根據3D科學穀的市場研究，諾基亞(ya) 早在起專(zhuan) 利《Wireless portable electronic device having conductive body that functions as a radiator》中就揭示了關(guan) 於(yu) 無線便攜式電子裝置的設備製造，電子裝置包括由導電材料形成的主體(ti) ，主體(ti) 包括內(nei) 腔和開口。還包括設置在內(nei) 腔中的接地平麵和電磁耦合，天線可以是環形天線和單極天線。這其中3D打印-增材製造技術在天線的製造中浮出水麵。

3D打印在各種天線的製造中，有應用於(yu) 便攜式通訊設備的，有應用於(yu) 5G基站的，有應用於(yu) 衛星接收裝置，有應用於(yu) 航天器設備上的等等，這些應用背後的技術邏輯是什麽(me) 呢？本期，3D科學穀與(yu) 穀友共同來領略3D打印天線的麵麵觀。

▲©3D科學穀《3D打印與(yu) 電子產(chan) 品白皮書(shu) 》

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成就不一般的天線

3D打印正在改變天線的製造方式，拿5G基站來說，基於(yu) 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(cong) 而大幅提高通信頻譜效率。MIMO技術是5G通信中比較重要的技術，根據mino技術的相關(guan) 要求，5G移動通信的天線應具有高增益、小型化、寬頻段及高隔離度等技術特征，以滿足5G通信的高傳(chuan) 輸速率、波束智能賦形、波束能量聚集等功能。

預計5G在2020-2025年，將拉動中國數字經濟增長15.2萬(wan) 億(yi) 元，5G與(yu) 人工智能、大數據等ICT新技術融合發展，將推動數字經濟生產(chan) 組織方式、資源配置效率、管理服務模式深刻變革。

中國信息通信研究院

MIMO天線有時被稱作空間多樣，因為(wei) 它使用多空間通道傳(chuan) 送和接收數據，利用MIMO技術可以提高信道的容量。5G基站的天線小型化有利於(yu) 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(ti) 化天線的普及趨勢，一體(ti) 化基站子係統將會(hui) 被廣泛地應用。

根據3D科學穀的市場觀察，英國大學開發了適用於(yu) 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天線通過3D打印技術製造，能夠在多個(ge) 方向上傳(chuan) 送光束，從(cong) 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(wei) MIMO提供了優(you) 越的優(you) 勢，是一種有吸引力的低成本技術，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，並且在仰角平麵內(nei) 的波束切換能力高達∓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(ce) ，可以在整個(ge) 帶寬上控製MIMO中單元素天線的主波束方向。與(yu) 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(jin) 能夠改變天線波束的方向，而且能夠在整個(ge) 帶寬上同時增益總體(ti) 方向性。

在3D科學穀看來，提高天線的性能，是3D打印正在改變天線製造的一大頗為(wei) “接地氣”的商業(ye) 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(yu) 非導電材料的混合等等），陶瓷，金屬材料。在3D科學穀看來，3D打印在天線製造方麵具有兩(liang) 大技術邏輯：3D打印實現更複雜更精致的結構提升天線性能；3D打印實現輕量化、結構一體(ti) 化的天線結構更節約材料與(yu) 空間占用、更緊湊。

3D科學穀

目前市場上通過3D打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(ye) 化的可行性，將獲得更加廣泛的普及。

/ 輕量化、結構一體(ti) 化

Optisys是一家創新型的射頻產(chan) 品開發和製造公司，該公司使用金屬增材製造生產(chan) 高度集成的產(chan) 品，深受各大行業(ye) 領先企業(ye) 的信賴。

▲Optisys 4×4 Ka波段跟蹤天線 – 無人機應用 © SLM Solutions

Optisys公司通過SLM®500 生產(chan) 航天項目中的天線等零部件，要確保所生產(chan) 的零部件能夠投入使用並非易事。從(cong) 近地軌道使用的產(chan) 品到太空探測器，增材製造的零部件必須能夠應用於(yu) 整個(ge) 惡劣且多變的太空環境。對於(yu) 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循環。通過選區激光熔化技術生產(chan) 的零部件不僅(jin) 實現了輕量化，其優(you) 異的性能也能夠在各種極端環境下使用。

