突破柔性天线动态形变，增材制造实现“稳”与“省”

在无线通信技术领域，共形相控阵天线因其曲面适应能力和波束扫描灵活性，正成为无人机、可穿戴设备等应用的研究重点。然而，该技术面临动态变形导致的波束指向误差，以及柔性导电材料在成本与性能之间的平衡难题。

华盛顿州立大学的研究人员研发了一种动态波束稳定的增材制造柔性天线阵列，融合了材料与物理形变校正功能，具有低功耗、小面积特性，其瓦片式架构更易扩展，非常适合设备端部署。相关概念验证原型的研究成果已发表于《自然-通讯》期刊，本期谷·专栏将进行简要分享。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-64135-1

增材制造与材料特性：铜分子分解油墨的开发

本研究采用增材制造技术制备柔性天线阵列。论文指出，增材制造"能够在三维平面上实现制造"。所使用的"可打印导电油墨不仅提供比大块铜更大的灵活性，还能实现所有三个轴上相对介电常数的精确快速控制"。

研究团队开发了铜分子分解油墨（CuMOD）。该油墨通过球磨混合铜甲酸酯与溶剂（二甘醇丁醚和二甲基甲酰胺），并经高温处理形成导电结构。论文指出，该油墨"与各种增材制造技术兼容，包括喷墨打印、气溶胶喷射打印和挤出打印"。实验测得该油墨的电导率可达35 MS/m，经过二次高温退火处理后提升至47 MS/m，达到体铜电导率的81%。

论文图1机翼载荷的动态变化与机翼振动会导致天线阵列变形，进而影响无人机的空中无线通信与导航性能。研究团队提出的动态波束稳定处理器能够实时校正波束成形集成电路中因动态形变引起的增益损耗与波束指向误差。

动态波束稳定处理器的实现

研究团队开发了硅基动态波束稳定处理器（DBS），该处理器能够"通过对每个单元的基本增益、相位和延迟进行片上实时控制来实现波束自适应"。DBS采用"基于扰动极值搜索的控制算法"，通过实时监测波束成形输出功率，自动调整各辐射单元的相位和延迟设置。

芯片实现方面（图5），波束成形集成电路（BFIC）的硅面积为1.6 mm× 1.6 mm，DBS处理器的有源硅面积为160 μm × 160 μm。论文指出，该设计是"低功耗、小面积的"，且"DBS是数字综合的，便于集成到先进的细线互补金属氧化物半导体技术中"。

论文图5

系统集成与性能验证

研究采用增材制造技术实现系统集成。如图6所示，天线阵列采用多层结构制造："天线打印在Ninjaflex基板上"，"BFIC及其射频和非射频走线印刷在AP层上"。论文详细说明了制造过程："三个DuPont Pyralux® AP片使用FastRise EZ结合，然后与Ninjaflex基板热粘合"。

论文图4

实验验证（图4）显示，在38 cm曲率半径的弯曲变形下（图4B），DBS系统能够将波束指向误差从7°降低至小于1.5°（图4C）。论文指出，"每个循环收敛以将波束指向误差最小化到<1.5°"，同时观察到2 dB的增益下降（归因于测试支架和视距变化）。

在材料使用方面，论文提供了完整的油墨配置方案（图6）："第1层天线使用银油墨"，"第4层的非射频走线使用CuMOD油墨打印"，"第5层的BFIC连接使用CuMOD油墨打印"。这种多层增材制造方法使得"四个通道的BFIC通过阻抗匹配的过孔和走线连接到每个天线"。

论文图6

电路测试结果（图5E）显示，BFIC单通道在2.05-2.15 GHz频段内的回波损耗小于-10 dB，支持3位增益调节。系统集成方面（图5B），实现了在NinjaFlex基板上的完整集成，最终阵列的面密度为0.464 g/cm²，厚度约8 mm。

讨论与展望

论文在讨论部分指出，增材制造技术提供了"增强的处理灵活性和可扩展性"。DBS解决方案具有"较低的计算复杂度和功率高效的CMOS实现"，使其成为"最先进技术中能效最高的"。

未来工作将"研究直接印刷方法"，开发"低温烧结工艺"，以实现在"PET、热塑性聚氨酯（TPU）、纸张和纺织品"等基材上的直接印刷；同时"需要研究额外的计算技术，以使DBS能够适用于任意波形和空间方向"。

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