根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，諾基亞早在起專利《Wireless portable electronic device having conductive body that functions as a radiator》中就揭示了關(guān)于無線便攜式電子裝置的設(shè)備制造，電子裝置包括由導(dǎo)電材料形成的主體，主體包括內(nèi)腔和開口。還包括設(shè)置在內(nèi)腔中的接地平面和電磁耦合，天線可以是環(huán)形天線和單極天線。這其中3D打印-增材制造技術(shù)在天線的制造中浮出水面。

3D打印在各種天線的制造中，有應(yīng)用于便攜式通訊設(shè)備的，有應(yīng)用于5G基站的，有應(yīng)用于衛(wèi)星接收裝置，有應(yīng)用于航天器設(shè)備上的等等，這些應(yīng)用背后的技術(shù)邏輯是什么呢？本期，3D科學(xué)谷與谷友共同來領(lǐng)略3D打印天線的面面觀。

▲?3D科學(xué)谷《3D打印與電子產(chǎn)品白皮書 》

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成就不一般的天線

3D打印正在改變天線的制造方式，拿5G基站來說，基于陣列式的多入多出(MIMO)技術(shù)使基站天線數(shù)量成倍增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了移動(dòng)終端使用的天線，從而大幅提高通信頻譜效率。MIMO技術(shù)是5G通信中比較重要的技術(shù)，根據(jù)mino技術(shù)的相關(guān)要求，5G移動(dòng)通信的天線應(yīng)具有高增益、小型化、寬頻段及高隔離度等技術(shù)特征，以滿足5G通信的高傳輸速率、波束智能賦形、波束能量聚集等功能。

預(yù)計(jì)5G在2020-2025年，將拉動(dòng)中國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)15.2萬億元，5G與人工智能、大數(shù)據(jù)等ICT新技術(shù)融合發(fā)展，將推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)組織方式、資源配置效率、管理服務(wù)模式深刻變革。

中國(guó)信息通信研究院

MIMO天線有時(shí)被稱作空間多樣，因?yàn)樗褂枚嗫臻g通道傳送和接收數(shù)據(jù)，利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量。5G基站的天線小型化有利于陣列天線的安裝部署。頻段升高，基站數(shù)量增加也必將加強(qiáng)有源一體化天線的普及趨勢(shì)，一體化基站子系統(tǒng)將會(huì)被廣泛地應(yīng)用。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，英國(guó)大學(xué)開發(fā)了適用于5G和毫米波（mm-wave）應(yīng)用的低成本多輸入多輸出（MIMO）天線的設(shè)計(jì)和原型。這種MIMO天線通過3D打印技術(shù)制造，能夠在多個(gè)方向上傳送光束，從而在不使用移相器的情況下，在高達(dá)?30°的高度上提供連續(xù)和實(shí)時(shí)的覆蓋范圍。

?mm-Wave_Low_Cost_3D_Printed_MIMO_Antennas

這為MIMO提供了優(yōu)越的優(yōu)勢(shì)，是一種有吸引力的低成本技術(shù)，這種3D打印的MIMO天線適合在28 GHz 5G頻段上工作，寬帶寬性能超過4 GHz，并且在仰角平面內(nèi)的波束切換能力高達(dá)?30°。通過將具有不同高度的3D打印壁引入3D打印輻射天線一側(cè)，可以在整個(gè)帶寬上控制MIMO中單元素天線的主波束方向。與所有其他可用的光束轉(zhuǎn)向技術(shù)不同，這種不同高度的壁不僅能夠改變天線波束的方向，而且能夠在整個(gè)帶寬上同時(shí)增益總體方向性。

在3D科學(xué)谷看來，提高天線的性能，是3D打印正在改變天線制造的一大頗為“接地氣”的商業(yè)邏輯。

目前3D打印天線的材料種類繁多，大致包括混合材料（金屬油墨與非導(dǎo)電材料的混合等等），陶瓷，金屬材料。在3D科學(xué)谷看來，3D打印在天線制造方面具有兩大技術(shù)邏輯：3D打印實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜更精致的結(jié)構(gòu)提升天線性能；3D打印實(shí)現(xiàn)輕量化、結(jié)構(gòu)一體化的天線結(jié)構(gòu)更節(jié)約材料與空間占用、更緊湊。

3D科學(xué)谷

目前市場(chǎng)上通過3D打印天線的案例正在涌現(xiàn)，這些案例背后具有一定的技術(shù)邏輯支撐，一旦獲得商業(yè)化的可行性，將獲得更加廣泛的普及。

