5G/6G通信、可穿戴設(shè)備以及航空航天等前沿領(lǐng)域?qū)p量化、高性能天線的需求持續(xù)增長。然而，傳統(tǒng)制造工藝在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計和多材料集成方面存在顯著限制。據(jù)資源庫了解，2025年3D打印開年首篇《自然·通訊》提出了一種電荷編程多材料增材制造平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)超輕天線結(jié)構(gòu)的打印。

使用電荷編程多材料3D打印 (CPD) 制造的3D分形樹天線

由加州大學(xué)伯克利分校副教授鄭曉宇領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊開發(fā)了這一創(chuàng)新的3D打印平臺，顯著簡化了復(fù)雜天線結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)流程。該平臺被命名為“電荷編程多材料3D打印”（Charge Programmed Deposition, CPD），其核心技術(shù)是在三維結(jié)構(gòu)中將高導(dǎo)電性金屬與各種介電材料高效結(jié)合。

論文來源：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08352-6

與傳統(tǒng)方法需要使用昂貴的金屬粉末和高能激光不同，CPD平臺采用基于光固化的3D打印技術(shù)。結(jié)合催化材料能夠在聚合物基體上實現(xiàn)定向金屬沉積，從而成功制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量輕且性能優(yōu)異的天線。

一、研究背景

隨著5G/6G通信、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和小型衛(wèi)星通信的快速發(fā)展，對輕量化、高性能天線的需求不斷增長。然而，傳統(tǒng)的光刻和機械加工工藝因復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和多層材料集成的局限，難以滿足新一代天線設(shè)計的要求。

CPD制造的梯度相位傳輸陣列，該天線具有三層逐漸傾斜的S環(huán)單元結(jié)構(gòu)

增材制造（AM）技術(shù)為天線制造帶來了新機遇，能實現(xiàn)一定的3D結(jié)構(gòu)或多層設(shè)計。然而，大多數(shù)現(xiàn)有工藝只能使用單一材料，或需復(fù)雜多工藝協(xié)作來結(jié)合金屬和電介質(zhì)，導(dǎo)致流程繁瑣、支撐材料消耗大，增加了整體重量。

對此，研究團(tuán)隊開發(fā)了一種基于電荷編程的多材料增材制造技術(shù)。通過創(chuàng)新組合帶電光單體和中性樹脂的打印，以及后續(xù)金屬沉積工藝，實現(xiàn)了高精度、超輕量、多層互穿的金屬-電介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)。該技術(shù)簡化了制造流程，同時提升了性能，為新一代通信與航天天線設(shè)計提供了突破性方案。

二、研究方法

研究團(tuán)隊通過將帶有不同極性基團(tuán)的光單體混入打印樹脂中，利用投影立體光刻 (SLA) 技術(shù)形成三維結(jié)構(gòu)。在打印件內(nèi)部，特定區(qū)域帶有電荷，而其他區(qū)域保持中性。隨后，通過靜電吸附作用，將金屬墨水（如銅離子前驅(qū)體）選擇性地沉積在帶電區(qū)域，而同性極性或中性區(qū)域則不發(fā)生沉積。通過這一過程，能夠在微觀尺度上實現(xiàn)對金屬沉積位置的精準(zhǔn)控制。

圖 1：電荷編程沉積增材制造——快速生產(chǎn)3D天線系統(tǒng)的多功能平臺

其中，金屬部分采用自催化過程，將鈀金屬納米粒子嵌入帶電區(qū)域的表面，為銅等高導(dǎo)電性金屬的可控沉積提供基底，最終實現(xiàn)高導(dǎo)電性金屬的均勻生長。  
介電部分則在樹脂中加入不同填料（如低介電損耗樹脂、陶瓷粉末或彈性體）以滿足設(shè)計需求，從而調(diào)整介電常數(shù)和力學(xué)性能，使天線具備多功能特性。  
最后，為實現(xiàn)更大尺寸的工業(yè)級天線，研究者采用模塊化拼接設(shè)計，通過卡扣式接口連接各部分組件，既提高了結(jié)構(gòu)完整性，又實現(xiàn)了便捷的組裝與替換。  

圖2：選擇性的優(yōu)化和向其他材料的擴(kuò)展

關(guān)鍵制造流程包括以下步驟：首先，通過SLA技術(shù)打印出帶有圖案化電荷的3D基底；隨后，將打印件浸入電鍍槽中，利用靜電吸附作用選擇性沉積銅或其他功能性金屬；根據(jù)設(shè)計需求，重復(fù)進(jìn)行浸漬和固化工序，逐步構(gòu)建多層金屬-介電互穿結(jié)構(gòu)；最后，進(jìn)行后固化和表面處理，完成具有超輕量特性的高性能天線制造。

三、研究成果

1. 超輕傳輸陣列天線  

圖3：超輕傳輸陣列和可擴(kuò)展性

研究團(tuán)隊展示了一種基于CPD技術(shù)的19GHz發(fā)射陣列天線，由三層互連的S環(huán)形介電/導(dǎo)電元件組成。該天線整體重量僅為傳統(tǒng)PCB天線的1/10（減重94%）。測試結(jié)果表明，其在19GHz下的傳輸系數(shù)和相位補償特性與數(shù)值模擬高度一致，并在較寬的角度范圍內(nèi)保持了穩(wěn)定的電磁性能。

