Ученые МФТИ предложили бюджетный способ изготовления высокоточных антенн связи

Московский физико-технического института (МФТИ) исследовал производственную технологию, основанную на FDM 3D-печати заготовок с последующей электрохимической металлизацией. Метод позволяет создавать сложные объемные конструкции, актуальные при производстве высокоточных устройств, например антенн 5G и 6G.

Важность разработки заключается в возможности обеспечении качественной и однородной связи для бесперебойной работы сложного промышленного и логистического оборудования, сообщает Минобрнауки РФ. Во избежание образования мертвых зон необходимо устанавливать несколько маршрутизаторов, либо создавать специализированные антенны, производство которых осложняется нетривиальной конфигурацией. Возникает вопрос: из чего сделать такие антенны?

Стереолитографические и FDM 3D-принтеры, печатающие полимерами, на порядки дешевле систем для 3D-печати металлами, однако получаемые на таких 3D-принтерах структуры не проводят электрический ток. С другой стороны, недорогие пластмассовые модели совместимы с различными сплавами. Металлы с высокой проводимостью позволяют достигать превосходных электромагнитных характеристик: обычно для диапазона частот 1-10 ГГц достаточно нескольких микрон меди. Таким образом, с помощью тончайшего металлического слоя на пластмассовой конструкции можно получить высокоточную антенну, себестоимость которой намного ниже 3D-печати непосредственно металлами.

Бюджетный метод изготовления сложных антенн с помощью FDM 3D-печати, предложенный исследователями из МФТИ, состоит из пяти этапов: 3D-печати заготовки с помощью проводящего полимера, постобработки поверхностей, размещения вспомогательных электродов на заготовке, нанесения гальванического покрытия и удаления заготовки. Температура экструзии типичных полимеров, используемых в FDM-печати, составляет около 180-230ºC, и электрохимически осажденный металл выдерживает эти температуры.

Эксперименты показали, что на частотах выше 5 ГГц негативное влияние пластика на излучательную характеристику антенн существенно повышается. Преимущество удаления пластиковой подложки проанализировано численно и экспериментально: металлические антенны без подложки превосходят стандартные аналоги, также страдающие от потерь на высоких частотах, если используются пластиковые подложки. Таким образом, новый способ создания антенн сможет обеспечить качественной связью 5G и 6G.

«При создании высокоточной антенны первичным является заказ — именно массово-габаритные характеристики помещения закладываются в алгоритм численного моделирования, с помощью которого рассчитывается форма устройства. Обычно это довольно причудливая форма, которую трудно создать руками, но вполне возможно с помощью 3D-принтера. Также добиться четкого сигнала можно с помощью фазированных антенных решеток — массива из одинаковых антенн, на которые подается необходимая электронная фаза и из этого определяется диаграмма направленности. Используя наш подход можно убрать некоторые элементы управления — путем заданного алгоритма рассчитать нужную форму, которая сразу обеспечит необходимую направленность под целевые функции. Хотя наш метод не может полноценно конкурировать по производительности с прямой металлической печатью, он может обеспечить производство надежных конструкций при чрезвычайно низкой стоимости», — рассказал заместитель заведующего кафедрой радиотехники и систем управления МФТИ Дмитрий Филонов.

Дальнейшее развитие этой технологии может позволить создавать более сложные формы и раскрыть их преимущества в электромагнитных приложениях. Кроме того, предпринимаются усилия по 3D-печати электронных схем — как активных компонентов, контролирующих поток электричества, так и пассивных, не требующих внешнего питания. При усовершенствовании разработки станет возможным послойное наращивание антенны вместе с настраиваемой электроникой. Общая стоимость производства в этом случае может значительно снизиться.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature, на изобретение получен патент.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.