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英国研究人员正在利用3D打印为5G通信网络制造天线，这种低成本的多输入多输出（MIMO）天线将改善5G网络性能。

使用3D打印制造的MIMO能够在多个方向上传送光束，无需使用移相器即可提供连续的实时覆盖范围。此外，它们可以在28 GHz 5G频段上运行，实现4 GHz的宽带宽性能。

由于使用了3D打印技术，这种天线为实现5G和毫米波应用提供了低成本的选择。此外3D打印还简化了复杂的设计从而可以改变天线波束的方向，并增加其指向性。

新型天线侧壁示意图

3D打印天线的优势

研究人员首先概述了目前在大多数国家/地区正在实施的即将到来的5G标准化。5G无线技术是对当前技术的重大改进，有望将整体系统容量提高数百倍，并以更高的频谱和能源效率提高整体系统吞吐量，同时将系统延迟降至最低。5G将在具有以下毫米波（mm-wave）频段的国家/地区引入：24 GHz至29.5 GHz，37 GHz至42.5 GHz，47.2 GHz至48.2 GHz和64至71 GHz。

作者继续说明了3D打印如何成为设计天线的有效制造工艺，并已被用于生产从微波到T级赫兹频率的不同频段的各种应用的天线。研究人员解释说：“使用3D打印提供天线解决方案具有许多优势，能够以低成本实现复杂的形状。”

实际上，欧洲航天局（ESA）已经在PROBA-3太空任务中实现了3D打印天线。该天线由西班牙工程技术集团SENER和高级航空技术中心（CATEC）3D打印。此外，特拉华大学（UDEL）的研究人员还使用XJet Carmel 1400系统，使用3D打印技术开发新型5G天线。总部位于亚利桑那州的雷达和天线制造商Lunewave是一家初创公司，其专有技术完全专注于3D打印天线；该公司在2018年的种子轮融资中筹集了500万美元。

3D打印螺旋天线效果图

3D打印MIMO天线原型

研究人员称，3D打印天线的过程可以分为两个阶段。与化学电镀相比，使用低成本的金属化技术更为有效，因为这有助于降低3D打印天线的成本，这是首先使用增材制造的主要好处。

MIMO天线系统使用多个天线，这有助于增加系统链路容量。然而，通过传统的制造过程生产MIMO系统需要高成本的模具材料。因此，研究人员建议3D打印MIMO天线，以降低生产天线的费用，同时还使系统效率更高并使天线可操纵。

作者解释说：“我们为5G毫米波基站应用提出了一种创新的低成本MIMO天线——使用3D打印技术制造；与传统天线相比，它提供了创新性的以整体低成本交付复杂的天线设计 。3D打印MIMO天线紧凑、低成本、高效、高增益，并且使用新颖的技术而不使用相控阵技术即可提供波束切换能力。”

壁高对天线辐射方向图的影响

为该研究而开发的MIMO天线原型包括2×2系统和4×3 MIMO系统。除了价格合理，效率高外，这些原型还具有通过3D打印实现的光束切换功能。每个MIMO天线都由两个主要部分组成：馈电结构和辐射结构。馈电结构设计成将电磁能耦合到辐射结构的表面，该表面是系统的3D打印部分，由一个被矩形空腔和两个波纹包围的中央槽组成。使用Objet30 3D打印机对辐射结构进行3D打印，然后使用喷射金属（JMT）喷涂金属化工艺将其金属化。这涉及在3D打印的结构上涂一层薄的银，厚度为2.5μm。

4 x 3 MIMO中存在的波束控制机制由天线侧面的3D打印金属化壁组成。取决于壁的高度，金属化的壁有助于将波束转向所需的方向，同时还可以提高天线的增益。这是由于壁高内的增量增加而引起的，而增量又使增益上升到饱和点。在研究结束时，作者写道：“最后，对所建议的MIMO天线的性能进行了测量，并发现其可以通过数值模拟工具进行预测。”

伦敦玛丽皇后大学的博士后研究员Shaker Alkaraki与萨里大学通信系统研究所的无线通信教授高悦（音译）撰写了关于此研究的论文，名为《使用3D打印为5G通信系统制造的具有波束切换能力的毫米波低成本MIMO天线》。