增材制造（AM，更具體地說(shuō)是“3D 打印”）現(xiàn)在是一種成熟的技術(shù)，用于創(chuàng)建獨(dú)特的定制天線和相關(guān)射頻設(shè)備等應(yīng)用。其中許多很難或不可能通過(guò)傳統(tǒng)的金屬成型技術(shù)或復(fù)合印刷電路板制造。

由加州大學(xué)伯克利分校領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的 3D 打印/增材制造平臺(tái)，他們聲稱該平臺(tái)提供了“無(wú)與倫比的天線設(shè)計(jì)靈活性和快速打印復(fù)雜天線結(jié)構(gòu)的能力”。這個(gè)被稱為電荷程序沉積多材料 3D 打印 （CPD） 的新平臺(tái)是一個(gè)通用系統(tǒng)，用于快速生產(chǎn)幾乎所有 3D 天線系統(tǒng)。

該工藝可以將高導(dǎo)電性金屬圖案化到各種介電材料上，并形成 3D 結(jié)構(gòu)。此外，正如 3D 打印能夠制造傳統(tǒng)機(jī)械加工無(wú)法制造的結(jié)構(gòu)一樣，這種 3D 打印工藝可以生產(chǎn)出其他方式無(wú)法制造的射頻設(shè)備。

桌面 Digital-Light 打印機(jī)加上基于 Catalyst 的技術(shù)

CPD 方法結(jié)合了桌面數(shù)字光 3D 打印機(jī)和基于催化劑的技術(shù)，該技術(shù)可以在吸引金屬鍍層的不同位置對(duì)不同的聚合物進(jìn)行圖案化。其自催化或選擇性電鍍技術(shù)使聚合物能夠選擇性地將金屬離子吸收到由所需天線設(shè)計(jì)結(jié)果定義的指定位置。

請(qǐng)注意，該平臺(tái)不是用于使用昂貴金屬粉末和高能激光器的金屬的定制或高端 3D 打印機(jī)。相反，該技術(shù)可以應(yīng)用于桌面友好的基于光的打印機(jī)。在已發(fā)表的論文中，作者清楚地描述了現(xiàn)有 3D 打印系統(tǒng)在天線和射頻組件應(yīng)用中的功能和局限性。相關(guān)因素包括多種材料和層的有限實(shí)用性、尺寸精度和分辨率，甚至刀具路徑限制。

CPD 可以與各種多材料 3D 打印方法廣泛集成，因?yàn)樗旧显试S開(kāi)發(fā)任何復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)，包括復(fù)雜的晶格。利用它，他們展示了具有近乎原始導(dǎo)電性的銅以及磁性材料、半導(dǎo)體、納米材料以及這些材料的組合的沉積。

它非常適合天線，因?yàn)閹缀跛刑炀€都需要兩個(gè)組件：“金屬相”（導(dǎo)體）和不導(dǎo)電的“介電相”。研究人員聲稱，到目前為止，還沒(méi)有任何技術(shù)能夠直接將導(dǎo)體和介電材料圖案化或合成在一起。

CPD 如何運(yùn)作？

簡(jiǎn)而言之，電荷編程沉積制造程序基于通過(guò)具有不同懸垂反應(yīng)基團(tuán)的光單體的多材料打印來(lái)圖案化和控制表面電荷極性。電荷編程的 3D 馬賽克結(jié)合了正、負(fù)和中性帶電區(qū)域，形成一個(gè)圖案化的基板，可以在該基板上進(jìn)行金屬和其他功能材料的選擇性微加工（圖 1）。該圖還突出了他們構(gòu)建的一些真正令人驚嘆的配置。

https://www.nature.com/articles/s41467-024-53513-w1. （A） 電荷編程打印和沉積方案。（B-F）電荷程序沉積增材制造天線的照片，如下：（B） 具有三層互穿 S 環(huán)和介電材料的梯度相位發(fā)射陣列;（C） Vivaldi 天線;（D） 3D 折疊電小天線，具有相互穿插的阿基米德螺旋和希爾伯特曲線;（E） 樹(shù)形分形天線;（F） 帶隔膜極化器的喇叭天線。

