3D打印共形天線集成芯片，Nature子刊柔性相控陣突破

AM易道科研分享

本文是對上次快訊的深度解讀續(xù)篇。

共形天線一直是航空航天和移動通信領(lǐng)域的理想方案。

機翼蒙皮上的天線陣列、無人機表面的通信模塊、士兵制服上的可穿戴通信裝備，這些應用場景都需要天線能夠貼合曲面、承受變形。

但AM易道觀察到，真正能投入實用的方案并不多，核心痛點始終沒解決：

一是增材制造（基于直寫和噴印）的導電墨水性能不穩(wěn)定，二是天線一旦變形，波束指向就會出錯，通信質(zhì)量直線下降。

上圖展示了無人機機翼的動態(tài)載荷和振動導致天線陣列變形，影響飛行中的無線通信和導航。

最近華盛頓州立大學、馬里蘭大學和波音公司的聯(lián)合團隊在Nature Communications上發(fā)表了一篇論文，提出了一套完整的解決方案。

這個方案的特別之處在于，它把材料創(chuàng)新、硅基芯片設計和實時控制算法整合到一起，實現(xiàn)了柔性天線陣列的動態(tài)波束穩(wěn)定。

AM易道對于該文章的許多理解和表達已脫離原文章的原始技術(shù)表述，有大量原創(chuàng)主觀的解讀創(chuàng)作成分，如需要了解更多原始硬核技術(shù)內(nèi)容，請自行閱讀原文。

傳統(tǒng)的相控陣天線用的是剛性電路板，銅箔走線。

這種結(jié)構(gòu)當然性能穩(wěn)定，但問題是根本彎不了。

一旦要做成共形表面，比如貼合在無人機機翼或者飛機蒙皮上，傳統(tǒng)工藝就歇菜了。

增材制造看起來是理想方案。

可以直接把天線和電路打印在柔性基板上，想彎成什么形狀都行。

但實際應用中有兩個硬傷一直解決不了。

第一個是材料問題。現(xiàn)在主流的導電墨水主要是銀基的，導電性能還不錯，但成本太高，商業(yè)化推廣困難。

銅基墨水便宜多了，但有個致命缺陷：銅在空氣中特別容易氧化，氧化后電阻會變大，走線的阻抗特性就變了，直接影響射頻性能。

而且打印過程中的密度不均勻，也會導致信號傳播速度和相位發(fā)生偏移。

第二個是物理形變問題。

柔性天線的優(yōu)勢就是能彎曲，但彎曲本身會帶來新的麻煩。

天線陣列一旦變形，各個天線單元之間的相對位置和路徑長度都會變化，原本設計好的波束指向就不準了。

對于無人機或者飛機來說，飛行過程中機翼載荷變化、振動等因素會導致天線持續(xù)發(fā)生動態(tài)形變，這種實時變化的形變根本沒法提前預測，傳統(tǒng)的靜態(tài)校準方法完全不管用。

分子銅墨水：穩(wěn)定性接近純銅(Bulk Copper)

這篇論文里最核心的材料創(chuàng)新是一種叫做銅分子分解墨水（CuMOD）的東西。

這個墨水不是簡單的銅納米顆粒懸浮液，而是基于甲酸銅的分子級材料。

研究團隊用球磨法合成這種墨水，原料是甲酸銅、二甘醇丁醚和二甲基甲酰胺，質(zhì)量比是0.45:5:0.45。

球磨轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)每分鐘，磨一個小時。之后離心去除多余溶劑，再重新分散。

燒結(jié)之后，甲酸銅會分解成致密的銅納米顆粒薄膜。

上圖事CuMOD墨水在不同應變和溫度條件下的射頻性能測試，S11參數(shù)始終保持在-10dB以下。

這個墨水最大的優(yōu)勢是穩(wěn)定性。論文里給出的數(shù)據(jù)顯示，導電率可以達到47 MS/m，大約是純銅的81%。

更關(guān)鍵的是，在50°C的溫度變化范圍內(nèi)，電阻率變化率極低，小于0.1%每攝氏度。

這個數(shù)字已經(jīng)非常接近純銅的表現(xiàn)了。

團隊還做了幾組環(huán)境穩(wěn)定性測試。在85%相對濕度環(huán)境下放置250小時，電阻基本沒有波動。在飽和鹽水溶液中浸泡，也保持穩(wěn)定。

這說明這種墨水不僅抗氧化能力強，而且在惡劣環(huán)境下也能保持性能。

應變測試更直觀。他們打印了一個偶極天線，結(jié)果顯示，在工作頻段內(nèi)S11始終低于-13dB，意味著95%以上的信號都能傳輸出去，反射損耗很小。

溫度測試也類似，從室溫加熱到60°C，S11都保持在-20dB以下，信號傳輸效率超過99%。

雖然導電率還是比不上純銅，但考慮到成本和加工靈活性，這個性能已經(jīng)足夠?qū)嵱昧恕?/p>

3D打印多層結(jié)構(gòu)：從墨水到系統(tǒng)