2. 可擴(kuò)展的大孔徑天線

研究者通過模塊化拼接技術(shù)，將天線分割為四個模塊打印并組裝成直徑12厘米和20厘米的發(fā)射陣列。測試顯示，拼接天線的性能與一次成型天線基本一致，僅在方向性和波束寬度上存在不到0.2dB的細(xì)微差異。

3. 輕型喇叭天線與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

圖4：輕型喇叭天線

研究團(tuán)隊將CPD技術(shù)擴(kuò)展至喇叭天線，設(shè)計出具有復(fù)雜內(nèi)部通道的輕型天線。通過內(nèi)部嵌入隔膜極化器和蜿蜒波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)，并在關(guān)鍵表面鍍覆超薄銅層，顯著減輕了重量（減重超過5倍）。同時，其輻射方向圖和軸比性能與模擬值保持高度一致。

4. 波束控制與多功能集成

圖5：3D打印天線系統(tǒng)

進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計后，研究團(tuán)隊將發(fā)射陣列和喇叭天線組合成全3D打印天線系統(tǒng)，展示了2D波束掃描的Risley棱鏡天線（RPA）功能，驗證了該技術(shù)在高集成度和系統(tǒng)化設(shè)計中的潛力。  

四、總結(jié)展望

研究表明，該工藝在19GHz頻段的天線性能與數(shù)值模擬高度一致，顯示出在微波、毫米波及更高頻段（如太赫茲）下的潛力。通過引入特殊填料或調(diào)控金屬層厚度，可進(jìn)一步降低損耗和提升增益。然而，目前工藝的自動化程度較低，需人工更換材料和清洗，同時在極端溫度和高頻下的性能仍需進(jìn)一步驗證。研究團(tuán)隊指出，通過優(yōu)化材料和提高金屬層均勻性，可顯著降低歐姆損耗。

一種3D折疊可植入電小型天線，具有相互貫穿的阿基米德螺線和希爾伯特曲線

綜上所述，這項電荷編程多材料增材制造技術(shù)實現(xiàn)了輕量化、高性能的復(fù)雜天線設(shè)計，為5G/6G、衛(wèi)星通信和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域帶來了新可能。隨著自動化與材料體系的進(jìn)一步完善，電荷編程3D打印有望成為未來高性能天線量產(chǎn)和快速迭代的一條重要技術(shù)路線。

5G/6G通信、可穿戴設(shè)備以及航空航天等前沿領(lǐng)域?qū)p量化、高性能天線的需求持續(xù)增長。然而，傳統(tǒng)制造工藝在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計和多材料集成方面存在顯著限制。據(jù)資源庫了解，2025年3D打印開年首篇《自然·通訊》提出了一種電荷編程多材料增材制造平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)超輕天線結(jié)構(gòu)的打印。

使用電荷編程多材料3D打印 (CPD) 制造的3D分形樹天線

由加州大學(xué)伯克利分校副教授鄭曉宇領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊開發(fā)了這一創(chuàng)新的3D打印平臺，顯著簡化了復(fù)雜天線結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)流程。該平臺被命名為“電荷編程多材料3D打印”（Charge Programmed Deposition, CPD），其核心技術(shù)是在三維結(jié)構(gòu)中將高導(dǎo)電性金屬與各種介電材料高效結(jié)合。

論文來源：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08352-6

與傳統(tǒng)方法需要使用昂貴的金屬粉末和高能激光不同，CPD平臺采用基于光固化的3D打印技術(shù)。結(jié)合催化材料能夠在聚合物基體上實現(xiàn)定向金屬沉積，從而成功制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量輕且性能優(yōu)異的天線。

一、研究背景

隨著5G/6G通信、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和小型衛(wèi)星通信的快速發(fā)展，對輕量化、高性能天線的需求不斷增長。然而，傳統(tǒng)的光刻和機械加工工藝因復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和多層材料集成的局限，難以滿足新一代天線設(shè)計的要求。

CPD制造的梯度相位傳輸陣列，該天線具有三層逐漸傾斜的S環(huán)單元結(jié)構(gòu)

增材制造（AM）技術(shù)為天線制造帶來了新機遇，能實現(xiàn)一定的3D結(jié)構(gòu)或多層設(shè)計。然而，大多數(shù)現(xiàn)有工藝只能使用單一材料，或需復(fù)雜多工藝協(xié)作來結(jié)合金屬和電介質(zhì)，導(dǎo)致流程繁瑣、支撐材料消耗大，增加了整體重量。

對此，研究團(tuán)隊開發(fā)了一種基于電荷編程的多材料增材制造技術(shù)。通過創(chuàng)新組合帶電光單體和中性樹脂的打印，以及后續(xù)金屬沉積工藝，實現(xiàn)了高精度、超輕量、多層互穿的金屬-電介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)。該技術(shù)簡化了制造流程，同時提升了性能，為新一代通信與航天天線設(shè)計提供了突破性方案。