當(dāng) 3D 襯底和沉積材料中的子域具有相反的電荷極性時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)吸引和沉積;喜歡極性或無(wú)極性 （neutral） 排斥或不給予電鍍。通過(guò)將固有帶電的光單體混合到印刷油墨中來(lái)實(shí)現(xiàn)表面電荷。整個(gè)制造過(guò)程的步驟最少，無(wú)需依賴刀具路徑、后燒結(jié)或?qū)懭氲幕濉?/p>

涉及的技術(shù)要多得多，包括材料的選擇以及在應(yīng)用導(dǎo)電層和介電層時(shí)具有這種選擇所提供的靈活性。然而，看看他們創(chuàng)建的一些組件示例尤其令人印象深刻。

CPD 技術(shù)的兩個(gè)令人大開(kāi)眼界的結(jié)果

兩個(gè)例子展示了他們技術(shù)的能力：

示例 #1

他們?cè)O(shè)計(jì)并打印了一種超輕、圓極化 （CP） 的 19 GHz 發(fā)射陣列天線。利用 CPD 工藝，他們開(kāi)發(fā)了帶有 S 形環(huán)晶胞的 transmitarray 晶胞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該晶胞結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可最大限度地減少介電材料的使用和重量（圖 2）。

https://www.nature.com/articles/s41467-024-53513-w2. （A） 傳統(tǒng)光刻透射陣列晶胞與 （B） 用 CPD 打印的超光透射陣列晶胞的示意圖比較：（C） 超光透射陣列與相同頻率下類似設(shè)計(jì)的傳統(tǒng) PCB 工藝制造的透射陣列之間的重量比較。（D， E）照片顯示了銅和丙烯酸酯聚合物的復(fù)雜金屬介電結(jié)構(gòu)。（F） 傳輸系數(shù) （|TLR|： 左撇子; |TRR|：右手）在具有不同入射角 （θinc） 的右手圓極化入射下。（G） 共極化 （Co-pol） 左旋圓極化（LHCP，實(shí)線）和交叉極化 （X-pol） 右旋圓極化（RHCP，虛線）分量在 19 GHz 下的發(fā)射陣列模擬 （Simu.） 和實(shí)測(cè) （Meas.） 結(jié)果。（H） 水平平鋪方案。（我，J）直徑為 12 厘米和 20 厘米的發(fā)射陣列天線的組裝。（K） 19 GHz 下一體式打印 （AIOP） 和平鋪 12 cm 發(fā)射陣列 0°-cut 中的 LHCP（共極化）和 RHCP（交叉極化）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

[不熟悉“transmitarray”？這是一款低剖面高增益天線，非常適合遙感和通信，例如 CubeSats 和 SmallSats。典型的發(fā)射陣列由低增益天線（饋源）饋電饋電，并通過(guò)校正饋源的球形相位前緣產(chǎn)生高定向輻射。作為 transmitarray 的構(gòu)建塊，相移晶胞是 transmitarray 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。大多數(shù) transmitarray 單元需要至少三層金屬元件，這些元件之間由相對(duì)笨重的電介質(zhì)隔開(kāi)，以實(shí)現(xiàn)所需的傳輸效率和相位控制。

CP 發(fā)射陣列設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是在整個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的 3D 布局中采用不連續(xù)分布的導(dǎo)電 S 形環(huán)元件，其中電磁波相位控制是通過(guò)元件旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的 transmitarray 設(shè)計(jì)相比，這通常允許更寬的工作帶寬，后者使用元件的尺寸變化來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的相位補(bǔ)償。

示例 #2

UCB 開(kāi)發(fā)了一種輕型喇叭天線，它不僅可以通過(guò)采用晶格結(jié)構(gòu)來(lái)減輕重量，還可以利用該技術(shù)的薄膜和涂層特性來(lái)減輕重量。喇叭天線（和波導(dǎo)）傳統(tǒng)上是通過(guò)金屬加工、注塑成型或增材制造技術(shù)（如金屬激光燒結(jié)）由實(shí)心金屬制成的。即使是使用粘結(jié)劑噴射/燒結(jié)或選擇性激光熔化的 3D 打印喇叭天線，通常也具有至少 1 毫米厚的金屬體，因此具有相當(dāng)大的重量。

