UCB 郑小雨教授团队 l 基于光固化的3D打印技术,通过电荷编程3D打印制造超轻多材料天线

3D科学谷洞察

随着5G/6G通信、物联网、可穿戴设备以及航空航天等前沿领域对天线性能和功能要求的多样化，电荷编程3D打印可根据不同应用场景和需求，快速进行定制化设计，无需像传统制造那样对生产线进行大规模调整，大大提高了设计的灵活性和效率。”

随着5G/6G通信、物联网（IoT）和小型卫星通信的快速发展，对轻量化、高性能天线的需求不断增长。然而，传统的光刻和机械加工工艺因复杂几何结构和多层材料集成的局限，难以满足新一代天线设计的要求。增材制造（AM）技术为天线制造带来了新机遇，能实现一定的3D结构或多层设计。然而，大多数现有工艺只能使用单一材料，或需复杂多工艺协作来结合金属和电介质，导致流程繁琐、支撑材料消耗大，增加了整体重量。

据此，加州大学伯克利分校（UCB）郑小雨教授、加州大学洛杉矶分校（UCLA）Yahya Rahmat-Samii教授（共同通讯）开发了这一创新的3D打印平台，显著简化了复杂天线结构的生产流程。该平台被命名为“电荷编程多材料3D打印”（Charge Programmed Deposition, CPD），其核心技术是在三维结构中将高导电性金属与各种介电材料高效结合。与传统方法需要使用昂贵的金属粉末和高能激光不同，CPD平台采用基于光固化的3D打印技术, 结合催化材料能够在聚合物基体上实现定向金属沉积，从而成功制造出结构复杂、重量轻且性能优异的天线。

2025年1月8日，相关工作以“ Ultra-light antennas via charge programmed deposition additive manufacturing ”为题发表在Nature Communications上。

研究团队开发了一种基于电荷编程的多材料增材制造技术。通过创新组合带电光单体和中性树脂的打印，以及后续金属沉积工艺，实现了高精度、超轻量、多层互穿的金属-电介质天线结构。该技术简化了制造流程，同时提升了性能，为新一代通信与航天天线设计提供了突破性方案。

电荷程序化沉积（CPD）制造程序是基于图案化和控制表面电荷极性，通过多材料印刷具有不同悬挂反应基团的光单体。电荷编程的3D镶嵌，结合了正、负、中性带电区域，形成了一个图案衬底，可以在其上进行金属和其他功能材料的选择性微加工 - 当3D衬底内的子域和沉积材料具有相反的电荷极性时，存在吸引和沉积；类似极性或无极性（中性）排斥或不镀（图1A）。图1B展示了平台的多功能性，几乎所有类型的天线都减轻了重量。图1B显示了由CPD制造的用于产生高定向辐射的s环梯度相位发射阵列，图1C所示为三维布局中电介质和金属互穿的CPD维瓦尔第天线。图1D展示了一个具有三维互穿阿基米德螺旋和希尔伯特曲线的3D折叠植入式电小天线。传统上，这些通常是通过用光刻技术生成的金属图案堆叠、组装或折叠覆铜层板来组装的。过量的介电层压板材料限制了三维设计的自由度，导致重量过重。图1E显示了打印的3D分形天线，否则将通过选择性激光烧结制造，这通常受到烧结的大块铜表面非常粗糙的影响。图1F显示了集成了用于产生宽带圆偏振的隔膜偏振器的喇叭天线。凭借高打印精度，简单的工艺协议和巨大的设计自由度，CPD为制造所有类型的轻型天线提供了一个通用平台。

图1. 电荷编程沉积增材制造作为快速生产3D天线系统的多功能平台

高性能3D天线需要高质量的金属沉积来最大化信噪比。通过调整交联剂和电荷单体的比例，实现了Pd在粒径和嵌入到带电表面深度上的可控分布（图2A）。因此，这确保了有效催化下的铜沉积无裂纹、致密、光滑和均匀，如图2B、C所示。该技术为图案金属实现了18µm的精细特征尺寸（图2D）。对于介电相位，将电荷可编程材料从刚性聚合物扩展到各种其他材料。通过将带负电荷的单体双（2-（甲基丙烯酰氧基）乙基）磷酸（PDD）引入商用超低介电损耗树脂、聚酰亚胺前体、环氧树脂、柔性丙烯酸酯和陶瓷树脂中（图2E至2H）。图2E显示了一个使用商用超低介电损耗树脂打印的带有3D金属图案的折叠电小型天线的示例，该树脂适用于高频应用。将PDD混入中性树脂中得到负极树脂，使用CPD，在聚酰亚胺（图2F）上实现了选择性铜沉积，制造了具有介电性能和机械性能的透射阵列。将PDD与单功能丙烯酸酯混合，在弹性体上配制了铜CPD树脂（图2G）。此方法不仅适用于聚合物体系，也适用于陶瓷体系。将PDD引入可打印的中性陶瓷树脂中，得到负极陶瓷树脂，并打印出陶瓷全球定位系统（GPS）天线，如图2H所示。

