3D打印共形天线集成芯片，Nature子刊柔性相控阵突破

AM易道科研分享

本文是对上次快讯的深度解读续篇。

共形天线一直是航空航天和移动通信领域的理想方案。

机翼蒙皮上的天线阵列、无人机表面的通信模块、士兵制服上的可穿戴通信装备，这些应用场景都需要天线能够贴合曲面、承受变形。

但AM易道观察到，真正能投入实用的方案并不多，核心痛点始终没解决：

一是增材制造（基于直写和喷印）的导电墨水性能不稳定，二是天线一旦变形，波束指向就会出错，通信质量直线下降。

上图展示了无人机机翼的动态载荷和振动导致天线阵列变形，影响飞行中的无线通信和导航。

最近华盛顿州立大学、马里兰大学和波音公司的联合团队在Nature Communications上发表了一篇论文，提出了一套完整的解决方案。

这个方案的特别之处在于，它把材料创新、硅基芯片设计和实时控制算法整合到一起，实现了柔性天线阵列的动态波束稳定。

AM易道对于该文章的许多理解和表达已脱离原文章的原始技术表述，有大量原创主观的解读创作成分，如需要了解更多原始硬核技术内容，请自行阅读原文。

传统的相控阵天线用的是刚性电路板，铜箔走线。

这种结构当然性能稳定，但问题是根本弯不了。

一旦要做成共形表面，比如贴合在无人机机翼或者飞机蒙皮上，传统工艺就歇菜了。

增材制造看起来是理想方案。

可以直接把天线和电路打印在柔性基板上，想弯成什么形状都行。

但实际应用中有两个硬伤一直解决不了。

第一个是材料问题。现在主流的导电墨水主要是银基的，导电性能还不错，但成本太高，商业化推广困难。

铜基墨水便宜多了，但有个致命缺陷：铜在空气中特别容易氧化，氧化后电阻会变大，走线的阻抗特性就变了，直接影响射频性能。

而且打印过程中的密度不均匀，也会导致信号传播速度和相位发生偏移。

第二个是物理形变问题。

柔性天线的优势就是能弯曲，但弯曲本身会带来新的麻烦。

天线阵列一旦变形，各个天线单元之间的相对位置和路径长度都会变化，原本设计好的波束指向就不准了。

对于无人机或者飞机来说，飞行过程中机翼载荷变化、振动等因素会导致天线持续发生动态形变，这种实时变化的形变根本没法提前预测，传统的静态校准方法完全不管用。

分子铜墨水：稳定性接近纯铜(Bulk Copper)