與(yu) 傳(chuan) 統製造方式相比，選區激光熔化技術可以通過集成內(nei) 部的中空結構來生產(chan) 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集成，降低了零部件的生產(chan) 成本以及發射成本。

▲OptisysX波段集成孔徑雷達- Imsar高空偵(zhen) 查無人機應用 © SLM Solutions

金屬3D打印方麵，根據3D科學穀的市場觀察，除了PBF選區金屬熔化3D打印技術，Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術，以及液態金屬3D打印也在發揮越來越重要的技術角色。

l 液態金屬打印

國內(nei) 夢之墨依托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知識產(chan) 權，構建了“材料-製造-應用”三位一體(ti) 的柔性電路綠色生產(chan) 模式，用變革性技術打破電子製造邊界。夢之墨現有桌麵級電子電路快速製作係統、工業(ye) 級柔性電子印刷服務平台等業(ye) 務體(ti) 係，液態金屬柔性電路產(chan) 品可廣泛應用於(yu) 移動通信、消費電子、汽車電子、物聯網、醫療健康、創新教育等行業(ye) 。

夢之墨一直致力於(yu) 液態金屬在電子增材製造領域的應用研發及產(chan) 業(ye) 化工作，其“基於(yu) 液態金屬功能材料的增材製造與(yu) 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(yu) 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(ye) 級超柔性電路的批量化生產(chan) 需求。

/ 多材料打印

3D打印-增材製造的發展趨勢朝向多維度的深化層麵，當前的一大發展趨勢包括多材料發展趨勢，發揮3D打印實現複雜產(chan) 品的優(you) 勢（包括幾何特征的複雜性，以及多材料結合的複雜性）是3D打印突破當前應用對經濟性要求的限製，向應用端深度延伸走向產(chan) 業(ye) 化的一條發展路徑。

ACAM亞(ya) 琛增材製造中心

▲©3D科學穀《3D打印與(yu) 電子產(chan) 品白皮書(shu) 》

l Aerosol Jet 氣溶膠噴射

Optomec 獲得專(zhuan) 利的 Aerosol Jet 3D 電子打印機是一種獨特的增材電子解決(jue) 方案，能夠直接打印高分辨率導電電路，特征尺寸小至 10 微米。該工藝的進一步區別在於(yu) 其能夠打印到非平麵基材和全三維終端部件上。生產(chan) 應用包括 3D 天線、3D 傳(chuan) 感器、醫療電子、半導體(ti) 封裝和顯示器組裝的直接打印。

早期使用Optomec氣溶膠噴射3D打印技術的客戶已經將該技術應用到智能設備和微流控領域。使用該技術可以在無需添加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。通過將這些3D結構直接噴印在天線、傳(chuan) 感器、半導體(ti) 芯片、醫療設備或工業(ye) 零部件等結構上，在一台設備上即可製造出功能性3D電子組件。這種直接的數字方法優(you) 化了製造工藝，減少了生產(chan) 步驟和材料用量，因此氣溶膠噴射3D微結構打印技術也是一種經濟的、綠色技術。

l Nano 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(ye) 內(nei) 唯一的綜合增材製造平台。雙方通過與(yu) 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(ge) 橫跨微波，毫米波和太赫茲(zi) （Terahertz）係統的基礎知識體(ti) 係，借著構建新型高性能封裝天線和小型化的電路設計以促進開發AME在5G和未來通信的潛能及對移動設備的創新。

▲ AME技術製造的超透鏡天線

© Nano Dimension

▲AME技術製造的低剖麵天線陣列

© Nano Dimension

AME技術不僅(jin) 可以適用於(yu) 初創公司及電子產(chan) 業(ye) 相關(guan) 企業(ye) 以低成本快速製作原型，而且內(nei) 部開發（無須外包加工）可幫助企業(ye) 維護知識產(chan) 權和數據安全等方麵的高度機密。在未來通信的動態移動環境中，緊湊的AME天線和微波電路擺脫了當今消費電子設備小型化帶來的尺寸局限性，更易於(yu) 集成到移動設備中並鏈接數十億(yi) 個(ge) 高速無線係統，將為(wei) 新興(xing) 的智能和沉浸式技術 (例如數字視頻）創建具有多個(ge) 動態波束的新天線原型，與(yu) 未來的無人駕駛汽車、超低延遲虛擬現實、智能城市和移動通信，實現無縫遠程接軌。