/ 輕量化、結(jié)構(gòu)一體化

Optisys是一家創(chuàng)新型的射頻產(chǎn)品開發(fā)和制造公司，該公司使用金屬增材制造生產(chǎn)高度集成的產(chǎn)品，深受各大行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)的信賴。

▲Optisys 4×4 Ka波段跟蹤天線 – 無人機(jī)應(yīng)用 ? SLM Solutions

Optisys公司通過SLM?500 生產(chǎn)航天項(xiàng)目中的天線等零部件，要確保所生產(chǎn)的零部件能夠投入使用并非易事。從近地軌道使用的產(chǎn)品到太空探測(cè)器，增材制造的零部件必須能夠應(yīng)用于整個(gè)惡劣且多變的太空環(huán)境。對(duì)于零部件而言，大氣環(huán)境下的氧原子運(yùn)動(dòng)就如同噴砂一般，但是在其他星球上，零部件則需要承受住高溫負(fù)荷以及極端溫度循環(huán)。通過選區(qū)激光熔化技術(shù)生產(chǎn)的零部件不僅實(shí)現(xiàn)了輕量化，其優(yōu)異的性能也能夠在各種極端環(huán)境下使用。

與傳統(tǒng)制造方式相比，選區(qū)激光熔化技術(shù)可以通過集成內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)來生產(chǎn)輕量化零部件，確保出色的零部件質(zhì)量以及一致性。既減輕了零部件重量，又實(shí)現(xiàn)了功能及零部件的集成，降低了零部件的生產(chǎn)成本以及發(fā)射成本。

▲OptisysX波段集成孔徑雷達(dá)- Imsar高空偵查無人機(jī)應(yīng)用 ? SLM Solutions

金屬3D打印方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，除了PBF選區(qū)金屬熔化3D打印技術(shù)，Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)，以及液態(tài)金屬3D打印也在發(fā)揮越來越重要的技術(shù)角色。

l 液態(tài)金屬打印

國(guó)內(nèi)夢(mèng)之墨依托中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所、清華大學(xué)等強(qiáng)大技術(shù)力量和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，構(gòu)建了“材料-制造-應(yīng)用”三位一體的柔性電路綠色生產(chǎn)模式，用變革性技術(shù)打破電子制造邊界。夢(mèng)之墨現(xiàn)有桌面級(jí)電子電路快速制作系統(tǒng)、工業(yè)級(jí)柔性電子印刷服務(wù)平臺(tái)等業(yè)務(wù)體系，液態(tài)金屬柔性電路產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、消費(fèi)電子、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療健康、創(chuàng)新教育等行業(yè)。

夢(mèng)之墨一直致力于液態(tài)金屬在電子增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作，其“基于液態(tài)金屬功能材料的增材制造與柔性電子技術(shù)”是中國(guó)原創(chuàng)、世界領(lǐng)先的先進(jìn)科技成果。技術(shù)團(tuán)隊(duì)基于材料屬性，利用先進(jìn)的制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同熔點(diǎn)、粘度以及電導(dǎo)率等液態(tài)金屬合金材料的制備；利用電子增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電子電路現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)制作、柔性電路快速制作以及工業(yè)級(jí)超柔性電路的批量化生產(chǎn)需求。

/ 多材料打印

3D打印-增材制造的發(fā)展趨勢(shì)朝向多維度的深化層面，當(dāng)前的一大發(fā)展趨勢(shì)包括多材料發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)揮3D打印實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)（包括幾何特征的復(fù)雜性，以及多材料結(jié)合的復(fù)雜性）是3D打印突破當(dāng)前應(yīng)用對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求的限制，向應(yīng)用端深度延伸走向產(chǎn)業(yè)化的一條發(fā)展路徑。

ACAM亞琛增材制造中心

▲?3D科學(xué)谷《3D打印與電子產(chǎn)品白皮書 》

l Aerosol Jet 氣溶膠噴射

Optomec 獲得專利的 Aerosol Jet 3D 電子打印機(jī)是一種獨(dú)特的增材電子解決方案，能夠直接打印高分辨率導(dǎo)電電路，特征尺寸小至 10 微米。該工藝的進(jìn)一步區(qū)別在于其能夠打印到非平面基材和全三維終端部件上。生產(chǎn)應(yīng)用包括 3D 天線、3D 傳感器、醫(yī)療電子、半導(dǎo)體封裝和顯示器組裝的直接打印。