这篇论文里最核心的材料创新是一种叫做铜分子分解墨水（CuMOD）的东西。

这个墨水不是简单的铜纳米颗粒悬浮液，而是基于甲酸铜的分子级材料。

研究团队用球磨法合成这种墨水，原料是甲酸铜、二甘醇丁醚和二甲基甲酰胺，质量比是0.45:5:0.45。

球磨转速300转每分钟，磨一个小时。之后离心去除多余溶剂，再重新分散。

烧结之后，甲酸铜会分解成致密的铜纳米颗粒薄膜。

上图事CuMOD墨水在不同应变和温度条件下的射频性能测试，S11参数始终保持在-10dB以下。

这个墨水最大的优势是稳定性。论文里给出的数据显示，导电率可以达到47 MS/m，大约是纯铜的81%。

更关键的是，在50°C的温度变化范围内，电阻率变化率极低，小于0.1%每摄氏度。

这个数字已经非常接近纯铜的表现了。

团队还做了几组环境稳定性测试。在85%相对湿度环境下放置250小时，电阻基本没有波动。在饱和盐水溶液中浸泡，也保持稳定。

这说明这种墨水不仅抗氧化能力强，而且在恶劣环境下也能保持性能。

应变测试更直观。他们打印了一个偶极天线，结果显示，在工作频段内S11始终低于-13dB，意味着95%以上的信号都能传输出去，反射损耗很小。

温度测试也类似，从室温加热到60°C，S11都保持在-20dB以下，信号传输效率超过99%。

虽然导电率还是比不上纯铜，但考虑到成本和加工灵活性，这个性能已经足够实用了。

3D打印多层结构：从墨水到系统

光有好墨水还不够，真正的挑战在于如何把它集成到完整的系统里。

论文展示的3D打印天线阵列采用了多层结构设计，每一层都用了不同的增材制造（基于直写）方案。

上图展示了基于3D打印的柔性天线阵列多层结构，不同层使用不同的墨水和基板材料。

最上面第一层是天线单元，用银墨水打印在基板上。

选择银墨水是因为它的烧结温度低，不会让热塑性聚氨酯基板变形。

基版厚度7.62毫米，作为天线的介质层。

第二层是天线的反射板，用的是商用铜箔。

虽然不是3D打印，但保留了传统工艺在这一层的优势。

第三层是射频走线，同样用商用铜箔。

这一层对阻抗特性要求很高，用成熟工艺更保险。

第四层是非射频走线，这里就用上了前面提到的CuMOD墨水。

这些走线对阻抗要求没那么严格，但需要柔性，CuMOD正好合适。

第五层是集成电路芯片的安装层，同样用CuMOD墨水打印连接。

各层之间用铜-银复合过孔连接，保证阻抗匹配。

基板用的是0.127毫米厚的DuPont Pyralux聚酰亚胺，中间用0.0508毫米的环氧树脂粘合。

整个结构的面密度是0.464克每平方厘米，厚度大约8毫米。

扫描电镜图像清晰显示了CuMOD墨水烧结前后的变化。烧结前是1-25微米的甲酸铜片状颗粒，烧结后形成致密渗透的铜纳米颗粒薄膜。

这种致密结构正是高导电率和稳定性的关键。

整体而言，这种分层设计很聪明。

关键射频层用成熟工艺保证性能，次要的连接层用3D打印降低成本和提高柔性。

实测显示，单通道反射系数在工作频段内低于-10dB，转换增益接近10dB，辐射方向图符合设计预期。

硅芯片补偿：让变形不再是问题

材料问题解决了大半，但3D打印的精度和均匀性还是比不上传统工艺。

加上柔性天线本身会变形，波束指向误差不可避免。

论文给出的方案是在硅芯片里集成一个动态波束稳定处理器（DBS）。

这个处理器会实时监测波束输出功率，然后自动调整每个天线单元的相位，让输出功率最大化。

实测显示，上图展示了在38厘米曲率半径的严重变形下，DBS可以把7度的波束指向误差降低到1.5度以内。

重要的是，这个处理器不需要外部传感器测量形变，所有调整都基于波束输出本身的反馈。

上图是4通道波束形成接收机架构，包含下变频器、离散时间波束形成器和闭环DBS反馈。

从电路实现来看，每个2×2天线单元配备一个波束形成集成电路（BFIC），芯片面积仅1.6×1.6毫米。

这种设计既保证低功耗，又实现了对每个通道增益、相位和延迟的独立控制。

AM易道思考

这篇论文给我们最大的启发，是它展示了增材制造柔性/共形天线实用路径。

材料性能方面，这篇论文的CuMOD墨水的导电率是纯铜的81%，对于很多应用来说已经够用，剩下的问题用芯片和算法来补偿。

而且它解决了铜墨水氧化问题，在85%湿度和盐水环境下能保持稳定。

另外一个关键点是，这个团队没有追求全3D打印。

关键的射频层还是用传统铜箔，只在合适的地方用增材制造。

需要特别说明的是，这篇论文采用的增材制造技术是基于导电墨水的直接书写和喷印技术，而不是我们常见的选区激光熔化（SLM）等金属3D打印技术。

这种墨水打印方法更适合柔性基板，成本更低，也更容易实现大面积制造。

当然，共形天线领域也有不少采用SLM技术的案例，特别是在需要复杂三维金属结构的场景。

AM易道后续会专门分享SLM技术在共形天线上的应用，那又是另一条技术路线，更注重攻破随形、轻量化以及实现电磁性能的新型复杂结构。

接下来几年，AM易道相信会看到越来越多基于增材共形天线的商业化产品。

毕竟，低成本、抗氧化、柔性可变形，再加上增材制造本身的快速迭代和复杂几何结构成型能力，对于无人机、可穿戴设备和共形天线这类需要个性化定制的市场来说，吸引力实在太大。

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