特拉華大學科學家3D打印5G信號Luneburg透鏡

2020年12月21日，南極熊獲悉，來自特拉華大學的研究人員開發(fā)出了新型的增材制造Luneburg透鏡，具有5G頻率下的通信能力。

團隊利用FDM 3D打印技術(shù)，制作出了多個表面平整的微型天線，能夠添加到電子產(chǎn)品、傳感器甚至手機上�，F(xiàn)在，科學家們正在與美國陸軍合作，為他們的發(fā)射設(shè)備開發(fā)與國防相關(guān)的機器人和民用航空航天應用。

領(lǐng)導這項研究的Mark Mirotznik教授說："這種透鏡是一種非常廉價、有效的方式，可以將通信信號引導到一個特定的方向，它在5G上會特別有用。我們認為我們的透鏡可能會應用于那種'網(wǎng)絡(luò)邊緣'的東西，因為它們價格低廉，但卻非常堅固。"

△特拉華大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一系列兼容5G頻率的3D打印鏡頭原型，圖片來自特拉華大學

增材制造天線

無線通信系統(tǒng)與我們的日常生活越來越密切相關(guān)，因為這項技術(shù)經(jīng)常用于連接日常智能設(shè)備的雷達和衛(wèi)星中。為了發(fā)揮這一重要作用，這些天線需要具有高增益、廣角、靈活和能夠中繼多頻段信號的特點。

目前，衛(wèi)星內(nèi)部使用可轉(zhuǎn)向相控陣天線來實現(xiàn)這一目標，但它們可能是昂貴、復雜和耗電的技術(shù)。梯度指數(shù)(或GRIN)Luneburg透鏡經(jīng)常被吹捧為一種替代方案，因為它們的球面梯度結(jié)構(gòu)允許它們同時中繼多個波束。

盡管GRIN器件具有吸引人的特性，但其球形幾何結(jié)構(gòu)使其難以集成到標準天線陣列中。然而，使用轉(zhuǎn)換光學（TO）工藝，可以將Luneburg透鏡轉(zhuǎn)換為與傳統(tǒng)衛(wèi)星更兼容的平面。

雖然TO在這一領(lǐng)域的部署取得了一定的成功，但由于透鏡饋電中存在反射，進展受到了阻礙。為了解決這個問題，團隊理論上認為，利用3D打印技術(shù)，可以增加一個抗反射（AR）層，從而產(chǎn)生一個具有多頻能力的Luneburg設(shè)備。

△科學家們部署了一種先進的FDM 3D打印技術(shù)（如圖）來調(diào)整現(xiàn)有的Luneburg鏡片，圖片來自特拉華大學

3D打印的Luneburg透鏡

為了測試他們的假設(shè)，科學家們在現(xiàn)有透鏡的平面激勵表面上3D打印了一個AR層，并將其配置為在Ka波段（26-40GHz）內(nèi)工作。然后對原型的電磁特性進行測試，并與模擬以及現(xiàn)有GRIN設(shè)備的性能進行比較。

在評估過程中，該團隊的升級天線設(shè)計能夠減輕現(xiàn)有透鏡在ka波段帶寬上的反射。原型機還縮小了透鏡的半功率，與計算機預測相比，它在大多數(shù)饋電位置的孔徑效率超過60%。

研究人員最初承認，他們的AR層有時會限制設(shè)備的掃描角度，但此后他們已經(jīng)優(yōu)化了其性能。與DeLUX AM（Mirotznik共同創(chuàng)辦的一家初創(chuàng)公司）合作，團隊還確定了各種新穎的鏡頭應用，包括將其嵌入到3D打印的 "四翼飛機 "內(nèi)。

現(xiàn)在，科學家們已經(jīng)與美國國防部簽訂了合同，要制造一個能夠從傳送帶上取下，并立即出發(fā)的機器人。這看起來很雄心勃勃，但團隊已經(jīng)打印了一個鏡頭集成的設(shè)備，可以從構(gòu)建板上自行移動，顯示了3D打印技術(shù)的整體潛力。

△研究團隊試圖為他們的透鏡找到新的應用，包括將它們連接到3D打印的四翼飛機上（如圖），圖片來自特拉華大學

開發(fā)增強型增材天線

采用3D打印的成本和設(shè)計靈活性優(yōu)勢，使研究人員越來越能夠制造出具有升級中繼能力的5G天線。

英國的研究人員已經(jīng)研究了為5G系統(tǒng)3D打印多輸入多輸出（MIMO）天線的優(yōu)點。所提出的 "MIMOs "可以在多個方向上傳送波束，提供連續(xù)、實時的覆蓋，而不需要移相器。

另一個來自特拉華大學的團隊已經(jīng)部署了一臺XJet Carmel 1400 3D打印機來制造新型5G天線。利用被動波束轉(zhuǎn)向算法，科學家們能夠打印出具有復雜結(jié)構(gòu)、小通道和優(yōu)化材料特性的透鏡。

在其他地方，伯明翰大學的科學家們已經(jīng)部署了精密的3D打印來制造5G天線的電路。作為一個軍事主導項目的一部分，設(shè)備也可以有民用測繪和汽車雷達應用。

研究人員的研究結(jié)果在他們題為 "High gain, wide-angle QCTO-enabled modified Luneburg lens antenna with broadband anti-reflective layer "的論文中詳細介紹，該論文由Soumitra Biswas和Mark Mirotznik共同撰寫。