早期使用Optomec氣溶膠噴射3D打印技術(shù)的客戶已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用到智能設(shè)備和微流控領(lǐng)域。使用該技術(shù)可以在無需添加支撐結(jié)構(gòu)的情況下使用光聚合物等材料打印出微米級(jí)的高縱橫比以及擁有不規(guī)則形狀的3D結(jié)構(gòu)。通過將這些3D結(jié)構(gòu)直接噴印在天線、傳感器、半導(dǎo)體芯片、醫(yī)療設(shè)備或工業(yè)零部件等結(jié)構(gòu)上，在一臺(tái)設(shè)備上即可制造出功能性3D電子組件。這種直接的數(shù)字方法優(yōu)化了制造工藝，減少了生產(chǎn)步驟和材料用量，因此氣溶膠噴射3D微結(jié)構(gòu)打印技術(shù)也是一種經(jīng)濟(jì)的、綠色技術(shù)。

l Nano Dimension電子增材制造技術(shù)

悉尼科技大學(xué)（UTS）ProtoSpace實(shí)驗(yàn)室是全球領(lǐng)先的增材制造機(jī)構(gòu)之一，Nano Dimension公司的DragonFly LDM是業(yè)內(nèi)唯一的綜合增材制造平臺(tái)。雙方通過與悉尼科技大學(xué)楊揚(yáng)博士團(tuán)隊(duì)試點(diǎn)合作，利用獨(dú)特的增材制造電子（AME）技術(shù)，發(fā)展出一個(gè)橫跨微波，毫米波和太赫茲（Terahertz）系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)體系，借著構(gòu)建新型高性能封裝天線和小型化的電路設(shè)計(jì)以促進(jìn)開發(fā)AME在5G和未來通信的潛能及對(duì)移動(dòng)設(shè)備的創(chuàng)新。

▲ AME技術(shù)制造的超透鏡天線

? Nano Dimension

▲AME技術(shù)制造的低剖面天線陣列

? Nano Dimension

AME技術(shù)不僅可以適用于初創(chuàng)公司及電子產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)以低成本快速制作原型，而且內(nèi)部開發(fā)（無須外包加工）可幫助企業(yè)維護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和數(shù)據(jù)安全等方面的高度機(jī)密。在未來通信的動(dòng)態(tài)移動(dòng)環(huán)境中，緊湊的AME天線和微波電路擺脫了當(dāng)今消費(fèi)電子設(shè)備小型化帶來的尺寸局限性，更易于集成到移動(dòng)設(shè)備中并鏈接數(shù)十億個(gè)高速無線系統(tǒng)，將為新興的智能和沉浸式技術(shù) (例如數(shù)字視頻）創(chuàng)建具有多個(gè)動(dòng)態(tài)波束的新天線原型，與未來的無人駕駛汽車、超低延遲虛擬現(xiàn)實(shí)、智能城市和移動(dòng)通信，實(shí)現(xiàn)無縫遠(yuǎn)程接軌。

▲AME技術(shù)制造的多層帶通濾波器

? Nano Dimension

Nano Dimension獨(dú)家的納米級(jí)銀質(zhì)導(dǎo)電材料AgCite以及PCB電路板3D設(shè)計(jì)軟件，能夠一次性生產(chǎn)混和導(dǎo)電(金屬)和絕緣(塑料聚合物)墨水材料的原型，精準(zhǔn)打印出完整且多層次的PCB特征，包含埋孔、鍍通孔的互連細(xì)節(jié)，且無須蝕刻、鉆孔、電鍍或破壞并在數(shù)小時(shí)內(nèi)即可完成。

增材制造在多功能材料方面的愿景為無限組合的材料與技術(shù)，而最終的目標(biāo)是點(diǎn)擊即生產(chǎn)。ACAM亞琛增材制造中心定義達(dá)到這個(gè)愿景的進(jìn)階過程包括5個(gè)梯度，當(dāng)前的世界范圍內(nèi)的發(fā)展大多還處在Level 0的水平，Level 0為功能化增材制造過程，Level 1為可預(yù)測(cè)的增材制造過程，Level 2為自動(dòng)化的增材制造過程，Level 3為全自動(dòng)化的增材制造包括前處理與后處理，Level 4為集成化的全自動(dòng)化不同制造工藝的組合。

ACAM亞琛增材制造中心

而面向生產(chǎn)領(lǐng)域的電子產(chǎn)品3D打印，Nano Dimension還需要進(jìn)一步開發(fā)自由曲面3D打印和高精度的3D組裝技術(shù)。為了加快在研發(fā)進(jìn)展，2021年9月，Nano Dimension 還宣布與弗勞恩霍夫研究機(jī)構(gòu)旗下研究所Fraunhofer IPA 合作開發(fā)下一代 3D 打印系統(tǒng)。

/ 陶瓷打印

lXJet的陶瓷納米射流3D打印技術(shù)

