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研究人員使用3D打印MIMO天線以改善5G網(wǎng)絡(luò)

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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(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能夠在多個方向上傳送光束，無需使用移相器即可提供連續(xù)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(fā)現(xiàn)，由于使用了3D打印，這些天線為實現(xiàn)5G和毫米波應(yīng)用提供了一種低成本的選擇。此外，3D打印還簡化了復(fù)雜的設(shè)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(cè)面帶有壁的示意圖。（a）前視圖，（b）透視圖。圖片來自Shaker Alkaraki和Yue Gao。

3D打印天線的優(yōu)勢

研究人員首先概述了目前在大多數(shù)國家/地區(qū)正在實施的即將到來的5G標準化。 5G無線技術(shù)是對當前技術(shù)的重大改進，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，例如以低成本實現(xiàn)復(fù)雜的形狀。”

實際上，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SENER和高級航空技術(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)開發(fā)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(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500萬美元。

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(xué)鍍相比，使用低成本的金屬化技術(shù)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(tǒng)使用多個天線，這有助于增加系統(tǒng)鏈路容量。然而，通過傳統(tǒng)的制造過程生產(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)天線的費用，同時還使系統(tǒng)效率更高并使天線可操縱。作者解釋說：“我們?yōu)?/span>5G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(shù)而不使用相控陣技術(shù)即可提供波束切換能力。”

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(fā)的MIMO天線原型包括2×2系統(tǒng)和4×3 MIMO系統(tǒng)。除了價格合理，效率高外，這些原型還具有通過3D打印實現(xiàn)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(jié)構(gòu)和輻射結(jié)構(gòu)。饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上涂一層薄的銀，厚度為2.5μm。