蝶变！光固化3D打印轻量化铜天线！荷电编程沉积让重量减轻94%

如果5G基站的天线重量能减轻94%，会带来什么样的变革？什么样的制造技术能实现？

另外一个更重要的问题是，如何用普通光固化设备实现超精细的金属3D打印？

2025年1月8日，《自然·通讯》（Nature Communications）发表了一项重磅研究，加州大学伯克利分校和洛杉矶分校的研究团队展示了一种新颖的3D打印技术，不仅让天线重量大幅减轻，还实现了更优异的性能。

这或将打开3D打印在通信设备制造的应用前景。

更有可能是开辟一条金属3D打印的新路线！

行业痛点：传统制造工艺的瓶颈

当前，5G基站建设正面临着不少痛点。

比如传统的天线不仅重量大、成本高，安装维护也十分困难。

在小型卫星通信领域，每一克重量都意味着巨大的发射成本。

可穿戴设备制造商则一直在寻找更轻便、更灵活的天线解决方案。

这些行业痛点，都指向同一个核心诉求：如何实现天线的轻量化和高性能。

AM易道认为，本文的创新恰恰击中了行业痛点。

技术革新：荷电编程沉积的惊艳亮相

突破源于制造工艺的创新。

研究团队开发的荷电编程沉积（CPD）技术的核心在于通过精确控制打印材料的电荷分布，实现材料的选择性沉积。

当基底和沉积材料带有相反的电荷时，二者产生吸引作用实现定向沉积；而相同电荷或中性则会产生排斥或无反应。

这种独特的机制使得复杂的3D电子结构可以直接打印成型，无需传统工艺中繁琐的支撑结构和后处理步骤。

如图1所示，研究团队利用这项技术成功制造了多种类型的天线。

从图1B-F的实物展示可以看出，该技术已经成功制造了多种类型的天线：

• 一个具有三层互穿S形环和介电材料的梯度相位透射阵列（图1B）

• 金属和介电材料完美集成的Vivaldi天线（图1C）

• 具有创新折叠结构的小型电天线（图1D）

• 高性能树形分形天线（图1E）

• 带有复杂内部结构的喇叭天线（图1F）

工艺创新：从材料到制造的全方位突破

深入技术细节，我们可以看到这项创新的独特之处。

研究团队选择了ANYCUBIC的Photon Mono X台式光固化打印机作为基础平台。3D打印机经过创新改造，摇身一变成为了高精度的电子器件制造系统。

材料配方的开发是整个技术的基石。研究团队开发的树脂体系包含了带负电荷的PDD（双（2-甲基丙烯酰氧基乙基）磷酸酯）和中性的TMPTA（三羟甲基丙烷三丙烯酸酯）。

通过精确调控这两种成分的比例（10/90到50/50），再配合光引发剂Irg819和染料Sudan I，成功实现了电荷密度的精确控制。

金属化过程中的钯离子原位还原技术是另一个创新亮点。

如图2所示，通过控制交联剂与电荷单体的比例，研究团队实现了钯纳米粒子在带电区域的定向嵌入。

AM易道再来解释下，光固化究竟是如何实现金属打印的？

光固化打印实际上并不是直接打印金属，而是通过一种巧妙的"诱导生长"方式实现金属图案的形成。

想象一下在一张白纸上用特殊墨水画画，墨水干后的痕迹能够吸引金属在这些地方生长出来，这就是荷电编程沉积技术的基本原理。

具体来说，研究团队开发的特殊光敏树脂中含有带电荷的分子。

当使用光固化打印机进行打印时，这些带电荷的分子会在被光照射的区域形成特定的图案。

这些带电区域就像磁铁一样，能够吸引带相反电荷的金属离子（在本研究中是钯离子）定向沉积。

随后，这些沉积的钯离子会被还原成纳米颗粒，进而催化铜在这些区域生长，最终形成导电的金属结构。

扫描电镜图像（图2B）和原子力显微镜图像（图2C）清晰地展示了沉积铜层的致密性和平整度。

最小特征尺寸达到18微米（图2D），这与投影光固化系统的像素尺寸相当。

AM易道认为，这种精确的工艺控制是实现高性能的关键。在UCLA的球面近场天线测试实验室，测试结果印证了这一点。

该技术实现了近乎本体铜（4.9×107 S/m）的导电性能，几乎达到退火铜（5.8×107 S/m）的水平。这一突破对高频通信应用具有重大意义。

超轻透射阵列：从概念到现实

研究团队在透射阵列天线的研制中取得了显著突破。

如图3所详细展示，具体来说，相同尺寸的12厘米透射阵列，传统PCB工艺（采用Rogers RO3003铜覆板）制造的天线重达80g，而采用CPD技术制造的天线重量仅为5g，实现了惊人的94%减重。

