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篇。

共形天線一直是航空航天和移動通信領域的理想方案。

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定，二是天線一旦變形，波束指向就會出錯，通信質量直線下降。

上圖展示了無人機機翼的動態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合團隊在Nature Communications上發表了一篇論文，提出了一套完整的解決方案。

這個方案的特別之處在于，它把材料創新、硅基芯片設計和實時控制算法整合到一起，實現了柔性天線陣列的動態波束穩定。

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表述，有大量原創主觀的解讀創作成分，如需要了解更多原始硬核技術內容，請自行閱讀原文。

傳統的相控陣天線用的是剛性電路板，銅箔走線。

這種結構當然性能穩定，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生偏移。

第二個是物理形變問題。

柔性天線的優勢就是能彎曲，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發生動態形變，這種實時變化的形變根本沒法提前預測，傳統的靜態校準方法完全不管用。

分子銅墨水：穩定性接近純銅(Bulk Copper)

這篇論文里最核心的材料創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，質量比是0.45:5:0.45。

球磨轉速300轉每分鐘，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，S11參數始終保持在-10dB以下。

這個墨水最大的優勢是穩定性。論文里給出的數據顯示，導電率可以達到47 MS/m，大約是純銅的81%。

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

這個數字已經非常接近純銅的表現了。

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

這說明這種墨水不僅抗氧化能力強，而且在惡劣環境下也能保持性能。

應變測試更直觀。他們打印了一個偶極天線，結果顯示，在工作頻段內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，這個性能已經足夠實用了。

3D打印多層結構：從墨水到系統

光有好墨水還不夠，真正的挑戰在于如何把它集成到完整的系統里。

論文展示的3D打印天線陣列采用了多層結構設計，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構，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，但保留了傳統工藝在這一層的優勢。

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毫米的環氧樹脂粘合。

整個結構的面密度是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墨水燒結前后的變化。燒結前是1-25微米的甲酸銅片狀顆粒，燒結后形成致密滲透的銅納米顆粒薄膜。

這種致密結構正是高導電率和穩定性的關鍵。

整體而言，這種分層設計很聰明。

關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，單通道反射系數在工作頻段內低于-10dB，轉換增益接近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波束穩定處理器（DBS）。

這個處理器會實時監測波束輸出功率，然后自動調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。

重要的是，這個處理器不需要外部傳感器測量形變，所有調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，包含下變頻器、離散時間波束形成器和閉環DBS反饋。

從電路實現來看，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，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%濕度和鹽水環境下能保持穩定。

另外一個關鍵點是，這個團隊沒有追求全3D打印。

關鍵的射頻層還是用傳統銅箔，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是基于導電墨水的直接書寫和噴印技術，而不是我們常見的選區激光熔化（SLM）等金屬3D打印技術。

這種墨水打印方法更適合柔性基板，成本更低，也更容易實現大面積制造。

當然，共形天線領域也有不少采用SLM技術的案例，特別是在需要復雜三維金屬結構的場景。

AM易道后續會專門分享SLM技術在共形天線上的應用，那又是另一條技術路線，更注重攻破隨形、輕量化以及實現電磁性能的新型復雜結構。

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化產品。

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構成型能力，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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