根據3D科學谷的市場研究，諾基亞早在起專利《Wireless portable electronic device having conductive body that functions as a radiator》中就揭示了關於無線行動式電子裝置的裝置製造，電子裝置包括由導電材料形成的主體，主體包括內腔和開口。還包括設定在內腔中的接地平面和電磁耦合，天線可以是環形天線和單極天線。這其中3D列印-增材製造技術在天線的製造中浮出水面。
3D列印在各種天線的製造中，有應用於行動式通訊裝置的，有應用於5G基站的，有應用於衛星接收裝置，有應用於航天器裝置上的等等，這些應用背後的技術邏輯是什麼呢？本期，3D科學谷與谷友共同來領略3D列印天線的面面觀。
3D科學谷《3D列印與電子產品白皮書 》
成就不一般的天線
3D列印正在改變天線的製造方式，拿5G基站來說，基於陣列式的多入多出(MIMO)技術使基站天線數量成倍增加，遠遠超過了移動終端使用的天線，從而大幅提高通訊頻譜效率。MIMO技術是5G通訊中比較重要的技術，根據mino技術的相關要求，5G行動通訊的天線應具有高增益、小型化、寬頻段及高隔離度等技術特徵，以滿足5G通訊的高傳輸速率、波束智慧賦形、波束能量聚集等功能。
根據中國資訊通訊研究院，預計5G在2020-2025年，將拉動中國數字經濟增長15.2萬億元，5G與人工智慧、大資料等ICT新技術融合發展，將推動數字經濟生產組織方式、資源配置效率、管理服務模式深刻變革。
MIMO天線有時被稱作空間多樣，因為它使用多空間通道傳送和接收資料，利用MIMO技術可以提高通道的容量。5G基站的天線小型化有利於陣列天線的安裝部署。頻段升高，基站數量增加也必將加強有源一體化天線的普及趨勢，一體化基站子系統將會被廣泛地應用。
根據3D科學谷的市場觀察，英國大學開發了適用於5G和毫米波（mm-wave）應用的低成本多輸入多輸出（MIMO）天線的設計和原型。這種MIMO天線透過3D列印技術製造，能夠在多個方向上傳送光束，從而在不使用移相器的情況下，在高達∓30°的高度上提供連續和實時的覆蓋範圍。
mm-Wave_Low_Cost_3D_Printed_MIMO_Antennas
這為MIMO提供了優越的優勢，是一種有吸引力的低成本技術，這種3D列印的MIMO天線適合在28 GHz 5G頻段上工作，寬頻寬效能超過4 GHz，並且在仰角平面內的波束切換能力高達∓30°。透過將具有不同高度的3D列印壁引入3D列印輻射天線一側，可以在整個頻寬上控制MIMO中單元素天線的主波束方向。與所有其他可用的光束轉向技術不同，這種不同高度的壁不僅能夠改變天線波束的方向，而且能夠在整個頻寬上同時增益總體方向性。
在3D科學谷看來，提高天線的效能，是3D列印正在改變天線製造的一大頗為“接地氣”的商業邏輯。
根據3D科學谷，目前3D列印天線的材料種類繁多，大致包括混合材料（金屬油墨與非導電材料的混合等等），陶瓷，金屬材料。在3D科學谷看來，3D列印在天線製造方面具有兩大技術邏輯：3D列印實現更復雜更精緻的結構提升天線效能；3D列印實現輕量化、結構一體化的天線結構更節約材料與空間佔用、更緊湊。
目前市場上透過3D列印天線的案例正在湧現，這些案例背後具有一定的技術邏輯支撐，一旦獲得商業化的可行性，將獲得更加廣泛的普及。
輕量化、結構一體化
Optisys是一家創新型的射頻產品開發和製造公司，該公司使用金屬增材製造生產高度整合的產品，深受各大行業領先企業的信賴。
Optisys 4×4 Ka波段跟蹤天線 – 無人機應用 SLM Solutions
Optisys公司透過SLM500 生產航天專案中的天線等零部件，要確保所生產的零部件能夠投入使用並非易事。從近地軌道使用的產品到太空探測器，增材製造的零部件必須能夠應用於整個惡劣且多變的太空環境。對於零部件而言，大氣環境下的氧原子運動就如同噴砂一般，但是在其他星球上，零部件則需要承受住高溫負荷以及極端溫度迴圈。透過選區鐳射熔化技術生產的零部件不僅實現了輕量化，其優異的效能也能夠在各種極端環境下使用。
與傳統制造方式相比，選區鐳射熔化技術可以透過整合內部的中空結構來生產輕量化零部件，確保出色的零部件質量以及一致性。既減輕了零部件重量，又實現了功能及零部件的整合，降低了零部件的生產成本以及發射成本。