然而，根據(jù)集膚效應(yīng)，交變射頻電流主要分布在金屬內(nèi)部?jī)H幾個(gè)集膚深度的厚度內(nèi)（在 K 波段頻率下為幾微米）。其余的金屬材料對(duì)喇叭的電磁性能影響最小，但需要機(jī)械強(qiáng)度

UCB 開(kāi)發(fā)了一種 19 GHz CP 喇叭天線，作為前面討論的發(fā)射陣列的饋源（圖 3）。與全金屬喇叭或完全涂有導(dǎo)電材料的印刷聚合物喇叭不同，它們的喇叭僅重 12 克，僅在電磁波傳播的內(nèi)表面有一層選擇性圖案化的薄銅層。同樣的黃銅喇叭會(huì)重 5 倍。

https://www.nature.com/articles/s41467-024-53513-w3. （A） 具有復(fù)雜內(nèi)部特征的 CP 喇叭天線設(shè)計(jì)。電介質(zhì)以棕褐色/灰色顯示，銅以橙色顯示。（B） 19 GHz 時(shí)喇叭的實(shí)測(cè)輻射圖與模擬輻射圖之間的比較。（C） 在喇叭輸入端口處測(cè)得的反射系數(shù) S11（插圖：加州大學(xué)洛杉磯分校在球形近場(chǎng)范圍內(nèi)測(cè)量的打印喇叭的照片）。

他們的號(hào)角具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它包括一個(gè)“蜿蜒”波導(dǎo)過(guò)渡、一個(gè)帶有隔膜偏振器的方波導(dǎo)截面，用于產(chǎn)生右旋圓極化 （RHCP） 波，該波最終通過(guò)圓號(hào)輻射到自由空間、一個(gè)方形到圓形適配器和一個(gè)圓號(hào)角部分。喇叭天線采用標(biāo)準(zhǔn) WR-42 波導(dǎo)接口設(shè)計(jì)，使其與市售的同軸轉(zhuǎn)波導(dǎo)適配器兼容，用于激勵(lì)。

除了將發(fā)射陣列和喇叭天線作為單獨(dú)的射頻元件進(jìn)行測(cè)試外，該團(tuán)隊(duì)還將兩者放在一起，形成一個(gè)全 3D 打印天線系統(tǒng)，然后進(jìn)行了一系列射頻測(cè)試。性能與模擬結(jié)果和預(yù)期結(jié)果密切相關(guān)（圖 4）。

https://www.nature.com/articles/s41467-024-53513-w4. （A） 全 3D 打印天線系統(tǒng)的原理圖，由喇叭天線和發(fā)射陣列組成。（B） 正在測(cè)量的組裝的 20 cm 傳輸陣列的照片。（C） 在 19 GHz 下，20 cm 發(fā)射陣列的模擬方向圖與測(cè)量方向圖之間的比較（實(shí)線：共極化 LHCP 方向圖;虛線：交叉極化 RHCP 方向圖）。（D） 測(cè)得的 20 cm 發(fā)射陣列的方向性和軸比隨頻率的變化。（E） 由梯度相位發(fā)射陣列 （GPTA） 和梯度相位饋電陣列 （GPFA） 組成的波束可控 Risley 棱鏡天線 （RPA） 的原理圖。（F） 打印的 RPA 的輻射圖測(cè)量照片。（G） 當(dāng)使用不同的面板方向時(shí)，代表性的測(cè)量 RPA 模式顯示 0° 和 60° 的光束。

他們表明，電荷編程 3D 打印方法是一種多功能和通用的平臺(tái)，用于制造由介電相、導(dǎo)電相或其互穿復(fù)合材料組成的真正超輕 3D 天線。該技術(shù)允許在使用當(dāng)前制造方法完成之前無(wú)法接近的電子架構(gòu)和系統(tǒng)進(jìn)行打印，重量減輕高達(dá) 90%。

他們?cè)?Nature Communications 上發(fā)表的論文“Ultra-light antennas via charge programmed deposition additive manufacturing”詳細(xì)介紹了這個(gè)引人入勝的故事。這篇可讀性很強(qiáng)的論文沒(méi)有方程式，但它描述了他們方法中的所有步驟，從概念到分析、仿真、實(shí)現(xiàn)、天線形狀的制造、測(cè)試結(jié)果、使用的材料以及權(quán)衡。支持信息文件提供了更多詳細(xì)信息。