研究人员使用3D打印MIMO天线以改善5G网络

总部位于英国的研究人员着眼于使用3D打印为5G通信系统制造低成本多输入多输出（MIMO）天线。使用3D打印制造的这些建议的MIMO能够在多个方向上传送光束，无需使用移相器即可提供连续的实时覆盖范围。此外，它们可以在28 GHz 5G频段上运行，其宽带宽性能超过4 GHz。

因此，研究人员发现，由于使用了3D打印，这些天线为实现5G和毫米波应用提供了一种低成本的选择。此外，3D打印还简化了复杂的设计选择，从而可以改变天线波束的方向，并增加其方向性。天线的侧面带有壁的示意图。

（a）前视图，（b）透视图

图片来自Shaker Alkaraki和Yue Gao

3D打印天线的优势

研究人员首先概述了目前在大多数国家/地区正在实施的即将到来的5G标准化。 5G无线技术是对当前技术的重大改进，有望将整体系统容量提高数百倍，并以更高的频谱和能源效率提高整体系统吞吐量，同时将系统延迟降至最低。 5G将在具有以下毫米波（mm-wave）频段的国家/地区引入：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打印如何成为设计天线的有效制造工艺，并已被用于生产从微波到太赫兹频率的不同频段的各种应用的天线。据中国3D打印网了解，使用3D打印提供天线解决方案具有许多优势，例如以低成本实现复杂的形状。”

实际上，欧洲航天局（ESA）等公司已经在其PROBA-3太空任务中采用了3D打印天线。该天线是由西班牙工程技术集团SENER和高级航空技术中心（CATEC）3D打印的。此外，特拉华大学（UDEL）的研究人员还使用XJet Carmel 1400系统，使用3D打印技术开发新型5G天线。总部位于亚利桑那州的雷达和天线制造商Lunewave是一家初创公司，其专有技术完全专注于3D打印透镜天线。该公司在2018年的种子轮融资中筹集了500万美元。

3D打印螺旋天线的渲染

图片来自SENER

3D打印MIMO天线原型

研究人员称，3D打印天线的过程可以分为两个阶段。首先是实际的3D打印过程本身，然后是金属化过程。研究人员解释说，与低成本的化学镀相比，使用低成本的金属化技术更为有效，因为这有助于降低3D打印天线的成本，这是首先使用增材制造的主要好处。

MIMO天线系统使用多个天线，这有助于增加系统链路容量。然而，通过传统的制造过程生产MIMO系统需要系统组件的高成本。因此，研究人员建议3D打印MIMO天线，以限制生产天线的费用，同时还使系统效率更高并使天线可操纵。作者解释说：“我们为5G毫米波基站应用提出了一种创新的低成本MIMO天线。MIMO天线是使用3D打印技术制造的，与传统天线相比，它提供了以整体降低的成本交付创新而复杂的天线设计的机会。提出的MIMO天线紧凑，低成本，高效，高增益，并且使用新颖的技术而不使用相控阵技术即可提供波束切换能力。”

壁高对天线辐射方向图的影响

图片来自Shaker Alkaraki和Yue Gao

为该研究而开发的MIMO天线原型包括2×2系统和4×3 MIMO系统。除了价格合理，效率高外，这些原型还具有通过3D打印实现的光束切换功能。每个MIMO天线都由两个主要部分组成：馈电结构和辐射结构。馈电结构设计成将电磁能耦合到辐射结构的表面，该表面是系统的3D打印部分，由一个被矩形空腔和两个波纹包围的中央槽组成。使用Objet30 3D打印机对辐射结构进行3D打印，然后使用喷射金属（JMT）喷涂金属化工艺将其金属化。这涉及在3D打印的结构上涂一层薄的银，厚度为2.5μm。

4 x 3 MIMO中存在的波束控制机制由天线侧面的3D打印金属化壁组成。取决于壁的高度，金属化的壁有助于将波束转向所需的方向，同时还可以提高天线的增益。这是由于壁高内的增量增加而引起的，而增量又使增益上升到饱和点。

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