研究人員使用3D打印MIMO天線以改善5G網(wǎng)絡(luò) 
總部位于英國(guó)的研究人員著眼于使用3D打印為5G通信系統(tǒng)制造低成本多輸入多輸出（MIMO）天線。使用3D打印制造的這些建議的MIMO能夠在多個(gè)方向上傳送光束，無(wú)需使用移相器即可提供連續(xù)的實(shí)時(shí)覆蓋范圍。此外，它們可以在28 GHz 5G頻段上運(yùn)行，其寬帶寬性能超過(guò)4 GHz。

 

因此，研究人員發(fā)現(xiàn)，由于使用了3D打印，這些天線為實(shí)現(xiàn)5G和毫米波應(yīng)用提供了一種低成本的選擇。此外，3D打印還簡(jiǎn)化了復(fù)雜的設(shè)計(jì)選擇，從而可以改變天線波束的方向，并增加其方向性。天線的側(cè)面帶有壁的示意圖。

 

 

研究人員使用3D打印MIMO天線以改善5G網(wǎng)絡(luò)

（a）前視圖，（b）透視圖

圖片來(lái)自Shaker Alkaraki和Yue Gao

 

 

3D打印天線的優(yōu)勢(shì)

 

研究人員首先概述了目前在大多數(shù)國(guó)家/地區(qū)正在實(shí)施的即將到來(lái)的5G標(biāo)準(zhǔn)化。 5G無(wú)線技術(shù)是對(duì)當(dāng)前技術(shù)的重大改進(jìn)，有望將整體系統(tǒng)容量提高數(shù)百倍，并以更高的頻譜和能源效率提高整體系統(tǒng)吞吐量，同時(shí)將系統(tǒng)延遲降至最低。 5G將在具有以下毫米波（mm-wave）頻段的國(guó)家/地區(qū)引入：24 GHz至29.5 GHz，37 GHz至42.5 GHz，47.2 GHz至48.2 GHz和64至71 GHz。

 

3D打印如何成為設(shè)計(jì)天線的有效制造工藝，并已被用于生產(chǎn)從微波到太赫茲頻率的不同頻段的各種應(yīng)用的天線。據(jù)中國(guó)3D打印網(wǎng)了解，使用3D打印提供天線解決方案具有許多優(yōu)勢(shì)，例如以低成本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形狀。”

 

實(shí)際上，歐洲航天局（ESA）等公司已經(jīng)在其PROBA-3太空任務(wù)中采用了3D打印天線。該天線是由西班牙工程技術(shù)集團(tuán)SENER和高級(jí)航空技術(shù)中心（CATEC）3D打印的。此外，特拉華大學(xué)（UDEL）的研究人員還使用XJet Carmel 1400系統(tǒng)，使用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)新型5G天線。總部位于亞利桑那州的雷達(dá)和天線制造商Lunewave是一家初創(chuàng)公司，其專有技術(shù)完全專注于3D打印透鏡天線。該公司在2018年的種子輪融資中籌集了500萬(wàn)美元。

 

 

研究人員使用3D打印MIMO天線以改善5G網(wǎng)絡(luò)

3D打印螺旋天線的渲染

圖片來(lái)自SENER

 

 

3D打印MIMO天線原型

 

研究人員稱，3D打印天線的過(guò)程可以分為兩個(gè)階段。首先是實(shí)際的3D打印過(guò)程本身，然后是金屬化過(guò)程。研究人員解釋說(shuō)，與低成本的化學(xué)鍍相比，使用低成本的金屬化技術(shù)更為有效，因?yàn)檫@有助于降低3D打印天線的成本，這是首先使用增材制造的主要好處。

 

MIMO天線系統(tǒng)使用多個(gè)天線，這有助于增加系統(tǒng)鏈路容量。然而，通過(guò)傳統(tǒng)的制造過(guò)程生產(chǎn)MIMO系統(tǒng)需要系統(tǒng)組件的高成本。因此，研究人員建議3D打印MIMO天線，以限制生產(chǎn)天線的費(fèi)用，同時(shí)還使系統(tǒng)效率更高并使天線可操縱。作者解釋說(shuō)：“我們?yōu)?G毫米波基站應(yīng)用提出了一種創(chuàng)新的低成本MIMO天線。MIMO天線是使用3D打印技術(shù)制造的，與傳統(tǒng)天線相比，它提供了以整體降低的成本交付創(chuàng)新而復(fù)雜的天線設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。提出的MIMO天線緊湊，低成本，高效，高增益，并且使用新穎的技術(shù)而不使用相控陣技術(shù)即可提供波束切換能力。”

 

 

研究人員使用3D打印MIMO天線以改善5G網(wǎng)絡(luò)

壁高對(duì)天線輻射方向圖的影響

圖片來(lái)自Shaker Alkaraki和Yue Gao

 

 

為該研究而開(kāi)發(fā)的MIMO天線原型包括2×2系統(tǒng)和4×3 MIMO系統(tǒng)。除了價(jià)格合理，效率高外，這些原型還具有通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)的光束切換功能。每個(gè)MIMO天線都由兩個(gè)主要部分組成：饋電結(jié)構(gòu)和輻射結(jié)構(gòu)。饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成將電磁能耦合到輻射結(jié)構(gòu)的表面，該表面是系統(tǒng)的3D打印部分，由一個(gè)被矩形空腔和兩個(gè)波紋包圍的中央槽組成。使用Objet30 3D打印機(jī)對(duì)輻射結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印，然后使用噴射金屬（JMT）噴涂金屬化工藝將其金屬化。這涉及在3D打印的結(jié)構(gòu)上涂一層薄的銀，厚度為2.5μm。

 

4 x 3 MIMO中存在的波束控制機(jī)制由天線側(cè)面的3D打印金屬化壁組成。取決于壁的高度，金屬化的壁有助于將波束轉(zhuǎn)向所需的方向，同時(shí)還可以提高天線的增益。這是由于壁高內(nèi)的增量增加而引起的，而增量又使增益上升到飽和點(diǎn)。