特拉華大學(xué)研究人員通過XJet公司的陶瓷納米射流3D打印技術(shù)，并開發(fā)了一種新的無源透鏡天線。該透鏡天線可以安裝在一系列小型天線饋源的頂部，天線饋源陣列連接到波束切換電路。

這種新型波束成形透鏡開發(fā)中存在的挑戰(zhàn)是，以最小的能量損耗在任意角度散射毫米波的能力。研究人員通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)結(jié)果是，3D打印的球形球（藍(lán)色部分）可在幾乎整個(gè)半球（-90°

▲3D打印5G波束成形無源天線透鏡

? Xjet

球形球中包括許多空腔，每個(gè)腔位于天線饋源的頂部，用作半球中正確角度的波導(dǎo)，這樣可以支持同時(shí)的多光束。

Xjet的NPJ技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)通道內(nèi)壁的細(xì)節(jié)特征，具有保持波方向所需的精度和平滑度。尤其是XJet的陶瓷是一種各向同性，100％密度的陶瓷，具有正確的介電常數(shù)，不會(huì)“吸收”和削弱信號(hào)。這對(duì)于5G天線來說尤為重要，因?yàn)槿魏挝⑿〉娜莶钭兓伎赡軐?dǎo)致信號(hào)轉(zhuǎn)移到錯(cuò)誤的位置。

研究人員發(fā)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)幾乎是均勻的，介電常數(shù)很高，而損耗角正切很低。根據(jù)YSU，這為包括天線，透鏡和濾光片在內(nèi)的各種微波器件的3D打印應(yīng)用開辟了潛在市場(chǎng)。YSU用這種材料制作了兩個(gè)簡(jiǎn)單的介質(zhì)諧振器天線，測(cè)試結(jié)果表明材料特性確實(shí)可以滿足需求。

而根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，不僅是5G基站的應(yīng)用，3D打印陶瓷材料在衛(wèi)星光學(xué)鏡面、天線等電子結(jié)構(gòu)件方面具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

▲?《3D科學(xué)谷航天白皮書》

l光固化3D打印

據(jù)悉1.，華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院、電子信息功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室呂文中教授團(tuán)隊(duì)利用因泰萊激光的CeraBuilder100陶瓷激光3D打印機(jī)打印近零熱膨脹Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介電陶瓷諧振器天線與集成透鏡，在溫度穩(wěn)定的衛(wèi)星通信中具有潛在的應(yīng)用前景，該微波介電材料在高頻通訊、5G領(lǐng)域也有著非常好的應(yīng)用前景。

在航空航天等極端環(huán)境下，對(duì)高增益、低重量、寬帶寬、微型化的耐溫性能的透鏡天線有著迫切的需求。團(tuán)隊(duì)利用近零熱膨脹Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介電陶瓷材料，設(shè)計(jì)了一款天線結(jié)構(gòu)。

▲陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡

?ADVANCED MATERIALS/《Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens》

利用CeraBuilder100陶瓷3D打印機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)的透鏡天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了打印成型。

▲陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡

?ADVANCED MATERIALS/《Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens》

團(tuán)隊(duì)對(duì)打印的成品進(jìn)行了參數(shù)測(cè)量，得到了較為理想的結(jié)果，測(cè)量表明打印制作的Kuband Luneburg透鏡綜合天線在10.45-11.39 GHz和12.27-13.45 GHz的平均增益分別為8.06dBi和10.3dBi。

▲陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡

?ADVANCED MATERIALS/《Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens》

▲陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡

?ADVANCED MATERIALS/《Near-Zero Thermal Expansion Ba1-xSrxZn2Si2O7-based Microwave Dielectric Ceramics for 3D Printed Dielectric Resonator Antenna with Integrative Lens》

使其成為利用光固化3D打印技術(shù)制作集成透鏡的理想候選DRAs材料。設(shè)計(jì)的透鏡天線增益得到了增強(qiáng)，拓寬了工作帶寬（在10.45-11.39 GHz時(shí)平均增益為8.06 dBi），在12.27-13.45 GHz時(shí)平均增益為10.3 dBi。因此，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的新型透鏡天線，在溫度穩(wěn)定的衛(wèi)星通信中具有潛在的應(yīng)用前景。

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知之既深，行之則遠(yuǎn)，3D科學(xué)谷為業(yè)界提供全球視角的增材與智能制造深度觀察，有關(guān)3D打印在增材制造領(lǐng)域的更多分析，請(qǐng)持續(xù)關(guān)注3D科學(xué)谷《3D打印與電子產(chǎn)品白皮書》。

參考來源：1. 陶瓷3D打印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡天線在衛(wèi)星通信的潛在應(yīng)用