根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，3D打印在天線制造方面具有兩大技術(shù)邏輯：3D打印實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜更精致的結(jié)構(gòu)提升天線性能；3D打印實(shí)現(xiàn)輕量化、結(jié)構(gòu)一體化的天線結(jié)構(gòu)更節(jié)約材料與空間占用、更緊湊。

目前3D打印天線的材料種類繁多，大致包括混合材料（金屬油墨與非導(dǎo)電材料的混合等等）、陶瓷、金屬及高分子材料。目前市場(chǎng)上通過3D打印開發(fā)天線部件的案例正在涌現(xiàn)，這些案例背后具有一定的技術(shù)邏輯支撐，一旦獲得商業(yè)化的可行性，將獲得更加廣泛的普及。

3D科學(xué)谷將分享法國電子、天線系統(tǒng)和電信實(shí)驗(yàn)室通過3D打印陶瓷技術(shù)開發(fā)介質(zhì)諧振器天線部件的案例，以此來感受陶瓷3D打印技術(shù)在這一細(xì)分領(lǐng)域的應(yīng)用邏輯。

▲3D科學(xué)谷白皮書 ....

天線的小型化、寬頻帶、低損耗

隨著無線通信事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)于天線的小型化、寬頻帶、低損耗等性能提出了更高的要求。雖然各種各樣的微帶天線因其低剖面、輕質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，但由于在高頻段金屬歐姆損耗高和在低頻段天線幾何尺寸大這兩個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)瓶頸的存在，其發(fā)展和應(yīng)用受到了一定的限制。近年來，介質(zhì)諧振器天線由于良好的性能而受到了廣泛的關(guān)注和研究。[1]

介質(zhì)諧振器天線是一種諧振式天線，由低損耗的微波介質(zhì)材料構(gòu)成，它的諧振頻率由諧振器尺寸、形狀和相對(duì)介電常數(shù)所決定。[1]

介質(zhì)諧振器天線的設(shè)計(jì)與外形呈現(xiàn)出多種多樣的形式。Sun G L等學(xué)者提到，在天線的外形結(jié)構(gòu)方面，介質(zhì)天線具有靈活的饋電方式和較高的設(shè)計(jì)自由度，因此目前有很多形狀各異的介質(zhì)天線[2]。

3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)精細(xì)復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)、一體化功能集成結(jié)構(gòu)方面所具有的優(yōu)勢(shì)，與介質(zhì)諧振器天線設(shè)計(jì)自由度較高的需求相得益彰。

兼得共振頻率與小型化設(shè)計(jì)

法國電子、天線系統(tǒng)和電信實(shí)驗(yàn)室（LEAT,以下簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)室），正在立志于研發(fā)小型化、低損耗的設(shè)備。為了達(dá)到這一目標(biāo)，該實(shí)驗(yàn)室正在研究S波段天線（頻率范圍2-4 GHZ）和介質(zhì)諧振天線（DRA）。

常規(guī)天線由兩部分組成，一部分用于支持下行衛(wèi)星通信，另一部分用于上行衛(wèi)星通信，這兩部分需要兩個(gè)諧振頻率不同的介質(zhì)諧振器。

介質(zhì)諧振器在天線設(shè)備中起著巨大的作用：它們通過對(duì)空間能量的重新分配，定向地放大信號(hào)，從而提高其傳播距離。介質(zhì)諧振器通常由陶瓷材料制成，如氧化鋯，因?yàn)榇瞬牧暇哂休^高的介電常數(shù)和較小的損耗。對(duì)于每個(gè)頻率標(biāo)準(zhǔn)，都需要一個(gè)特定的諧振器，其介電常數(shù)由材料和獨(dú)特的設(shè)計(jì)決定。然而，想要同時(shí)兼得共振頻率與小型化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)大挑戰(zhàn)。

Raise3D 復(fù)志科技

在研發(fā)過程中，由于工程師要不斷測(cè)試部件設(shè)計(jì)的可行性。3D打印技術(shù)能夠滿足實(shí)驗(yàn)室定制開發(fā)具有不同設(shè)計(jì)，且功能集成的緊湊型介質(zhì)諧振天線部件的需求。這為實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)工作更順暢地推進(jìn)提供了保障。

初步研發(fā)結(jié)果有所突破

為了開發(fā)出理想的介質(zhì)諧振天線，LEAT選擇了具有優(yōu)異介電性能的Nanoe Zetamix白色氧化鋯3D打印線材：介電常數(shù)ε=30和低損耗：Tanδ=10-3。

另外，為了達(dá)到部件尺寸與不同部位之間介電常數(shù)的合適比例，工程師們選擇了Raise3D復(fù)志科技的Pro2 FDM/FFF 3D打印機(jī)，該設(shè)備與Nanoe 3D打印陶瓷線材能夠完美兼容。這一3D打印技術(shù)，能夠幫助工程師制造出具有控制孔隙率的陶瓷部件。

Raise3D復(fù)志科技

Pro2最小噴嘴直徑可達(dá)0.2mm，最小層高可精確至0.01 mm，且運(yùn)行非常穩(wěn)定，可幫助實(shí)驗(yàn)室在研發(fā)過程中穩(wěn)定的產(chǎn)出高精度陶瓷介質(zhì)諧振天線部件。

打印完成后，經(jīng)過脫脂和燒結(jié)處理，陶瓷部件的致密度高達(dá)99%。

▲正在打印中的Pro2 3D打印機(jī)

Raise3D復(fù)志科技

實(shí)驗(yàn)室在打印介質(zhì)諧振天線部件時(shí)，選擇了0.1mm的層高，設(shè)置了2個(gè)密度分別為25%和95%的螺旋體填充。在打印完成后，進(jìn)行了2小時(shí)溶劑脫脂，并以1450℃在燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。

部件完成制作后，實(shí)驗(yàn)室在一個(gè)小型微波暗室中通過添加2個(gè)射頻連接器，對(duì)放置在地板上的這些部件進(jìn)行了測(cè)試。介質(zhì)諧振器被激勵(lì)于測(cè)試頻段，其全頻段的3D輻射特性通過在暗室中旋轉(zhuǎn)天線獲得。

初步測(cè)試結(jié)果顯示這個(gè)定制的介質(zhì)諧振器天線具有很高的輻射效率，與仿真結(jié)果相吻合。此外，天線的工作帶寬向高頻(2600MHz)偏移，可以在后續(xù)的天線設(shè)計(jì)中對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

Raise3D復(fù)志科技

隨著工業(yè)和公眾需求的增加，電信行業(yè)將會(huì)繼續(xù)蓬勃發(fā)展，對(duì)于天線的小型化、寬頻帶、低損耗等性能也將提出更高的要求。通過此次3D打印介質(zhì)諧振天線的成功嘗試，法國電子、天線系統(tǒng)和電信實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)準(zhǔn)備好迎接更多的挑戰(zhàn)。

審核編輯 ：李倩