北理工何汝杰副教授團(tuán)隊：用于5G通信的3D打印天線:當(dāng)前進(jìn)展和未來挑戰(zhàn)

來源 :機(jī)械工程學(xué)報

隨著5G時代的到來，通信系統(tǒng)逐漸向毫米波和更高頻率發(fā)展，這就要求天線等5G器件必須具有高增益、寬帶寬和低損耗等特性。相較于傳統(tǒng)制造，3D打印具有低成本、快速成型、材料利用率高等優(yōu)勢。尤其是，3D打印離散-堆積的制造方式，極其適合復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的制備，從而為復(fù)雜異形天線的先進(jìn)制造提供了創(chuàng)新途徑。目前3D打印技術(shù)可實現(xiàn)多種材料制造天線，包括聚合物、金屬、陶瓷和復(fù)合材料。所覆蓋的天線頻率覆蓋10GHz的低頻甚至太赫茲，可實現(xiàn)最高增益30dBi左右，同時實現(xiàn)高效率的發(fā)射與接收。此外，3D打印制造天線可應(yīng)用于包括5G通訊、GPS、雷達(dá)、遙感、衛(wèi)星等多個領(lǐng)域，是全球無線通訊技術(shù)的發(fā)展的重要組成。

本綜述旨在歸納總結(jié)當(dāng)前各類3D打印天線的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀，并對未來可能的發(fā)展方向進(jìn)行一定思考，期待為本領(lǐng)域研究提供一定借鑒與參考。

圖1 3D打印天線簡介

研究難點或瓶頸
材料方面：目前缺少專用于天線制造的3D打印材料；材料的導(dǎo)電性差，損耗高，限制高性能天線的制造。

結(jié)構(gòu)方面：精度和粗糙度的限制影響了3D打印天線的進(jìn)一步發(fā)展。

功能方面：多材料集成系統(tǒng)難以制造，打印精度與打印速度難以同時提高等，影響多功能、高性能微波系統(tǒng)的制造。

3D打印天線的挑戰(zhàn)和前景

展望
隨著5G及未來6G通訊系統(tǒng)的發(fā)展，對射頻系統(tǒng)中發(fā)揮重要功能的天線提出了更高的要求，天線愈加復(fù)雜化、小型化以及高集成度，而通過層層堆積的3D打印天線有望滿足這些要求。但目前，3D打印天線的發(fā)展還存在許多挑戰(zhàn)。首先，在材料方面，需要研究新型可控電磁性能的材料、高導(dǎo)電的可打印材料；在結(jié)構(gòu)方面，需致力于解決如何進(jìn)一步提高精度、降低粗糙度，同時開發(fā)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計；在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)多材料3D打印、多尺度3D打印、全3D打印和一體化3D打印，為實現(xiàn)全3D打印的多功能、高性能的微波射頻系統(tǒng)提供新的實現(xiàn)方式。


團(tuán)隊帶頭人介紹

何汝杰，北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院副教授、博士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷增材制造研究。主持國家自然科學(xué)基金項目3項、北京市自然科學(xué)基金項目1項、及各類國家/國防課題項目10余項。至今以第一作者/通訊作者發(fā)表SCI論文110余篇，SCI他引2500余次，H因子32。授權(quán)專利10余件。兼任輕量化多功能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)北京市重點實驗室副主任，中國硅酸鹽學(xué)會特種陶瓷分會青年工作委員會副秘書長等。擔(dān)任SCI期刊Int J Appl Ceram Technol副主編，J Adv Ceram編委，Rare Met（《稀有金屬》）、J Inorg Mater（《無機(jī)材料學(xué)報》）青年編委，Materials、Adv Mater Science Eng客座編輯，《材料工程》、《航空材料學(xué)報》、《硅酸鹽通報》、《陶瓷學(xué)報》、《現(xiàn)代技術(shù)陶瓷》等期刊編委或青年編委等。2015年，獲中國科協(xié)首批“青年人才托舉工程”；2022年，參與身份獲國防科技進(jìn)步一等獎。

徐浩，現(xiàn)任中國計量科學(xué)研究院副研究員，從事毫米波太赫茲頻段材料電磁特性計量技術(shù)研究。近五年來先后主持和參與科技部重點研發(fā)計劃、自然科學(xué)基金等多項課題。起草制定國家計量規(guī)程規(guī)范3項，發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。