光有好墨水還不夠，真正的挑戰(zhàn)在于如何把它集成到完整的系統(tǒng)里。

論文展示的3D打印天線陣列采用了多層結(jié)構(gòu)設計，每一層都用了不同的增材制造（基于直寫）方案。

上圖展示了基于3D打印的柔性天線陣列多層結(jié)構(gòu)，不同層使用不同的墨水和基板材料。

最上面第一層是天線單元，用銀墨水打印在基板上。

選擇銀墨水是因為它的燒結(jié)溫度低，不會讓熱塑性聚氨酯基板變形。

基版厚度7.62毫米，作為天線的介質(zhì)層。

第二層是天線的反射板，用的是商用銅箔。

雖然不是3D打印，但保留了傳統(tǒng)工藝在這一層的優(yōu)勢。

第三層是射頻走線，同樣用商用銅箔。

這一層對阻抗特性要求很高，用成熟工藝更保險。

第四層是非射頻走線，這里就用上了前面提到的CuMOD墨水。

這些走線對阻抗要求沒那么嚴格，但需要柔性，CuMOD正好合適。

第五層是集成電路芯片的安裝層，同樣用CuMOD墨水打印連接。

各層之間用銅-銀復合過孔連接，保證阻抗匹配。

基板用的是0.127毫米厚的DuPont Pyralux聚酰亞胺，中間用0.0508毫米的環(huán)氧樹脂粘合。

整個結(jié)構(gòu)的面密度是0.464克每平方厘米，厚度大約8毫米。

掃描電鏡圖像清晰顯示了CuMOD墨水燒結(jié)前后的變化。燒結(jié)前是1-25微米的甲酸銅片狀顆粒，燒結(jié)后形成致密滲透的銅納米顆粒薄膜。

這種致密結(jié)構(gòu)正是高導電率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

整體而言，這種分層設計很聰明。

關(guān)鍵射頻層用成熟工藝保證性能，次要的連接層用3D打印降低成本和提高柔性。

實測顯示，單通道反射系數(shù)在工作頻段內(nèi)低于-10dB，轉(zhuǎn)換增益接近10dB，輻射方向圖符合設計預期。

硅芯片補償：讓變形不再是問題

材料問題解決了大半，但3D打印的精度和均勻性還是比不上傳統(tǒng)工藝。

加上柔性天線本身會變形，波束指向誤差不可避免。

論文給出的方案是在硅芯片里集成一個動態(tài)波束穩(wěn)定處理器（DBS）。

這個處理器會實時監(jiān)測波束輸出功率，然后自動調(diào)整每個天線單元的相位，讓輸出功率最大化。

實測顯示，上圖展示了在38厘米曲率半徑的嚴重變形下，DBS可以把7度的波束指向誤差降低到1.5度以內(nèi)。

重要的是，這個處理器不需要外部傳感器測量形變，所有調(diào)整都基于波束輸出本身的反饋。

上圖是4通道波束形成接收機架構(gòu)，包含下變頻器、離散時間波束形成器和閉環(huán)DBS反饋。

從電路實現(xiàn)來看，每個2×2天線單元配備一個波束形成集成電路（BFIC），芯片面積僅1.6×1.6毫米。

這種設計既保證低功耗，又實現(xiàn)了對每個通道增益、相位和延遲的獨立控制。

AM易道思考

這篇論文給我們最大的啟發(fā)，是它展示了增材制造柔性/共形天線實用路徑。

材料性能方面，這篇論文的CuMOD墨水的導電率是純銅的81%，對于很多應用來說已經(jīng)夠用，剩下的問題用芯片和算法來補償。

而且它解決了銅墨水氧化問題，在85%濕度和鹽水環(huán)境下能保持穩(wěn)定。

另外一個關(guān)鍵點是，這個團隊沒有追求全3D打印。

關(guān)鍵的射頻層還是用傳統(tǒng)銅箔，只在合適的地方用增材制造。

需要特別說明的是，這篇論文采用的增材制造技術(shù)是基于導電墨水的直接書寫和噴印技術(shù)，而不是我們常見的選區(qū)激光熔化（SLM）等金屬3D打印技術(shù)。

這種墨水打印方法更適合柔性基板，成本更低，也更容易實現(xiàn)大面積制造。

當然，共形天線領(lǐng)域也有不少采用SLM技術(shù)的案例，特別是在需要復雜三維金屬結(jié)構(gòu)的場景。

AM易道后續(xù)會專門分享SLM技術(shù)在共形天線上的應用，那又是另一條技術(shù)路線，更注重攻破隨形、輕量化以及實現(xiàn)電磁性能的新型復雜結(jié)構(gòu)。

接下來幾年，AM易道相信會看到越來越多基于增材共形天線的商業(yè)化產(chǎn)品。

畢竟，低成本、抗氧化、柔性可變形，再加上增材制造本身的快速迭代和復雜幾何結(jié)構(gòu)成型能力，對于無人機、可穿戴設備和共形天線這類需要個性化定制的市場來說，吸引力實在太大。

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