《Scientific Reports》：3D打印制造含有匹配層的平板透鏡，可用于毫米波！

南極熊獲悉，2022年3月，馬德里卡洛斯三世大學(xué)信號(hào)理論與通信系（Department of Signal Theory and Communication, University Carlos IIIof Madrid）的研究者們?cè)凇禨cientific Reports》發(fā)表了一項(xiàng)新研究，他們利用3D打印制作了一種可用于Ka頻段的寬帶高性價(jià)平板透鏡天線，并在原始鏡頭設(shè)計(jì)中添加匹配層。由此產(chǎn)生的透鏡是全介質(zhì)、低成本、全3D打印和平面的，在整個(gè)Ka頻段具有高增益特性，適合5G技術(shù)等新的通信系統(tǒng)。

△3D打印制造的平面透鏡天線。(A)俯視圖(B)正交視圖

●Ka波段：是電磁頻譜的微波波段的一部分，Ka波段的頻率范圍為26.5-40GHz。Ka波段也被稱作30/20GHz波段，通常用于衛(wèi)星通信。

●透鏡天線：一種能夠通過電磁波，將點(diǎn)源或線源的球面波或柱面波轉(zhuǎn)換為平面波從而獲得筆形、扇形或其他形狀波束的天線。

研究背景：

新一代通信系統(tǒng)正逐漸向電磁波頻譜的更高部分?jǐn)U展，即毫米波。頻率上移帶來的主要問題是傳播損耗增加，因此需要使用高增益天線解決這一問題。傳統(tǒng)的解決方案是使用打印技術(shù)作為貼片陣列，實(shí)現(xiàn)高增益，但這需要復(fù)雜而昂貴的饋電網(wǎng)絡(luò)，并且還受到介電和導(dǎo)電損耗的影響。因此，透鏡天線已成為解決上述問題的優(yōu)選解決方案。

透鏡天線的優(yōu)點(diǎn)是不需要昂貴或復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，然而，由于其復(fù)雜的形狀和材料的可用性問題，很難通過標(biāo)準(zhǔn)的制造方法制造透鏡天線，以達(dá)到特定的折射率。近年來用于制造高頻結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)是3D打印。

在本研究中，研究人員提出了一種在Ka波段工作的平面介電透鏡天線，避免了形狀修改，場(chǎng)變換方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，透鏡每個(gè)區(qū)域的不同相對(duì)介電常數(shù)，以便將入射到透鏡一側(cè)的球面波在其出口處轉(zhuǎn)換為平面波。

研究?jī)?nèi)容：

1.透鏡天線的設(shè)計(jì)和仿真

△梯度折射率平面透鏡示意圖。

△對(duì)3D打印平板透鏡在27GHz、34GHz和40 Hz下的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。上圖：電場(chǎng)大小。下圖：增益輻射模式。

2. 3D打印制造平板透鏡

設(shè)計(jì)完成并通過仿真驗(yàn)證后，研究人員對(duì)平板透鏡進(jìn)行制造。因?yàn)樾枰�獲得在設(shè)計(jì)過程中的每個(gè)環(huán)的比介電常數(shù)值。為此，透鏡是使用3D打印增材制造技術(shù)，使用具有不同相對(duì)介電常數(shù)值的PREPERM介質(zhì)絲進(jìn)行制造。

3. 增加匹配層

空氣-透鏡轉(zhuǎn)變處的介電常數(shù)差異很大，特別是對(duì)于中心環(huán)，可能會(huì)產(chǎn)生顯著的反射。為了減少這種影響，通常使用匹配層。研究人員評(píng)估了三種情況下的匹配層：從鏡頭入射波側(cè)的空氣-鏡頭對(duì)比度(即前ML情況)，鏡頭外部的鏡頭環(huán)-空氣過渡(即后ML情況)，以及作為兩種情況的組合添加匹配層(即前ML情況和后ML情況)

。

△34GHz下無(wú)匹配層、透鏡前有匹配層(Pre-ML)、透鏡后有匹配層(Post-ML)、透鏡兩側(cè)有匹配層(Pre-ML)的3D打印平板透鏡的模擬結(jié)果。上圖：電場(chǎng)大小。下圖：增益輻射模式。

4.透鏡和匹配層結(jié)合

△透鏡和匹配層的分解圖，每個(gè)部分所需的等效介電系數(shù)值以及將用于每個(gè)部分的打印材料。

△制造的匹配層和透鏡天線的圖片。(A)匹配層的俯視圖。(B)具有匹配層的透鏡天線。

5.對(duì)制造的透鏡天線進(jìn)行測(cè)量

△測(cè)量了Ka波段有匹配層和無(wú)匹配層的3D打印透鏡在三個(gè)頻率下的E面和H面增益輻射方向圖。(A)28GHz(B)34 GHz(C)40GHz

△將所提出的透鏡與文獻(xiàn)中工作在毫米波段的其他平面透鏡進(jìn)行比較

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以證明使用匹配層的透鏡的性能得到了改善，獲得了更高水平的最大增益。與通過其他制造技術(shù)所制備的透鏡天線相比，通過3D打印制備的透鏡天線有更好的性能，具有較寬的工作帶寬。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可以查看原文。

改編原文：Poyanco, JM., Pizarro, F. & Rajo-Iglesias, E. Cost-effectivewideband dielectric planar lens antenna for millimeter wave applications.SciRep12,4204 (2022).

DOI：https://doi-org-443.webvpn.las.ac.cn/10.1038/s41598-022-07911-z