根據(jù)3D科學谷的市場觀察，3D打印在天線制造方面具有兩大技術(shù)邏輯：3D打印實現(xiàn)更復(fù)雜更精致的結(jié)構(gòu)提升天線性能；3D打印實現(xiàn)輕量化、結(jié)構(gòu)一體化的天線結(jié)構(gòu)更節(jié)約材料與空間占用、更緊湊。

目前3D打印天線的材料種類繁多，大致包括混合材料（金屬油墨與非導(dǎo)電材料的混合等等）、陶瓷、金屬及高分子材料。目前市場上通過3D打印開發(fā)天線部件的案例正在涌現(xiàn)，這些案例背后具有一定的技術(shù)邏輯支撐，一旦獲得商業(yè)化的可行性，將獲得更加廣泛的普及。

3D科學谷將分享法國電子、天線系統(tǒng)和電信實驗室通過3D打印陶瓷技術(shù)開發(fā)介質(zhì)諧振器天線部件的案例，以此來感受陶瓷3D打印技術(shù)在這一細分領(lǐng)域的應(yīng)用邏輯。

▲3D科學谷白皮書 ....

天線的小型化、寬頻帶、低損耗

隨著無線通信事業(yè)的飛速發(fā)展，對于天線的小型化、寬頻帶、低損耗等性能提出了更高的要求。雖然各種各樣的微帶天線因其低剖面、輕質(zhì)量等優(yōu)點，已經(jīng)得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，但由于在高頻段金屬歐姆損耗高和在低頻段天線幾何尺寸大這兩個關(guān)鍵性技術(shù)瓶頸的存在，其發(fā)展和應(yīng)用受到了一定的限制。近年來，介質(zhì)諧振器天線由于良好的性能而受到了廣泛的關(guān)注和研究。[1]

介質(zhì)諧振器天線是一種諧振式天線，由低損耗的微波介質(zhì)材料構(gòu)成，它的諧振頻率由諧振器尺寸、形狀和相對介電常數(shù)所決定。[1]

介質(zhì)諧振器天線的設(shè)計與外形呈現(xiàn)出多種多樣的形式。Sun G L等學者提到，在天線的外形結(jié)構(gòu)方面，介質(zhì)天線具有靈活的饋電方式和較高的設(shè)計自由度，因此目前有很多形狀各異的介質(zhì)天線[2]。

3D打印技術(shù)在實現(xiàn)精細復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)、一體化功能集成結(jié)構(gòu)方面所具有的優(yōu)勢，與介質(zhì)諧振器天線設(shè)計自由度較高的需求相得益彰。

兼得共振頻率與小型化設(shè)計

法國電子、天線系統(tǒng)和電信實驗室（LEAT,以下簡稱實驗室），正在立志于研發(fā)小型化、低損耗的設(shè)備。為了達到這一目標，該實驗室正在研究S波段天線（頻率范圍2-4 GHZ）和介質(zhì)諧振天線（DRA）。

常規(guī)天線由兩部分組成，一部分用于支持下行衛(wèi)星通信，另一部分用于上行衛(wèi)星通信，這兩部分需要兩個諧振頻率不同的介質(zhì)諧振器。

介質(zhì)諧振器在天線設(shè)備中起著巨大的作用：它們通過對空間能量的重新分配，定向地放大信號，從而提高其傳播距離。介質(zhì)諧振器通常由陶瓷材料制成，如氧化鋯，因為此材料具有較高的介電常數(shù)和較小的損耗。對于每個頻率標準，都需要一個特定的諧振器，其介電常數(shù)由材料和獨特的設(shè)計決定。然而，想要同時兼得共振頻率與小型化設(shè)計是一項大挑戰(zhàn)。

Raise3D 復(fù)志科技

在研發(fā)過程中，由于工程師要不斷測試部件設(shè)計的可行性。3D打印技術(shù)能夠滿足實驗室定制開發(fā)具有不同設(shè)計，且功能集成的緊湊型介質(zhì)諧振天線部件的需求。這為實驗室的研發(fā)工作更順暢地推進提供了保障。

初步研發(fā)結(jié)果有所突破

為了開發(fā)出理想的介質(zhì)諧振天線，LEAT選擇了具有優(yōu)異介電性能的Nanoe Zetamix白色氧化鋯3D打印線材：介電常數(shù)ε=30和低損耗：Tanδ=10-3。

另外，為了達到部件尺寸與不同部位之間介電常數(shù)的合適比例，工程師們選擇了Raise3D復(fù)志科技的Pro2 FDM/FFF 3D打印機，該設(shè)備與Nanoe 3D打印陶瓷線材能夠完美兼容。這一3D打印技術(shù)，能夠幫助工程師制造出具有控制孔隙率的陶瓷部件。

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Pro2最小噴嘴直徑可達0.2mm，最小層高可精確至0.01 mm，且運行非常穩(wěn)定，可幫助實驗室在研發(fā)過程中穩(wěn)定的產(chǎn)出高精度陶瓷介質(zhì)諧振天線部件。

打印完成后，經(jīng)過脫脂和燒結(jié)處理，陶瓷部件的致密度高達99%。

▲正在打印中的Pro2 3D打印機

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實驗室在打印介質(zhì)諧振天線部件時，選擇了0.1mm的層高，設(shè)置了2個密度分別為25%和95%的螺旋體填充。在打印完成后，進行了2小時溶劑脫脂，并以1450℃在燒結(jié)爐中進行燒結(jié)。

部件完成制作后，實驗室在一個小型微波暗室中通過添加2個射頻連接器，對放置在地板上的這些部件進行了測試。介質(zhì)諧振器被激勵于測試頻段，其全頻段的3D輻射特性通過在暗室中旋轉(zhuǎn)天線獲得。

初步測試結(jié)果顯示這個定制的介質(zhì)諧振器天線具有很高的輻射效率，與仿真結(jié)果相吻合。此外，天線的工作帶寬向高頻(2600MHz)偏移，可以在后續(xù)的天線設(shè)計中對其進行優(yōu)化。

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隨著工業(yè)和公眾需求的增加，電信行業(yè)將會繼續(xù)蓬勃發(fā)展，對于天線的小型化、寬頻帶、低損耗等性能也將提出更高的要求。通過此次3D打印介質(zhì)諧振天線的成功嘗試，法國電子、天線系統(tǒng)和電信實驗室已經(jīng)準備好迎接更多的挑戰(zhàn)。

審核編輯 ：李倩