北理工-3D打印技术在5G通讯天线中的应用进展与挑战！

1. 介绍

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。

2. 天线3D打印技术

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。

3. 不同类型材料3D打印天线

目前热塑性塑料、树脂、陶瓷材料和金属粉末已经被用于制造天线。总体而言3D打印天线按制造所用材料可分为以下几类：1）聚合物天线；2）陶瓷天线；3）直接用导电材料打印或用介电材料打印然后金属化的金属天线；4）复合材料天线，主要是指聚合物基体与陶瓷的结合；5）多材料集成天线，主要是不同部分由导体和介质材料组成的天线。

3D打印聚合物天线，在天线制造中，因为它们比导电材料更容易打印。因此，3D打印是制造透镜等介质天线的最合适方法。透镜天线是一种很有前途的高频和高度定向天线，并且已被证明可以在从微波到毫米波、亚毫米波和THz各种频率范围内所有常见的3D打印工艺制备。此外Luneburg透镜(LL)在雷达和卫星系统中引起了人们的关注，传统LL是一种对称的球面渐变折射率透镜。目前使用Poly-jet已经打印了一个LL原型。图4c是简化的球形LL用聚合物材料打印，采用棒状结构作为晶胞，它的工作频段可以覆盖整个波段。图4d是使用PLA+以低成本为X波段打印了一个额外的宽带圆偏振球形LL。图4f是使用SLA成功打印的LL，图4g是使用计算机数控加工制造的透镜。平面LL通常设计为具有多层的环形结构，如图5所示，它是使用SLA打印的，使用的材料是甲基丙烯酸酯单体、甲基丙烯酸酯低聚物和光引发剂的复合材料。图5d-g是通过具有不同相对介电常数值的五种不同ABS灯丝打印的平面LL（图5e）。与之前的天线不同，平面LL的六层是使用PLA材料通过FDM打印的，如图5h。 

图4 Luneburg透镜(LL)的3D打印研究 

除透镜天线外，喇叭也是毫米波和亚毫米波应用的热门天线备用选择。目前已经通过SLM制造铝合金和铜双脊方形喇叭天线，如图6所示。为提高电镀效果，可以在3D打印原型的表面上吸附一层催化活性贵金属。在电镀前100h，将厚度约为6nm的薄金层溅射到聚合物结构的背面作为种子层，图7显示了其中一个制造的原型。铜用于使用各种方法对不同类型的天线进行金属化。除电镀外，铜还可用于以铜漆和铜带的形式对天线进行金属化。例如用尼龙PA 2200打印的天线，被几层铜漆覆盖，如图7c。使用SLA打印波纹锥形喇叭天线，然后涂上导电气溶胶涂层，如图7e所示。使用3D打印制造的天线的后金属化是低成本制造5G天线的有希望的候选方法。使用这种方法制造的微波元件重量轻（与传统生产工艺和金属制造的相同元件相比）。然而这些零件机械降低低。此外，金属涂层聚合物组件不适合在恶劣环境或大功率应用中使用。 图6 3D打印的铝合金和铜双脊方形喇叭;（c）SLM Cu–15Sn锥形喇叭天线;（d） 轴向波纹喇叭;（e，f）DMLS制造的共形天线;（g、h）双分形天线和逆双分形天线;（i）带有导电灯丝的喇叭天线 

图7 3D打印的各种镀导电层天线

与聚合物相比，陶瓷材料可以提供更广泛的介电常数和更稳定的机械性能。微波介质陶瓷在微波介质材料中也起着关键作用，图8a-b的天线是由陶瓷材料打印制备的。通过设计3D晶格获得所需有效介电常数。除透镜外，陶瓷材料还可用于打印其他类型的介电天线。例如图8f是使用Al通过3D打印技术制造的高性能陶瓷反射阵列天线。与天线参数值相似的传统金属相比表现出更高的性能并且重量轻。此外与聚合物相比，陶瓷材料具有更广泛的介电常数和更稳定的机械性能，从而确保更容易控制材料性能。多项研究表明陶瓷天线具有出色的辐射性能，随着可打印陶瓷的使用，3D打印天线将变得更为常见。 

图8 由陶瓷打印的各种天线

为实现更高的性能指标或更具体的功能，天线的不同部分可以由几种不同的材料组成，包括聚合物、金属、陶瓷和复合材料的组合。例如，由复合材料和聚合物组成的多层天线，如图9所示。此外采用纯金属线，材料的导电性大幅提升。在天线的设计和制造中还会使用多种材料，以实现电磁特性的空间控制和所需的辐射性能。图10显示了不同材料的3D打印天线的比较。很明显与其他天线类型相比，3D打印聚合物天线是最具成本效益的。采用聚合物材料可以实现满足5G通信系统要求的轻量化天线。然而与金属天线相比，聚合物天线的机械性能较弱。通过3D打印制造的金属天线具有很强的机械强度，然而它们的重量大和表面粗糙度高限制了它们在通信系统中的高频应用。与全金属天线相比，3D打印后通过金属化制造的金属天线具有显着降低的材料成本和重量优势。然而，它们机械不高，不适合在恶劣环境或大功率应用中使用。陶瓷材料提供比聚合物材料更宽范围的介电常数和更稳定的机械性能。通过新颖的天线设计和高介电常数材料的组合，天线的小型化是可行的。

图9 由复合材料和聚合物组成的多层介电棒天线 

图10 3D打印天线与不同材料的比较

4. 挑战与展望

在天线设计和制造中，需要考虑用于构建结构的材料，由材料决定的电磁特性对于天线的性能至关重要。因此需要开发具有所需电磁特性的材料。图11显示了介电常数较高的材料对减小天线尺寸的重要性。图12显示了3D打印天线的挑战和前景，通过材料开发和结构控制构建整体天线系统。全3D打印和一体式3D打印可以降低天线制备的复杂性，可以满足天线结构复杂、集成度高、重量轻、小型化的要求。此外可以实现高增益、宽带宽、良好辐射效率和可靠辐射的5G天线。 

图11 介电常数较高的材料对减小天线尺寸的重要性 

5. 结论

总之，目前已经开展了不同材料分类的各种频段的3D打印天线研究，包括3D打印聚合物天线、金属天线、陶瓷天线、复合天线和多材料集成天线。根据成本和重量等因素权衡了所有类型天线的优缺点。此外详细阐述了适用于天线的3D打印技术。最后探讨并提出了3D打印天线的进一步发展方向，以实现完整且功能齐全的天线和微波系统。

推荐：https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100065