这种显著的重量优势源于S形环单元的结构优化设计，完全颠覆了传统天线不得不使用大量介质基板作为支撑的制造理念。

传统透射阵列天线通常需要至少三层金属元件，并且不得不使用大量介质材料作为支撑，这些都大大增加了天线重量。

新设计的S形环单元结构（图3B）巧妙地解决了这一问题。

研究团队通过结构优化，将介电材料仅用于支撑铜元件和维持层间距离，大大减少了冗余材料的使用。

测试结果显示，在19GHz工作频率下，该天线表现出优异的传输特性，入射角达20°时传输系数仍保持在-0.7dB以上。

规模化制造：从实验室到产业

面对产业化应用的挑战，研究团队开发出了创新的模块化制造方案。

如图3H-J所示，他们设计了精巧的卡扣结构，实现了大尺寸天线的分块制造和精确组装。这一方案不仅解决了打印设备尺寸限制的问题，还为产品维护和更换提供了便利。

AM易道认为，20厘米直径的透射阵列天线的成功制造，标志着该技术已经具备了工业化应用的基础。

轻量化喇叭天线：复杂结构的完美呈现

研究团队在喇叭天线的设计和制造中同样展现了技术创新。

如图4所示，他们成功制造了一个仅重12克的圆极化喇叭天线。

传统喇叭天线通常采用黄铜整体加工，一个标准的Ka波段喇叭天线重量通常在60-80克左右。

即便是采用金属3D打印技术，由于需要至少1毫米的壁厚来保证结构强度，最终重量也难以突破40克的门槛。

而本研究团队开发的CPD技术制造的喇叭天线重量仅为12克，实现了革命性的突破。

更令人瞩目的是，在大幅减重的同时，性能反而得到了提升。

在传统工艺中，复杂的内部结构往往需要分块加工后组装，这不可避免地带来性能损失。

而CPD技术可以一次性打印完成全部结构，包括蛇形波导过渡、隔板极化器等关键功能部件。

测试结果显示，该天线在19GHz频率下展现出优异性能：

• 宽频带圆极化特性
• 轴比仅为0.1dB
• 方向性达到15.4dBi
• 输入端口的失配损耗仅为0.1dB
  
  

相比传统工艺制造的天线，CPD技术制造的天线在多项关键指标上都展现出优势：轴比提升了0.3dB，方向性提高了0.8dBi，驻波比降低了0.15。

这些提升源于更精确的结构控制和更好的一体化成型效果。

系统集成：完整解决方案的诞生

研究的最后，团队展示了完整的天线系统集成。

如图5所示，他们将自主研发的喇叭天线和透射阵列组合成一个完整的天线系统。

图5B展示了20厘米透射阵列在测试环境中的实况，专业的测试设备确保了数据的准确性和可靠性。

如图5C所示，20厘米透射阵列在19GHz频率下的实测方向图与仿真结果高度吻合。实线展示的左手圆极化（LHCP）共极化方向图和虚线展示的右手圆极化（RHCP）交叉极化方向图，清晰地展现了系统的极化特性。

图5D进一步展示了方向性和轴比随频率的变化特性，在18.5-19.5GHz范围内，方向性的变化仅为0.51dB，轴比始终保持在2dB以下，这些数据都证实了系统的优异性能。

AM易道认为，更具创新性的是团队在波束可控性方面的探索。如图5E所示，他们提出了一种基于梯度相位透射阵列（GPTA）和梯度相位馈源阵列（GPFA）的可控波束RPA系统。

图5F展示了该系统在UCLA球面近场测试系统中的测试场景，而图5G则展示了系统在0°和60°波束指向时的测试结果，证实了该设计在波束控制方面的有效性。

AM易道最后聊两句

这项研究展示了增材制造技术在电子器件领域的巨大潜力。

它解决了当前天线制造中的重量和性能难题。

在通往6G的道路上，更轻、更强、更智能的通信设备，将不再遥不可及。

更重要的是，当一台普通的台式光固化3D打印机可以摇身一变成为金属精密电子器件制造设备，这种转变的意义重大。

在传统认知中，金属3D打印往往意味着昂贵的选区激光熔化（SLM）设备，动辄百万以上的投入，以及复杂的金属粉末处理工艺。

而荷电编程沉积技术的出现，通过巧妙的"诱导生长"方式，让普通的光固化打印机也能实现高精度的金属结构制造，这无疑是对传统制造理念的一次颠覆。

这提醒我们，技术创新的突破口有时就在身边，关键在于如何用创新的思维去发现和释放设备的潜力。

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