特拉华大学科学家3D打印5G信号Luneburg透镜

3D打印科研前沿
2020
12/21
10:56
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2020年12月21日,南极熊获悉,来自特拉华大学的研究人员开发出了新型的增材制造Luneburg透镜,具有5G频率下的通信能力。

团队利用FDM 3D打印技术,制作出了多个表面平整的微型天线,能够添加到电子产品、传感器甚至手机上。现在,科学家们正在与美国陆军合作,为他们的发射设备开发与国防相关的机器人和民用航空航天应用。

领导这项研究的Mark Mirotznik教授说:"这种透镜是一种非常廉价、有效的方式,可以将通信信号引导到一个特定的方向,它在5G上会特别有用。我们认为我们的透镜可能会应用于那种'网络边缘'的东西,因为它们价格低廉,但却非常坚固。"

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△特拉华大学的研究人员已经开发出一系列兼容5G频率的3D打印镜头原型,图片来自特拉华大学

增材制造天线

无线通信系统与我们的日常生活越来越密切相关,因为这项技术经常用于连接日常智能设备的雷达和卫星中。为了发挥这一重要作用,这些天线需要具有高增益、广角、灵活和能够中继多频段信号的特点。

目前,卫星内部使用可转向相控阵天线来实现这一目标,但它们可能是昂贵、复杂和耗电的技术。梯度指数(或GRIN)Luneburg透镜经常被吹捧为一种替代方案,因为它们的球面梯度结构允许它们同时中继多个波束。

尽管GRIN器件具有吸引人的特性,但其球形几何结构使其难以集成到标准天线阵列中。然而,使用转换光学(TO)工艺,可以将Luneburg透镜转换为与传统卫星更兼容的平面。

虽然TO在这一领域的部署取得了一定的成功,但由于透镜馈电中存在反射,进展受到了阻碍。为了解决这个问题,团队理论上认为,利用3D打印技术,可以增加一个抗反射(AR)层,从而产生一个具有多频能力的Luneburg设备。

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△科学家们部署了一种先进的FDM 3D打印技术(如图)来调整现有的Luneburg镜片,图片来自特拉华大学

3D打印的Luneburg透镜

为了测试他们的假设,科学家们在现有透镜的平面激励表面上3D打印了一个AR层,并将其配置为在Ka波段(26-40GHz)内工作。然后对原型的电磁特性进行测试,并与模拟以及现有GRIN设备的性能进行比较。

在评估过程中,该团队的升级天线设计能够减轻现有透镜在ka波段带宽上的反射。原型机还缩小了透镜的半功率,与计算机预测相比,它在大多数馈电位置的孔径效率超过60%。

研究人员最初承认,他们的AR层有时会限制设备的扫描角度,但此后他们已经优化了其性能。与DeLUX AM(Mirotznik共同创办的一家初创公司)合作,团队还确定了各种新颖的镜头应用,包括将其嵌入到3D打印的 "四翼飞机 "内。

现在,科学家们已经与美国国防部签订了合同,要制造一个能够从传送带上取下,并立即出发的机器人。这看起来很雄心勃勃,但团队已经打印了一个镜头集成的设备,可以从构建板上自行移动,显示了3D打印技术的整体潜力。

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△研究团队试图为他们的透镜找到新的应用,包括将它们连接到3D打印的四翼飞机上(如图),图片来自特拉华大学

开发增强型增材天线

采用3D打印的成本和设计灵活性优势,使研究人员越来越能够制造出具有升级中继能力的5G天线。

英国的研究人员已经研究了为5G系统3D打印多输入多输出(MIMO)天线的优点。所提出的 "MIMOs "可以在多个方向上传送波束,提供连续、实时的覆盖,而不需要移相器。
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另一个来自特拉华大学的团队已经部署了一台XJet Carmel 1400 3D打印机来制造新型5G天线。利用被动波束转向算法,科学家们能够打印出具有复杂结构、小通道和优化材料特性的透镜。
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在其他地方,伯明翰大学的科学家们已经部署了精密的3D打印来制造5G天线的电路。作为一个军事主导项目的一部分,设备也可以有民用测绘和汽车雷达应用。
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研究人员的研究结果在他们题为 "High gain, wide-angle QCTO-enabled modified Luneburg lens antenna with broadband anti-reflective layer "的论文中详细介绍,该论文由Soumitra Biswas和Mark Mirotznik共同撰写。
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