圣母大學開發(fā)3D打印超節(jié)能5G天線，能耗降至不到現(xiàn)有系統(tǒng)10%

導讀：全球有20億人使用第五代（5G）無線網絡。這些用戶獲得了更快的上傳和下載速度、更低的延遲以及更高的移動設備可靠性。然而，5G技術的推出也帶來了高昂的能源成本。5G網絡比前幾代網絡耗能更高，每個基站的能耗相當于73個美國家庭的用電量。

2025年4月10日，南極熊獲悉，在美國陸軍的資助下，圣母大學的研究人員基于先前低功率天線物理學的研究成果正在開發(fā)一種用于5G網絡的新型低功率天線，采用3D打印的人工介電材料，旨在實現(xiàn)5G性能，同時能耗不到現(xiàn)有系統(tǒng)10%。

△每根天線均采用3D打印的介電材料，并帶有重復排列的螺旋單元圖案。攝影：Angelic RoseHubert。

研究團隊由圣母大學電子工程系副教授、無線研究所成員喬納森·奇瑟姆（Chisum）領導。Chisum表示，新型天線的關鍵在于他在實驗室設計和制造的一種人工介電材料。

Chisum說道：“目前，運營蜂窩網絡的成本很大一部分來自電力。如果你觀察一下蜂窩塔，你就會明白為什么：它為每個頻段使用不同的天線，而這些天線依賴于有源供電芯片。我們最初的想法很簡單：如果我們能夠利用材料的物理特性，將類似的功能設計到一根超寬帶天線中，從而讓許多耗電芯片完成原本需要完成的工作，那會怎樣？”

△本杰明·戴維斯手持一個天線原型，該原型經過100小時的精細工藝逐層構建而成。攝影：安吉麗克·羅斯·休伯特。

這種新型低功率天線是一種毫米波梯度折射率 (GRIN) 透鏡天線。盡管 GRIN 透鏡已存在一個多世紀，但開發(fā)用于 5G 網絡的 GRIN 透鏡天線的想法曾一度在大多數無線技術領域的研究人員看來遙不可及。然而，在過去八年里，Chisum 和他的實驗室在寬帶波束控制的基礎科學領域取得了突破性的發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)使Chisum 和他的團隊能夠制造出一種能夠在所有 5G 頻段上運行的天線，這曾被認為是不可能實現(xiàn)的壯舉。

5G天線的寬帶、低功耗特性使其對美國陸軍尤為有用。美國陸軍參與了5G技術的研發(fā)，不僅依靠它進行安全通信，還用于追蹤裝備和監(jiān)測士兵健康狀況。然而，目前的5G技術在野外部署、運輸和運行都存在諸多困難和成本高昂的問題。

Chisum解釋說：“陸軍必須在世界各地運營5G網絡，而5G網絡在全球各地的運行頻率各不相同。因此，像我們這樣的寬帶解決方案至關重要。由于它功耗極低，體積相對較小、重量輕，因此可以集成到移動平臺中�！�

一旦實施，該技術將提供效率、安全性和多功能性均有提高的“移動5G”解決方案。Chisum還強調，開發(fā)這項新技術是將其融入民用移動網絡的第一步。Chisum 說道：“由于運營商無力承擔現(xiàn)有多天線解決方案的成本，5G 毫米波基站在當前 5G 網絡中的部署陷入停滯。然而，基于 GRIN 透鏡的寬帶 5G 天線為降低商用無線網絡的成本和效率開辟了新的可能性。”

到目前為止，Chisum 和他的團隊已經在實驗室中通過長達 100 小時的精細工藝，逐層逐層地生產出他們設計的原型。該團隊正在開發(fā)一種高效且經濟的方法來制造該設備，采用尖端的 3D 打印技術。這也將使 Chisum 的團隊能夠在現(xiàn)場演示該技術，為將其納入 5G 網絡奠定基礎。

△Chisum實驗室的研究人員使用計算機輔助設計軟件創(chuàng)建并完善了透鏡天線的數字模型。左圖展示了透鏡天線設計中的一個單獨的陀螺單元。右圖展示了一個 3x3 的陀螺單元立方體。圖片由圣母大學工程學院微波與毫米波電路與系統(tǒng)系提供。

為了將這項技術從實驗室轉化為實際應用，Chisum 的實驗室組建了一支行業(yè)合作伙伴團隊。該團隊將包括多家領先的供應商，他們在無線網絡、天線以及特別適用于 GRIN 介質的增材制造方面擁有專業(yè)知識。

Cheshir Industries 首席執(zhí)行官 Nicolas Garcia 表示：“Cheshir Industries 團隊非常榮幸能夠領導圣母大學 5G 移動天線開發(fā)項目的透鏡和陣列設計工作。該項目不僅代表著我們國家在提升無線能力方面邁出的重要一步，也是寬帶 GRIN 天線系統(tǒng)商業(yè)化和開發(fā)過程中的一個重要里程碑�！� CheshirIndustries 是在圣母大學 IDEA 中心的支持下成立的。該公司由 Chisum 和兩位圣母大學電氣工程博士項目的畢業(yè)生共同創(chuàng)立：NicolasGarcia（22 屆博士）和 Nicholas Estes（22 屆博士）。

Fortify 首席客戶官兼聯(lián)合創(chuàng)始人 Karlo Delos Reyes 表示：“作為射頻設計和制造領域的領導者，3DFortify 非常高興能夠與圣母大學及其行業(yè)合作伙伴攜手合作，提供尖端技術。此次合作使我們能夠利用自身先進的技術，突破 GRIN 透鏡天線設計的極限。我們將攜手整個價值鏈，共同打造一個變革性的解決方案，為未來的民用應用鋪平道路�！