增材制造（AM，更具體地說是“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)的一個團(tuán)隊開發(fā)了一種新的 3D 打印/增材制造平臺，他們聲稱該平臺提供了“無與倫比的天線設(shè)計靈活性和快速打印復(fù)雜天線結(jié)構(gòu)的能力”。這個被稱為電荷程序沉積多材料 3D 打印 （CPD） 的新平臺是一個通用系統(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)計結(jié)果定義的指定位置。

請注意，該平臺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？

簡而言之，電荷編程沉積制造程序基于通過具有不同懸垂反應(yīng)基團(tuán)的光單體的多材料打印來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，就會出現(xiàn)吸引和沉積;喜歡極性或無極性 （neutral） 排斥或不給予電鍍。通過將固有帶電的光單體混合到印刷油墨中來實(shí)現(xiàn)表面電荷。整個制造過程的步驟最少，無需依賴刀具路徑、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)的兩個令人大開眼界的結(jié)果

兩個例子展示了他們技術(shù)的能力：

示例 #1

他們設(shè)計并打印了一種超輕、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 （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笨重的電介質(zhì)隔開，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)計的特點(diǎn)是在整個結(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元件旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的 transmitarray 設(shè)計相比，這通常允許更寬的工作帶寬，后者使用元件的尺寸變化來實(shí)現(xiàn)不同的相位補(bǔ)償。

示例 #2

UCB 開發(fā)了一種輕型喇叭天線，它不僅可以通過采用晶格結(jié)構(gòu)來減輕重量，還可以利用該技術(shù)的薄膜和涂層特性來減輕重量。喇叭天線（和波導(dǎo)）傳統(tǒng)上是通過金屬加工、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)部僅幾個集膚深度的厚度內(nèi)（在 K 波段頻率下為幾微米）。其余的金屬材料對喇叭的電磁性能影響最小，但需要機(jī)械強(qiáng)度

UCB 開發(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。電介質(zhì)以棕褐色/灰色顯示，銅以橙色顯示。（B） 19 GHz 時喇叭的實(shí)測輻射圖與模擬輻射圖之間的比較。（C） 在喇叭輸入端口處測得的反射系數(shù) S11（插圖：加州大學(xué)洛杉磯分校在球形近場范圍內(nèi)測量的打印喇叭的照片）。

他們的號角具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它包括一個“蜿蜒”波導(dǎo)過渡、一個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，該波最終通過圓號輻射到自由空間、一個方形到圓形適配器和一個圓號角部分。喇叭天線采用標(biāo)準(zhǔn) WR-42 波導(dǎo)接口設(shè)計，使其與市售的同軸轉(zhuǎn)波導(dǎo)適配器兼容，用于激勵。

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)行測試外，該團(tuán)隊還將兩者放在一起，形成一個全 3D 打印天線系統(tǒng)，然后進(jìn)行了一系列射頻測試。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 的輻射圖測量照片。（G） 當(dāng)使用不同的面板方向時，代表性的測量 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，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%。

他們在 Nature Communications 上發(fā)表的論文“Ultra-light antennas via charge programmed deposition additive manufacturing”詳細(xì)介紹了這個引人入勝的故事。這篇可讀性很強(qiáng)的論文沒有方程式，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。