5G網(wǎng)絡(luò)信號增強(qiáng)！3D打印MIMO天線

來源：中關(guān)村在線

導(dǎo)讀：英國研究人員正在利用3D打印為5G通信網(wǎng)絡(luò)制造天線，這種低成本的多輸入多輸出（MIMO）天線將改善5G網(wǎng)絡(luò)性能。

使用3D打印制造的MIMO能夠在多個方向上傳送光束，無需使用移相器即可提供連續(xù)的實時覆蓋范圍。此外，它們可以在28 GHz 5G頻段上運(yùn)行，實現(xiàn)4 GHz的寬帶寬性能，由于使用了3D打印技術(shù)，這種天線為實現(xiàn)5G和毫米波應(yīng)用提供了低成本的選擇。此外3D打印還簡化了復(fù)雜的設(shè)計從而可以改變天線波束的方向，并增加其指向性。

新型天線側(cè)壁示意圖

3D打印天線的優(yōu)勢
研究人員首先概述了目前在大多數(shù)國家/地區(qū)正在實施的即將到來的5G標(biāo)準(zhǔn)化。5G無線技術(shù)是對當(dāng)前技術(shù)的重大改進(jìn)，有望將整體系統(tǒng)容量提高數(shù)百倍，并以更高的頻譜和能源效率提高整體系統(tǒng)吞吐量，同時將系統(tǒng)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(qū)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。

作者繼續(xù)說明了3D打印如何成為設(shè)計天線的有效制造工藝，并已被用于生產(chǎn)從微波到T級赫茲頻率的不同頻段的各種應(yīng)用的天線。研究人員解釋說：“使用3D打印提供天線解決方案具有許多優(yōu)勢，能夠以低成本實現(xiàn)復(fù)雜的形狀。”

實際上，歐洲航天局（ESA）已經(jīng)在PROBA-3太空任務(wù)中實現(xiàn)了3D打印天線。該天線由西班牙工程技術(shù)集團(tuán)SENER和高級航空技術(shù)中心（CATEC）3D打印。此外，特拉華大學(xué)（UDEL）的研究人員還使用XJet Carmel 1400系統(tǒng)，使用3D打印技術(shù)開發(fā)新型5G天線�？偛课挥趤喞�桑那州的雷達(dá)和天線制造商Lunewave是一家初創(chuàng)公司，其專有技術(shù)完全專注于3D打印天線；該公司在2018年的種子輪融資中籌集了500萬美元。

3D打印螺旋天線效果圖

3D打印MIMO天線原型
研究人員稱，3D打印天線的過程可以分為兩個階段。與化學(xué)電鍍相比，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打印天線的成本，這是首先使用增材制造的主要好處。

MIMO天線系統(tǒng)使用多個天線，這有助于增加系統(tǒng)鏈路容量。然而，通過傳統(tǒng)的制造過程生產(chǎn)MIMO系統(tǒng)需要高成本的模具材料。因此，研究人員建議3D打印MIMO天線，以降低生產(chǎn)天線的費(fèi)用，同時還使系統(tǒng)效率更高并使天線可操縱。

作者解釋說：“我們?yōu)?G毫米波基站應(yīng)用提出了一種創(chuàng)新的低成本MIMO天線——使用3D打印技術(shù)制造；與傳統(tǒng)天線相比，它提供了創(chuàng)新性的以整體低成本交付復(fù)雜的天線設(shè)計 。3D打印MIMO天線緊湊、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�！�

壁高（）對天線輻射方向圖的影響

為該研究而開發(fā)的MIMO天線原型包括2×2系統(tǒng)和4×3 MIMO系統(tǒng)。除了價格合理，效率高外，這些原型還具有通過3D打印實現(xiàn)的光束切換功能。每個MIMO天線都由兩個主要部分組成：饋電結(jié)構(gòu)和輻射結(jié)構(gòu)。饋電結(jié)構(gòu)設(shè)計成將電磁能耦合到輻射結(jié)構(gòu)的表面，該表面是系統(tǒng)的3D打印部分，由一個被矩形空腔和兩個波紋包圍的中央槽組成。使用Objet30 3D打印機(jī)對輻射結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jī)制由天線側(cè)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(zhuǎn)向所需的方向，同時還可以提高天線的增益。這是由于壁高內(nèi)的增量增加而引起的，而增量又使增益上升到飽和點(diǎn)。在研究結(jié)束時，作者寫道：“最后，對所建議的MIMO天線的性能進(jìn)行了測量，并發(fā)現(xiàn)其可以通過數(shù)值模擬工具進(jìn)行預(yù)測�！�

倫敦瑪麗皇后大學(xué)的博士后研究員Shaker Alkaraki與薩里大學(xué)通信系統(tǒng)研究所的無線通信教授高悅（音譯）撰寫了關(guān)于此研究的論文，名為《使用3D打印為5G通信系統(tǒng)制造的具有波束切換能力的毫米波低成本MIMO天線》。