研究人員使用3D打印MIMO天線以改善5G網絡 
總部位于英國的研究人員著眼于使用3D打印為5G通信系統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能夠在多個方向上傳送光束，無需使用移相器即可提供連續的實時覆蓋范圍。此外，它們可以在28 GHz 5G頻段上運行，其寬帶寬性能超過4 GHz。

 

因此，研究人員發現，由于使用了3D打印，這些天線為實現5G和毫米波應用提供了一種低成本的選擇。此外，3D打印還簡化了復雜的設計選擇，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網絡

（a）前視圖，（b）透視圖

圖片來自Shaker Alkaraki和Yue Gao

 

 

3D打印天線的優勢

 

研究人員首先概述了目前在大多數國家/地區正在實施的即將到來的5G標準化。 5G無線技術是對當前技術的重大改進，有望將整體系統容量提高數百倍，并以更高的頻譜和能源效率提高整體系統吞吐量，同時將系統延遲降至最低。 5G將在具有以下毫米波（mm-wave）頻段的國家/地區引入：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打印如何成為設計天線的有效制造工藝，并已被用于生產從微波到太赫茲頻率的不同頻段的各種應用的天線。據中國3D打印網了解，使用3D打印提供天線解決方案具有許多優勢，例如以低成本實現復雜的形狀。”

 

實際上，歐洲航天局（ESA）等公司已經在其PROBA-3太空任務中采用了3D打印天線。該天線是由西班牙工程技術集團SENER和高級航空技術中心（CATEC）3D打印的。此外，特拉華大學（UDEL）的研究人員還使用XJet Carmel 1400系統，使用3D打印技術開發新型5G天線。總部位于亞利桑那州的雷達和天線制造商Lunewave是一家初創公司，其專有技術完全專注于3D打印透鏡天線。該公司在2018年的種子輪融資中籌集了500萬美元。

 

 

研究人員使用3D打印MIMO天線以改善5G網絡

3D打印螺旋天線的渲染

圖片來自SENER

 

 

3D打印MIMO天線原型

 

研究人員稱，3D打印天線的過程可以分為兩個階段。首先是實際的3D打印過程本身，然后是金屬化過程。研究人員解釋說，與低成本的化學鍍相比，使用低成本的金屬化技術更為有效，因為這有助于降低3D打印天線的成本，這是首先使用增材制造的主要好處。

 

MIMO天線系統使用多個天線，這有助于增加系統鏈路容量。然而，通過傳統的制造過程生產MIMO系統需要系統組件的高成本。因此，研究人員建議3D打印MIMO天線，以限制生產天線的費用，同時還使系統效率更高并使天線可操縱。作者解釋說：“我們為5G毫米波基站應用提出了一種創新的低成本MIMO天線。MIMO天線是使用3D打印技術制造的，與傳統天線相比，它提供了以整體降低的成本交付創新而復雜的天線設計的機會。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而不使用相控陣技術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網絡

壁高對天線輻射方向圖的影響

圖片來自Shaker Alkaraki和Yue Gao

 

 

為該研究而開發的MIMO天線原型包括2×2系統和4×3 MIMO系統。除了價格合理，效率高外，這些原型還具有通過3D打印實現的光束切換功能。每個MIMO天線都由兩個主要部分組成：饋電結構和輻射結構。饋電結構設計成將電磁能耦合到輻射結構的表面，該表面是系統的3D打印部分，由一個被矩形空腔和兩個波紋包圍的中央槽組成。使用Objet30 3D打印機對輻射結構進行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打印的結構上涂一層薄的銀，厚度為2.5μm。

 

4 x 3 MIMO中存在的波束控制機制由天線側面的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向所需的方向，同時還可以提高天線的增益。這是由于壁高內的增量增加而引起的，而增量又使增益上升到飽和點。