3D打印新应用！西交大铝合金涡旋波束生成器，开辟下一代无线通信

本文分享发布在OpticsExpress的3D打印涡旋波束生成器及其性能研究。

注：本文虽包含AM易道原创内容，但主要内容选自学术研究。

在5G与6G技术驱动的通信变革时代，一项3D打印相关的创新成果展现在我们面前。

西交大的研究团队成功开发出一款基于3D打印技术的涡旋波束（OAM）生成器，这一创新不仅实现了高效的信号传输，更为未来高容量无线通信系统开辟了新的可能。

什么是涡旋波束（OAM）生成器 ？

AM易道正在拥挤的音乐节现场，成千上万的人同时使用手机上网。

传统的无线信号就像一位服务员在拥挤的餐厅里直线穿梭，要穿过层层人群才能把信息送达，效率低下还容易受阻。

这种情况下，AM易道想发篇公众号文章根本发不出来！

而涡旋波束技术则像是一个会"跳螺旋舞"的信号！

它不是简单地直线传播，而是像DNA双螺旋一样，以旋转的方式传递信息。

这种独特的传播方式就像给信号开辟了一条"空中高速公路"，可以同时传输更多的信息。

这个新研发的涡旋波束生成器，就是这种"螺旋舞者"的编舞大师。它由三个关键部分组成：

• 信号分配器：就像一个精密的交通指挥官，将信号均匀地分成八份

• 相位延迟线：为每份信号安排不同的"出场时间"

• 圆形天线阵列：八个专业的"舞者"，按照预定的节奏将信号送出去
  
  

神奇的是，研究团队通过3D打印技术，把这个复杂的"编舞系统"做成了一个完整的整体，就像用3D打印机打印出一个精密的乐器。

这不仅降低了成本，还提高了性能的稳定性。

在28GHz的高频段下，这个系统能够实现85%的效率，就像一个能量转换效率特别高的发动机。

而且，它还能有效地过滤掉不需要的信号干扰，保证信息传输的清晰度。

当AM易道在体育场、音乐节、各大3D打印展会这样的人群密集场所使用手机发文章乃至直播时，再也不用担心网络拥堵的问题了！

这就是涡旋波束生成器的魅力，让通信数据在空中优雅地舞动，高效地传递！

细看突破性设计：融合滤波与涡旋波束生成

这款创新设计的核心在于其独特的集成架构。

工作在26.0-30.0 GHz频段，系统增益超过13 dBi，带外抑制优于30 dB，总效率达到约85%。

从图1可以看出，整个系统由三个关键部分组成：集成全谐振器1-8滤波功率分配器、八相位延迟线和八喇叭圆形阵列。

这种设计不仅确保了信号的高效传输，还能有效抑制不需要的频段干扰。特别值得一提的是其功率分配系统的创新设计。

如图2所示，研究团队开发的滤波功率分配器采用了32个矩形谐振腔，通过精心设计的耦合系数，实现了信号的均匀分配和相位控制。

在28.0 GHz的中心频率下实现了14.2%的分数带宽和18 dB的带内回波损耗。

这种设计在保证信号质量的同时，还大幅提升了系统的集成度。从研究团队通过精心设计的耦合系数，确保了信号的均匀八路分配。每个输出端口都实现了精确的相位控制：0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，相位不平衡控制在10°以内。

3D打印技术的突破应用

AM易道认为，这项研究最具突破性的创新在于其制造工艺，团队采用了CONCEPTLASER-M2-Cusing设备进行选择性激光熔化（SLM）3D打印。

从图7的实物照片可以看出，整个系统实现了完美的一体化制造。

研究团队选用AlSi10Mg铝合金粉末作为打印材料，这种材料具有优异的导电性。通过精确控制打印参数，后处理通过喷砂，他们实现了约6微米的表面粗糙度，这个指标对于Ka频段的应用来说至关重要。

考虑到材料的冷收缩特性，他们在设计时将整体尺寸放大了1.5%进行补偿。

同时，热处理工艺的应用有效防止了器件的长期变形。

性能验证：从仿真到现实

天线系统采用了精心设计的金字塔形喇叭天线阵列。这种设计在两个平面上都实现了64°的3dB波束宽度，同时将交叉极化水平控制在-40 dB以下，确保了信号的纯净度。

图4展示了该设备在不同频率下的电场分布仿真结果。我们可以清晰地看到，在工作频段内（26-30GHz），电磁能量均匀地分布在八个通道中，形成了理想的相位梯度分布。这种分布特性直接保证了系统的高效率和优异的信号质量。

实测结果更加令人振奋。

从图10和图11的对比可以看出，实测的幅度和相位分布与仿真结果高度吻合，验证了设计的可靠性和制造工艺的精确性。

系统实现了约80%的模式纯度，这个指标在同类设备中处于领先水平。

AM易道最后聊两句

AM易道认为，这项应用具有重要的商业价值和应用前景。

在5G/6G通信、远程感知和成像等领域都有广阔的应用空间。

特别是在大型集会、体育赛事等高密度用户场景下，这种技术可以显著提升网络性能。

未来，该技术还可以通过提高天线阵列的方向性或将其用作反射器系统的馈源来进一步提升增益性能。

这为下一代无线通信系统的发展提供了新的可能性。

3D打印技术在高频通信器件制造领域的成功应用，不仅展示了增材制造的巨大潜力，也为未来通信设备的创新发展提供了新的思路。

让我们期待这项技术在实际应用中发挥更大的价值，AM易道将持续关注。