未来的天线长啥样？

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本文为翻译内容，原作者：Patrick Hindle，Microwave Journal Editor。今日发送“0403”可直接查看英文原文。铁杆会员及以上，无需在此付费，可进入更新文件夹查看13页中文WORD版，仅供参考。

传统的天线技术在很多商业需求和航空航天市场比如5G、卫星通信、物联网和雷达领域已经达到了极限。然而仍有很多公司寻求发展新的工艺和材料，这些新工艺和新材料可以明显有效提高天线性能，并使那些因为之前的局限难以预见的新应用成为可能。
3D打印天线
3D打印可以使复杂的射频得以实现。3D打印过程中使用材料的特征在设计和精确预测这些结构件的性能方面很关键。通过了解材料的射频特性，那些传统制造工艺无法实现的异形结构件也由此得到发展。3D打印也可以生产出重量更轻成本更低的传统天线形状。
SWISSto12 公司使用的3D打印是基于聚合材料的独特产品，该聚合材料是由金属板或者金属材料（比如铝或钛）通过先进的表面处理和表面镀膜融合而成。通过这些处理，SWISSto12 制造和测试出航空航天品质的先进射频产品，比如波导、滤波器、波束形成网络、天线反馈链或者阵列天线。
他们使用3D打印在设计制造复杂产品时更加灵活。因此可以生产出更加复杂、射频特性要求更高的射频元器件。传统制造射频产品的机械加工工艺受限于其生产复杂形状的能力。为规避这一限制，复杂产品通常由大量分开生产的校简单的子部件组装而成。
SWISSto12公司的3D打印工艺没有这样的限制，可以一次生产出完整的的产品，在质量、成本、生产周期、组装质量和射频性能方面有较大提升。使用3D打印也可以优花减少重量。该工艺已经在波导、滤波器和天线部件上从C到W频段（4到110GHz）得到验证。
随着这项工艺的快速成熟和在航空航天工业上的接受，SWISSto12公司已经给空间和卫星通信工业组织发布了一系列的样机，具备在空中和太空环境使用的资质（第一个商业项目将在2018年驾飞 SWISSto12的产品）。更加复杂和综合的天线或者有效载荷结构件，特别是Ku和Ka频段的产品正在开发。
时刻关注正出现的市场机会，比如高空平台、无人机、立方体卫星系列。天线产品的一个例子是一个Ku波段的双反射天线，由一个圆锥形塞住的喇叭、一个子反射器、一个主反射器和金属支架组成。这个天线系统仅重145g。该天线的辐射特性特别好，在设计的频率范围内的仿真结果（见图1）。该天线演示器是与欧洲航天局合作生产和测试的。
图1  SWISSto12  Ku波段双反射器天线（a）图片来自欧洲航天局，以及设计频率范围的辐射特性（b）
Optisys 是另外一家致力于使用金属3D打印设计，制造和测试轻量天线的公司。Optisys所用的特殊制造方法是粉末床熔合处理，薄层的粉末通过大功率激光器熔接成固体金属。熔接过程中，一次搭建一小层。这个绿色的制造过程只允许添加为了达到机械性能或射频功能而不可缺少的材料。
在任一制造过程中，3D打印有一套设计准则规定什么能或者不能添加到设计中。Optisys正在重新塑造波导是如何达到预期射频功能的并发挥打印处理的优长处，甚至在体积和重量上都有数量级的减少。除了体积和数量，零件数的减少和消除公差叠加可以使天线装配更加简单、性能提高。
Optisys使用内部开发的基础元素设计了大量阵列，为适应不同的功能和频段阵列可以重组和优化。一个关键的天线设计是Ka波段16元追踪阵列如图2所示。
图2 Optisys Ka波段16元阵列测量和仿真数据
信号图表示和和增量的性能提升随着测量和仿真性能叠加。这部分包含一个16元的圆极化喇叭阵列和一个左右侧圆极化的波段组合网络。另外，右侧合并网络馈送到双轴单脉冲比较器中。所有这些是在一个不到2盎司重、手掌大小的组件中实现的。
另一个阵列设计是X64天线，在通过将一个波导双轴单脉冲比较器在极化和将高程旋转轴合并到设计中，使得一体化更进一步。装配这个部件仅需一个打印部件，而传统工序需要100多个部件。信号图表示右侧圆极化的和、俯仰增量和方位增量（见图3）。该天线中一共有8个同时天线波束。
图3 Optisys Ka波段64元跟着阵列信号图
Optisys感兴趣的另一个关键创新领域是在为抛物面反射器进行设计和搭建轻量馈送，其中子反射器、馈线喇叭和偏振作为单独的金属部件被打印出，并没有因由于支撑或介质支架产生阻塞或损失。该设计已经根据X-,Ku-和Ka波段的关键频段进行改良。公司将这样馈电馈电天线系列天线作为组合打印系列。图4显示了在一个单一频率上和在同一频率不同高度的单位以及3D近场扫描模式。