研究人員使用3D打印MIMO天線(xiàn)以改善5G網(wǎng)絡(luò )?

研究人員使用3D打印MIMO天線(xiàn)以改善5G網(wǎng)絡(luò ) 
總部位于英國的研究人員著(zhù)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(xiàn)。使用3D打印制造的這些建議的MIMO能夠在多個(gè)方向上傳送光束，無(wú)需使用移相器即可提供連續的實(shí)時(shí)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(guò)4 GHz。

 

因此，研究人員發(fā)現，由于使用了3D打印，這些天線(xiàn)為實(shí)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(jiǎn)化了復雜的設計選擇，從而可以改變天線(xiàn)波束的方向，并增加其方向性。天線(xiàn)的側面帶有壁的示意圖。

 

 

研究人員使用3D打印MIMO天線(xiàn)以改善5G網(wǎng)絡(luò )

（a）前視圖，（b）透視圖

圖片來(lái)自Shaker Alkaraki和Yue Gao

 

 

3D打印天線(xiàn)的優(yōu)勢

 

研究人員首先概述了目前在大多數國家/地區正在實(shí)施的即將到來(lái)的5G標準化。 5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)是對當前技術(shù)的重大改進(jìn)，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(shí)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(xiàn)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用的天線(xiàn)。據中國3D打印網(wǎng)了解，使用3D打印提供天線(xiàn)解決方案具有許多優(yōu)勢，例如以低成本實(shí)現復雜的形狀。”

 

實(shí)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(xiàn)。該天線(xiàn)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，使用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)新型5G天線(xiàn)?？偛课挥趤喞Ｄ侵莸睦走_和天線(xiàn)制造商Lunewave是一家初創(chuàng )公司，其專(zhuān)有技術(shù)完全專(zhuān)注于3D打印透鏡天線(xiàn)。該公司在2018年的種子輪融資中籌集了500萬(wàn)美元。

 

 

研究人員使用3D打印MIMO天線(xiàn)以改善5G網(wǎng)絡(luò )

3D打印螺旋天線(xiàn)的渲染

圖片來(lái)自SENER

 

 

3D打印MIMO天線(xiàn)原型

 

研究人員稱(chēng)，3D打印天線(xiàn)的過(guò)程可以分為兩個(gè)階段。首先是實(shí)際的3D打印過(guò)程本身，然后是金屬化過(guò)程。研究人員解釋說(shuō)，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(xiàn)的成本，這是首先使用增材制造的主要好處。

 

MIMO天線(xiàn)系統使用多個(gè)天線(xiàn)，這有助于增加系統鏈路容量。然而，通過(guò)傳統的制造過(guò)程生產(chǎn)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(xiàn)，以限制生產(chǎn)天線(xiàn)的費用，同時(shí)還使系統效率更高并使天線(xiàn)可操縱。作者解釋說(shuō)：“我們?yōu)?G毫米波基站應用提出了一種創(chuàng )新的低成本MIMO天線(xiàn)。MIMO天線(xiàn)是使用3D打印技術(shù)制造的，與傳統天線(xiàn)相比，它提供了以整體降低的成本交付創(chuàng )新而復雜的天線(xiàn)設計的機會(huì )。提出的MIMO天線(xiàn)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。”

 

 

研究人員使用3D打印MIMO天線(xiàn)以改善5G網(wǎng)絡(luò )

壁高對天線(xiàn)輻射方向圖的影響

圖片來(lái)自Shaker Alkaraki和Yue Gao

 

 

為該研究而開(kāi)發(fā)的MIMO天線(xiàn)原型包括2×2系統和4×3 MIMO系統。除了價(jià)格合理，效率高外，這些原型還具有通過(guò)3D打印實(shí)現的光束切換功能。每個(gè)MIMO天線(xiàn)都由兩個(gè)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(gè)被矩形空腔和兩個(gè)波紋包圍的中央槽組成。使用Objet30 3D打印機對輻射結構進(jìn)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(xiàn)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(shí)還可以提高天線(xiàn)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(diǎn)。