特拉华大学通过XJet公司的陶瓷3D打印技术，开发了用于5G通信的复杂波束成形无源天线透镜。3D科学谷在《克服5G网络障碍，使用3D打印陶瓷天线》一文中进行了分享。
本期，3D科学谷将与谷友继续探讨这一应用，并分享这种新型波束成形天线透镜开发中存在的挑战，以及特拉华大学在陶瓷3D打印天线透镜开发中所获得的结果。
Xjet公司CEO Dror Danai介绍陶瓷5G天线3D打印技术
减少能量损耗，提高波束控制能力
l MIMO技术
5G为第五代移动通信技术的简称，5G通讯就是指通讯频率提高到5GHz范围。5G将提供更高的频谱和能源效率，同时最大程度地减少系统延迟。
与以往技术不同的是，5G 包括几种不同的频段。其中使用低于6 GHz的较低频段的人口众多，可用带宽有限。因此为了满足5G 的要求，很多国家已批准了毫米波的几个频段，其中包括：24 GHz至29.5 GHz，37 GHz至42.5 GHz，47.2 GHz至48.2 GHz和64至71 GHz。我国的5G初始中频频段为3.3-3.6GHz和4.8-5GHz两个频段，24.75-27.5GHz、37-42.5GHz高频频段正在研发之中；而国际上主要使用28GHz进行试验。
毫米波最大优点为传播速度快，随之带来的最大缺点就是穿透力差、衰减大。在毫米波频段上为蜂窝应用建立可靠的通信链路提供了巨大的机会，毫米波段可提供更宽的带宽，紧凑的天线尺寸和更小的尺寸。但是毫米波频段技术也存在很多挑战，如高大气信号衰减、阴影和系统组件的高成本。
毫米波信号的衰减主要取决于传播距离、天气条件和工作频率。阴影是信号丢失的另一个重要来源。这些损耗对天线开发提出了挑战，同时也对开发高效、可操纵和高增益的天线提出需求，从而克服这些损耗，建立毫米波频率下的高质量通信链路。
基于阵列式的多入多出(MIMO)技术使基站天线数量成倍增加，远远超过了移动终端使用的天线，从而大幅提高通信频谱效率。MIMO技术是5G通信中比较重要的技术，根据mino技术的相关要求，5G移动通信的天线应具有高增益、小型化、宽频段及高隔离度等技术特征，以满足5G通信的高传输速率、波束智能赋形、波束能量聚集等功能。
由于系统设计中使用移相器等元件成本很高，因此开发能够具有高增益和波束控制功能的5G毫米波基站天线和RF 前段解决方案，非常复杂并且昂贵。在5G毫米波天线制造中，需要一种经济高效的方式生产天线基站，从机械可控技术的有源相控阵转向无源器件，将降低天线技术的生产成本，并随后减少维护需求。
l 5G光束成形透镜
3D打印5G波束成形无源天线透镜
特拉华大学研究人员尝试了XJet公司的陶瓷纳米射流3D打印技术，并开发了一种新的无源透镜天线。该透镜天线可以安装在一系列小型天线馈源的顶部，天线馈源阵列连接到波束切换电路。
这种新型波束成形透镜开发中存在的挑战是，以最小的能量损耗在任意角度散射毫米波的能力。研究人员通过3D打印技术实现的设计结果是，3D打印的球形球（蓝色部分）可在几乎整个半球（-90°<ø<90°）上提供多个光束，同时支持从Sub-6GHz到110GHz的宽频率带宽适用于基站（具有新的5G频段）和高容量毫米波回程链路（E波段-最高110GHz）。
球形球中包括许多空腔，每个腔位于天线馈源的顶部，用作半球中正确角度的波导，这样可以支持同时的多光束。
l 寻找理想的材料
除了完成透镜天线的设计之外，还有一个挑战是寻找能够将干扰和能量损失降至最低的最佳材料。
研究人员在检查了几种材料之后，选择了氧化锆（ZrO2），因为它的介电常数Dk = 32.2是几乎平坦的，并且在整个光谱范围内损耗很小。 他们对氧化锆与PBG进行了一些测量和模拟，结果表明氧化锆的透射率在0到-10dB之间，而PBG材料显示的透射率在0到-44dB之间不一致。
烧结后，氧化锆以其卓越的耐用性、耐磨性、硬度和韧性表现出另一个重要特征：这种材料在波束天线的顶部已经使用了很多年，无需任何维护。
在设计与材料的选定完成后，接下来是对制造技术的考验。制造技术需要能够实现以下需求：
- 空心腔和孔-用于创建毫米波波导；
- 相对小巧轻便-能够承受可能在安装的天线上发出的机械力，占地面积减少，但仍可实现更高的耐用性并减少对基站的维护；
- 整体式结构-没有活动部件；
- 出色的耐用性、耐磨性、硬度和韧性；
- 高精度和精细的细节；
- 出色的清晰度–任何不平坦的表面都会在内部将波散射到波导内，因此锐利、光滑的内外表面至关重要 。
特拉华大学研究团队通过XJet 的陶瓷纳米射流3D打印技术达到了以上要求。测试结果为：
- 高精度和精细的细节–同时构建内部空腔或波导；
- 出色的清晰度-可减少能量损失或内部吸收；
- 高达99.9％的致密度-从而得到平坦的均质介电性能（Dk = 32.2）；
- 可以处理不同频率的多个定制零件的高生产率-在相同的托盘上花费相同的时间来生产不同的天线尺寸，满足不同的频率需求。
5G建设对天线设计、节能降耗、中高频器件提出了更高的要求，Massive MIMO等5G创新技术的出现推动光纤等产业向高附加值产业发展，技术要求提升，倒逼中低端产业升级。了解5G技术政策环境与市场机遇，5G天线市场，5G 散热器市场，5G 小基站、滤波器市场，四个方面分析了5G 市场的发展潜力，技术需求与挑战，以及3D打印技术在赋能高附加值、复杂5G通信设备零部件制造中的机遇，请前往《3D打印与5G 白皮书》；了解陶瓷3D打印技术的发展，请前往《3D打印与陶瓷白皮书》。
参考资料：
HOW ADDITIVE MANUFACTURING CAN HELP 5G. By Rafie Grinvald, Vice President of Product Management & Marketing at XJet. https://www.ien.eu
《5G发展背后的新材料》，艾邦高分子。
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