OptisysX波段整合孔徑雷達- Imsar高空偵查無人機應用 SLM Solutions
金屬3D列印方面，根據3D科學谷的市場觀察，除了PBF選區金屬熔化3D列印技術，Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術，以及液態金屬3D列印也在發揮越來越重要的技術角色。
l 液態金屬列印
國內夢之墨依託中國科學院理化技術研究所、清華大學等強大技術力量和自主智慧財產權，構建了“材料-製造-應用”三位一體的柔性電路綠色生產模式，用變革性技術打破電子製造邊界。夢之墨現有桌面級電子電路快速製作系統、工業級柔性電子印刷服務平臺等業務體系，液態金屬柔性電路產品可廣泛應用於行動通訊、消費電子、汽車電子、物聯網、醫療健康、創新教育等行業。
夢之墨一直致力於液態金屬在電子增材製造領域的應用研發及產業化工作，其“基於液態金屬功能材料的增材製造與柔性電子技術”是中國原創、世界領先的先進科技成果。技術團隊基於材料屬性，利用先進的製備技術，實現了不同熔點、粘度以及電導率等液態金屬合金材料的製備；利用電子增材製造技術，實現了電子電路現場即時製作、柔性電路快速製作以及工業級超柔性電路的批次化生產需求。
多材料列印
根據ACAM亞琛增材製造中心，3D列印-增材製造的發展趨勢朝向多維度的深化層面，當前的一大發展趨勢包括多材料發展趨勢，發揮3D列印實現複雜產品的優勢（包括幾何特徵的複雜性，以及多材料結合的複雜性）是3D列印突破當前應用對經濟性要求的限制，嚮應用端深度延伸走向產業化的一條發展路徑。
3D科學谷《3D列印與電子產品白皮書 》
lAerosol Jet 氣溶膠噴射
Optomec 獲得專利的 Aerosol Jet 3D 電子印表機是一種獨特的增材電子解決方案，能夠直接列印高解析度導電電路，特徵尺寸小至 10 微米。該工藝的進一步區別在於其能夠列印到非平面基材和全三維終端部件上。生產應用包括 3D 天線、3D 感測器、醫療電子、半導體封裝和顯示器組裝的直接列印。
早期使用Optomec氣溶膠噴射3D列印技術的客戶已經將該技術應用到智慧裝置和微流控領域。使用該技術可以在無需新增支撐結構的情況下使用光聚合物等材料打印出微米級的高縱橫比以及擁有不規則形狀的3D結構。透過將這些3D結構直接噴印在天線、感測器、半導體晶片、醫療裝置或工業零部件等結構上，在一臺裝置上即可製造出功能性3D電子元件。這種直接的數字方法優化了製造工藝，減少了生產步驟和材料用量，因此氣溶膠噴射3D微結構列印技術也是一種經濟的、綠色技術。
lNano Dimension電子增材製造技術
悉尼科技大學（UTS）ProtoSpace實驗室是全球領先的增材製造機構之一，Nano Dimension公司的DragonFly LDM是業內唯一的綜合增材製造平臺。雙方透過與悉尼科技大學楊揚博士團隊試點合作，利用獨特的增材製造電子（AME）技術，發展出一個橫跨微波，毫米波和太赫茲（Terahertz）系統的基礎知識體系，藉著構建新型高效能封裝天線和小型化的電路設計以促進開發AME在5G和未來通訊的潛能及對移動裝置的創新。
AME技術製造的超透鏡天線 Nano Dimension
AME技術製造的低剖面天線陣列 Nano Dimension
AME技術不僅可以適用於初創公司及電子產業相關企業以低成本快速製作原型，而且內部開發（無須外包加工）可幫助企業維護智慧財產權和資料安全等方面的高度機密。在未來通訊的動態移動環境中，緊湊的AME天線和微波電路擺脫了當今消費電子裝置小型化帶來的尺寸侷限性，更易於整合到移動裝置中並連結數十億個高速無線系統，將為新興的智慧和沉浸式技術 (例如數字影片）建立具有多個動態波束的新天線原型，與未來的無人駕駛汽車、超低延遲虛擬現實、智慧城市和行動通訊，實現無縫遠端接軌。
AME技術製造的多層帶通濾波器 Nano Dimension
Nano Dimension獨家的奈米級銀質導電材料AgCite以及PCB電路板3D設計軟體，能夠一次性生產混和導電(金屬)和絕緣(塑膠聚合物)墨水材料的原型，精準打印出完整且多層次的PCB特徵，包含埋孔、鍍通孔的互連細節，且無須蝕刻、鑽孔、電鍍或破壞並在數小時內即可完成。