图2. 树脂优化和对其他材料的延伸

大多数发射阵列单元至少需要三层以电介质间隔的金属元件，以达到期望的传输效率和相位控制。受传统工艺的限制，单元电池被设计在镀铜的PCB层压板上，如图3A所示。因此，金属之间的间距不可避免地被笨重的介电材料填充，这在功能上是不必要的。本研究演示了圆极化（CP）19-GHz超轻发射阵列天线的设计和打印。利用CPD工艺，创新了发射阵列单元电池拓扑结构，并提出了一种结构优化的s环单元电池（图3B），以最大限度地减少介电材料的使用（图3C）。为了实现直接3D打印的设计，在数字CAD模型中将结构分为金属化和介电区，并根据极性分配带电树脂。打印是通过集成流体处理过程来将带电和不带电的材料组合成一个单一结构来实现的。单元电池包含三层由铜制成的s形环元件，并由气隙隔开。电介质骨架仅用于支撑铜元件并维持元件间和层间的间距，如图3D，E所示。

图3. 超轻传输阵列和可扩展性

设计并打印了一个19-GHz的CP喇叭天线作为发射阵列的馈电源（图4A）。与全金属喇叭或完全涂有导电材料的印刷聚合物喇叭不同，喇叭重量仅为介电体的12克，仅在电磁波传播的内部表面有选择性图案的薄层铜。喇叭由复杂的内部结构组成，如图4A所示，包括弯曲波导过渡，带有隔膜偏振器的方形波导部分，方形到圆形适配器和圆形喇叭部分。这些复杂的内部特征使得这种喇叭装置的单片制造无法通过传统技术实现，但可以通过CPD工艺实现。打印的CP馈电喇叭在UCLA的球形近场天线测量范围内单独测量，测量到的19-GHz辐射图如图4B所示，与仿真结果进行了比较得到了很好的一致性。测量的宽侧轴比为0.1 dB，表明具有良好的圆极化纯度。模拟的喇叭指向性为15.2 dBi，实测的指向性为15.4 dBi。在19 GHz时，喇叭馈电口处的失配损耗仅为0.1 dB，如图4C所示。这些结果表明，该喇叭是精确打印的，可以作为发射阵列的馈源。

然后，将CPD制造的发射阵列和喇叭天线结合起来，形成一个全3D打印的天线系统（图5A）。采用制作的喇叭天线作为馈源，在UCLA的球形近场天线测量范围内测量了通过平铺制作的发射阵列（图5B为20厘米平铺发射阵列）。将19 GHz发射阵系统的代表性辐射方向图与图5C的模拟方向图进行了比较，结果吻合较好。当用作Risley棱镜天线（RPA）的梯度相位发射阵列（GPTA）面板时，轻型发射阵列架构可以实现其他先进的天线应用，如2D波束转向。该RPA利用GPTA面板和梯度相位馈电阵列（GPFA）面板的旋转来动态控制孔径梯度，从而控制光束扫描角度（图5E）。采用类似的3层S环单元格设计构建轻质GPTA，然后将其打印（图1B），并在UCLA球形近场天线测量范围内的全RPA系统中进行测量（图5F）。打印的GPTA重量仅为28克，与基于传统层压板的相同尺寸的GPTA相比，重量减轻了50%以上。

图5. 3D打印天线系统

研究表明，该工艺在19GHz频段的天线性能与数值模拟高度一致，显示出在微波、毫米波及更高频段（如太赫兹）下的潜力。通过引入特殊填料或调控金属层厚度，可进一步降低损耗和提升增益。然而，目前工艺的自动化程度较低，需人工更换材料和清洗，同时在极端温度和高频下的性能仍需进一步验证。研究团队指出，通过优化材料和提高金属层均匀性，可显著降低欧姆损耗。

综上，这项电荷编程多材料增材制造技术实现了轻量化、高性能的复杂天线设计，为5G/6G、卫星通信和可穿戴设备等领域带来了新可能。随着自动化与材料体系的进一步完善，电荷编程3D打印有望成为未来高性能天线量产和快速迭代的一条重要技术路线。

Wang, Z., Hensleigh, R., Xu, Z. et al. Ultra-light antennas via charge programmed deposition additive manufacturing. Nat Commun 16, 427 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-024-53513-w

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