二、研究方法

研究團(tuán)隊通過將帶有不同極性基團(tuán)的光單體混入打印樹脂中，利用投影立體光刻 (SLA) 技術(shù)形成三維結(jié)構(gòu)。在打印件內(nèi)部，特定區(qū)域帶有電荷，而其他區(qū)域保持中性。隨后，通過靜電吸附作用，將金屬墨水（如銅離子前驅(qū)體）選擇性地沉積在帶電區(qū)域，而同性極性或中性區(qū)域則不發(fā)生沉積。通過這一過程，能夠在微觀尺度上實現(xiàn)對金屬沉積位置的精準(zhǔn)控制。

圖 1：電荷編程沉積增材制造——快速生產(chǎn)3D天線系統(tǒng)的多功能平臺

其中，金屬部分采用自催化過程，將鈀金屬納米粒子嵌入帶電區(qū)域的表面，為銅等高導(dǎo)電性金屬的可控沉積提供基底，最終實現(xiàn)高導(dǎo)電性金屬的均勻生長。  
介電部分則在樹脂中加入不同填料（如低介電損耗樹脂、陶瓷粉末或彈性體）以滿足設(shè)計需求，從而調(diào)整介電常數(shù)和力學(xué)性能，使天線具備多功能特性。  
最后，為實現(xiàn)更大尺寸的工業(yè)級天線，研究者采用模塊化拼接設(shè)計，通過卡扣式接口連接各部分組件，既提高了結(jié)構(gòu)完整性，又實現(xiàn)了便捷的組裝與替換。  

圖2：選擇性的優(yōu)化和向其他材料的擴(kuò)展

關(guān)鍵制造流程包括以下步驟：首先，通過SLA技術(shù)打印出帶有圖案化電荷的3D基底；隨后，將打印件浸入電鍍槽中，利用靜電吸附作用選擇性沉積銅或其他功能性金屬；根據(jù)設(shè)計需求，重復(fù)進(jìn)行浸漬和固化工序，逐步構(gòu)建多層金屬-介電互穿結(jié)構(gòu)；最后，進(jìn)行后固化和表面處理，完成具有超輕量特性的高性能天線制造。

三、研究成果

1. 超輕傳輸陣列天線  

圖3：超輕傳輸陣列和可擴(kuò)展性

研究團(tuán)隊展示了一種基于CPD技術(shù)的19GHz發(fā)射陣列天線，由三層互連的S環(huán)形介電/導(dǎo)電元件組成。該天線整體重量僅為傳統(tǒng)PCB天線的1/10（減重94%）。測試結(jié)果表明，其在19GHz下的傳輸系數(shù)和相位補償特性與數(shù)值模擬高度一致，并在較寬的角度范圍內(nèi)保持了穩(wěn)定的電磁性能。

2. 可擴(kuò)展的大孔徑天線

研究者通過模塊化拼接技術(shù)，將天線分割為四個模塊打印并組裝成直徑12厘米和20厘米的發(fā)射陣列。測試顯示，拼接天線的性能與一次成型天線基本一致，僅在方向性和波束寬度上存在不到0.2dB的細(xì)微差異。

3. 輕型喇叭天線與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

圖4：輕型喇叭天線

研究團(tuán)隊將CPD技術(shù)擴(kuò)展至喇叭天線，設(shè)計出具有復(fù)雜內(nèi)部通道的輕型天線。通過內(nèi)部嵌入隔膜極化器和蜿蜒波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)，并在關(guān)鍵表面鍍覆超薄銅層，顯著減輕了重量（減重超過5倍）。同時，其輻射方向圖和軸比性能與模擬值保持高度一致。

4. 波束控制與多功能集成

圖5：3D打印天線系統(tǒng)

進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計后，研究團(tuán)隊將發(fā)射陣列和喇叭天線組合成全3D打印天線系統(tǒng)，展示了2D波束掃描的Risley棱鏡天線（RPA）功能，驗證了該技術(shù)在高集成度和系統(tǒng)化設(shè)計中的潛力。  

四、總結(jié)展望

研究表明，該工藝在19GHz頻段的天線性能與數(shù)值模擬高度一致，顯示出在微波、毫米波及更高頻段（如太赫茲）下的潛力。通過引入特殊填料或調(diào)控金屬層厚度，可進(jìn)一步降低損耗和提升增益。然而，目前工藝的自動化程度較低，需人工更換材料和清洗，同時在極端溫度和高頻下的性能仍需進(jìn)一步驗證。研究團(tuán)隊指出，通過優(yōu)化材料和提高金屬層均勻性，可顯著降低歐姆損耗。

一種3D折疊可植入電小型天線，具有相互貫穿的阿基米德螺線和希爾伯特曲線

綜上所述，這項電荷編程多材料增材制造技術(shù)實現(xiàn)了輕量化、高性能的復(fù)雜天線設(shè)計，為5G/6G、衛(wèi)星通信和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域帶來了新可能。隨著自動化與材料體系的進(jìn)一步完善，電荷編程3D打印有望成為未來高性能天線量產(chǎn)和快速迭代的一條重要技術(shù)路線。