： 增材制造技术前沿

随着5G通讯的到来以及通信系统向毫米波和更高频率的方向发展，天线将被要求具有更高增益、宽带宽和低能耗。3D打印通过逐层堆叠来实现结构复杂零件的制备，从而能够以更便宜、更快和灵活的方式制造任意形状的天线。近期北京理工大学的科研团队综述了目前最先进的不同频率的3D打印天线制造工艺和材料，并讨论了主要的挑战和前景，以深入了解3D打印如何在天线制造中的进一步发展。

由于在过去十年中人们对更快数据速率的需求不断增加，研究人员一直致力于创建称为5G的新一代通信系统。随着5G的到来，各种设备与环境交互，带有嵌入式传感器的物体数量呈指数级增长。因此，无线通信的主要挑战是开发高性能系统，包括天线。传统通信频段受限且过载，难以提供未来难以预期的数据速率。需要使用更高频率的通信系统，例如毫米波和亚毫米波。这些高频通信系统的限制部分之一是发射器和接收器，其中天线起着至关重要的作用。对于毫米波频段中的通信，天线必须具有高度指向性以减轻在自由空间的衰减。这些要求导致天线结构复杂、高度集成、重量轻和小型化，这给现有制造工艺带来了压力。

图 1 3D打印天线的概要

3D打印技术又称增材制造，以快速成型、成本低、材料利用率高、无需模具等优点，受到工业界和研究界的广泛关注。它是使用逐层堆叠工艺，容易制备复杂形状零件。这些优势展现了3D打印技术满足射频设备要求的潜力，例如毫米波和更高频段的天线。目前已经有多项关于各种类型的3D打印天线的研究，这些天线通常使用金属、聚合物和陶瓷制造。例如透镜、介质谐振器和天线。其中多款天线工作在毫米波频段，增益高，辐射效率好，适用于移动通信、卫星、遥感等领域。这项报导基于材料分类对3D打印天线进行概述，其中包括对不同频率的不同类型天线的比较，如图1所示。

目前已经开发出多种具有不同功能的3D打印技术。其中熔融沉积成型（FDM）、光固化成型（SLA）、聚合物喷射（Poly-jets）、选区激光熔化（SLM)和粘合剂喷射(BJ)用于制造天线，这些技术的示意图如图2。最近FDM中采用了一种允许一步打印天线结构的新型材料，是一种商用类型的灯丝，具有比传统灯丝更高的导电性，被称为“Electrifi”。它由一种独特的金属聚合物复合材料组成，主要由无害的可生物降解聚酯和铜制成。聚合物SLA已成功用于高滤波和射频封装应用，然而聚合物SLA在微波频率下有损耗，这使得它们不适合低损耗毫米波的应用。迄今为止，已经使用Poly-jet成功制造了多种类型的电介质天线和电磁带隙结构。Poly-jet是实现毫米波、亚毫米波和THz频率3D打印天线的理想选择。与传统方法相比，Poly-jet能够以更低的成本制造结构复杂的天线，制造过程精确、方便、快捷。此外使用SLM打印的天线具有高致密化、无孔洞和高强度的优点，SLM已广泛用于制造微波天线，BJ制备天线目前还没有太多的报道。

图2 天线3D打印技术示意图

图3 天线的不同3D打印技术的比较

图3比较了天线的不同3D打印技术特性。FDM是聚合物天线制造中最常用的方法，因为它成本低且可直接加工。然而FDM的打印精度低，限制了在毫米波等高频领域的应用。SLA在其他3D打印技术中精度最高，被广泛应用于陶瓷天线的打印。纯金属天线可以通过SLM直接打印，使用导电元件可以减少损耗，从而实现高辐射性能。在某些情况下poly-jet和BJ也被用于生产天线。多样化的打印工艺在生产众多天线系统、推动通信系统的探索以及其他领域的发展方面发挥着关键作用。