▲AME技術製造的多層帶通濾波器

© Nano Dimension

Nano Dimension獨家的納米級銀質導電材料AgCite以及PCB電路板3D設計軟件，能夠一次性生產(chan) 混和導電(金屬)和絕緣(塑料聚合物)墨水材料的原型，精準打印出完整且多層次的PCB特征，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(nei) 即可完成。

增材製造在多功能材料方麵的願景為(wei) 無限組合的材料與(yu) 技術，而最終的目標是點擊即生產(chan) 。ACAM亞(ya) 琛增材製造中心定義(yi) 達到這個(ge) 願景的進階過程包括5個(ge) 梯度，當前的世界範圍內(nei) 的發展大多還處在Level 0的水平，Level 0為(wei) 功能化增材製造過程，Level 1為(wei) 可預測的增材製造過程，Level 2為(wei) 自動化的增材製造過程，Level 3為(wei) 全自動化的增材製造包括前處理與(yu) 後處理，Level 4為(wei) 集成化的全自動化不同製造工藝的組合。

ACAM亞(ya) 琛增材製造中心

而麵向生產(chan) 領域的電子產(chan) 品3D打印，Nano Dimension還需要進一步開發自由曲麵3D打印和高精度的3D組裝技術。為(wei) 了加快在研發進展，2021年9月，Nano Dimension 還宣布與(yu) 弗勞恩霍夫研究機構旗下研究所Fraunhofer IPA 合作開發下一代 3D 打印係統。

/ 陶瓷打印

lXJet的陶瓷納米射流3D打印技術

特拉華大學研究人員通過XJet公司的陶瓷納米射流3D打印技術，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係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。研究人員通過3D打印技術實現的設計結果是，3D打印的球形球（藍色部分）可在幾乎整個(ge) 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(ge) 腔位於(yu) 天線饋源的頂部，用作半球中正確角度的波導，這樣可以支持同時的多光束。

Xjet的NPJ技術能夠實現每個(ge) 通道內(nei) 壁的細節特征，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，不會(hui) “吸收”和削弱信號。這對於(yu) 5G天線來說尤為(wei) 重要，因為(wei) 任何微小的容差變化都可能導致信號轉移到錯誤的位置。

研究人員發現晶體(ti) 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(wei) 包括天線，透鏡和濾光片在內(nei) 的各種微波器件的3D打印應用開辟了潛在市場。YSU用這種材料製作了兩(liang) 個(ge) 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科學穀的市場觀察，不僅(jin) 是5G基站的應用，3D打印陶瓷材料在衛星光學鏡麵、天線等電子結構件方麵具有獨特的應用優(you) 勢。

▲©《3D科學穀航天白皮書(shu) 》

l光固化3D打印

據悉1.，華中科技大學光學與(yu) 電子信息學院、電子信息功能材料教育部重點實驗室呂文中教授團隊利用因泰萊激光的CeraBuilder100陶瓷激光3D打印機打印近零熱膨脹Ba1-xSrxZn2Si2O7基微波介電陶瓷諧振器天線與(yu) 集成透鏡，在溫度穩定的衛星通信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、寬帶寬、微型化的耐溫性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，對設計的透鏡天線結構進行了打印成型。

▲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》

團隊對打印的成品進行了參數測量，得到了較為(wei) 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(wei) 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(wei) 利用光固化3D打印技術製作集成透鏡的理想候選DRAs材料。設計的透鏡天線增益得到了增強，拓寬了工作帶寬（在10.45-11.39 GHz時平均增益為(wei) 8.06 dBi），在12.27-13.45 GHz時平均增益為(wei) 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信中具有潛在的應用前景。

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知之既深，行之則遠，3D科學穀為(wei) 業(ye) 界提供全球視角的增材與(yu) 智能製造深度觀察，有關(guan) 3D打印在增材製造領域的更多分析，請持續關(guan) 注3D科學穀《3D打印與(yu) 電子產(chan) 品白皮書(shu) 》。

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星通信的潛在應用