根據ACAM亞琛增材製造中心，增材製造在多功能材料方面的願景為無限組合的材料與技術，而最終的目標是點選即生產。ACAM亞琛增材製造中心定義達到這個願景的進階過程包括5個梯度，當前的世界範圍內的發展大多還處在Level 0的水平，Level 0為功能化增材製造過程，Level 1為可預測的增材製造過程，Level 2為自動化的增材製造過程，Level 3為全自動化的增材製造包括前處理與後處理，Level 4為整合化的全自動化不同製造工藝的組合。
而面向生產領域的電子產品3D列印，Nano Dimension還需要進一步開發自由曲面3D列印和高精度的3D組裝技術。為了加快在研發進展，2021年9月，Nano Dimension 還宣佈與弗勞恩霍夫研究機構旗下研究所Fraunhofer IPA 合作開發下一代 3D 列印系統。
陶瓷列印
lXJet的陶瓷奈米射流3D列印技術
特拉華大學研究人員透過XJet公司的陶瓷奈米射流3D列印技術，並開發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，天線饋源陣列連線到波束切換電路。
這種新型波束成形透鏡開發中存在的挑戰是，以最小的能量損耗在任意角度散射毫米波的能力。研究人員透過3D列印技術實現的設計結果是，3D列印的球形球（藍色部分）可在幾乎整個半球（-90°<ø<90°）上提供多個光束，同時支援從Sub-6GHz到110GHz的寬頻率頻寬適用於基站（具有新的5G頻段）和高容量毫米波回程鏈路（E波段-最高110GHz）。
3D列印5G波束成形無源天線透鏡 Xjet
球形球中包括許多空腔，每個腔位於天線饋源的頂部，用作半球中正確角度的波導，這樣可以支援同時的多光束。
Xjet的NPJ技術能夠實現每個通道內壁的細節特徵，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，不會“吸收”和削弱訊號。這對於5G天線來說尤為重要，因為任何微小的容差變化都可能導致訊號轉移到錯誤的位置。
研究人員發現晶體結構幾乎是均勻的，介電常數很高，而損耗角正切很低。根據YSU，這為包括天線，透鏡和濾光片在內的各種微波器件的3D列印應用開闢了潛在市場。YSU用這種材料製作了兩個簡單的介質諧振器天線，測試結果表明材料特性確實可以滿足需求。
而根據3D科學谷的市場觀察，不僅是5G基站的應用，3D列印陶瓷材料在衛星光學鏡面、天線等電子結構件方面具有獨特的應用優勢。
《3D科學谷航天白皮書》
l光固化3D列印
據悉1.，華中科技大學光學與電子資訊學院、電子資訊功能材料教育部重點實驗室呂文中教授團隊利用因泰萊鐳射的CeraBuilder100陶瓷鐳射3D印表機列印近零熱膨脹Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介電陶瓷諧振器天線與整合透鏡，在溫度穩定的衛星通訊中具有潛在的應用前景，該微波介電材料在高頻通訊、5G領域也有著非常好的應用前景。
在航空航天等極端環境下，對高增益、低重量、寬頻寬、微型化的耐溫效能的透鏡天線有著迫切的需求。團隊利用近零熱膨脹Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介電陶瓷材料，設計了一款天線結構。
陶瓷3D列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印表機，對設計的透鏡天線結構進行了列印成型。
團隊對列印的成品進行了引數測量，得到了較為理想的結果，測量表明打印製作的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。
使其成為利用光固化3D列印技術製作整合透鏡的理想候選DRAs材料。設計的透鏡天線增益得到了增強，拓寬了工作頻寬（在10.45-11.39 GHz時平均增益為8.06 dBi），在12.27-13.45 GHz時平均增益為10.3 dBi。因此，團隊設計的新型透鏡天線，在溫度穩定的衛星通訊中具有潛在的應用前景。
—
知之既深，行之則遠，3D科學谷為業界提供全球視角的增材與智慧製造深度觀察，有關3D列印在增材製造領域的更多分析，請持續關注3D科學谷《3D列印與電子產品白皮書》。
參考來源：1. 陶瓷3D列印近零熱膨脹微波介電陶瓷透鏡天線在衛星通訊的潛在應用
網站投稿請傳送至[email protected]
