记忆合金3D打印新应用！多频段覆盖、无机械驱动的可自主变形天线

导语：

在无线通信时代，天线无处不在。

从手机到卫星，从飞机到无人机，不同频段、不同用途的天线让我们的通信需求得以满足。

然而，随着6G时代的临近，频段共享成为必然趋势，这意味着设备需要在多个频段之间自如切换。

约翰霍普金斯大学应用物理实验室的研究人员带来了一个令人振奋的突破 - 利用3D打印技术制造的形状记忆合金天线，能够通过热驱动在不同形态间自由切换，一个天线就能完成多个天线的工作。

这项创新不仅体现了增材制造在高端应用中的巨大潜力，更为未来通信设备的小型化、智能化带了新启发。

多频段天线的困境与突破

在当今的无线通信领域，设备需要支持从高频（3MHz-30MHz）一直到12GHz以上的多个频段。

传统解决方案是在设备上安装多个天线，这不仅增加了体积和重量，还带来了天线之间互相干扰的问题。

正如文章上图所示，目前天线技术主要分为四大类：材料基天线、常规天线、超材料天线和可重构天线。

在这些类别中，可重构天线因其能够适应不同工作环境的特性而备受关注，特别是能够同时调节频率、辐射方向和极化特性的复合可重构天线。

笔者认为，这项研究的意义在于首次将增材制造技术与形状记忆合金（SMA）相结合，开创性地实现了一种全新的天线设计范式。

核心技术创新：形状记忆合金天线的突破性设计

这款创新天线的核心在于其独特的多层结构设计。

从上图可以看到，研究团队开发的双螺旋天线不仅能在平面和锥形两种状态间转换，更重要的是实现了完整的系统级集成。

天线的外径为8厘米，这个精心设计的尺寸使其能够在4GHz到11GHz的宽频段范围内高效工作。

天线在两种构型下都实现了约5dBi的增益，这一性能指标与理论预测高度吻合。

图a-c清晰地展示了天线在不同频率下的辐射方向图，证实了设计的有效性。

笔者认为，这种设计的独特之处不仅在于其创新的形态变换能力，更在于其巧妙地利用了材料本身的特性来实现功能。

PCB集成设计方面来看，天线并非简单的金属结构，而是一个高度集成的智能系统。

如上图所示，研究团队开发了一套多功能介电堆叠结构，这套结构不仅用于布线和射频传输，还融入了创新的散热设计。

每一层都精心设计了气流通道，构成了一个高效的对流冷却网络。

团队在G10层上开发了专门的气流通道，这些通道与蜂窝层的垂直通孔相连通。当风扇直接连接到G10层后，气流会沿着预设的路径向上流动，穿过蜂窝材料的垂直通道，最后通过Rohacell层上专门设计的大型孔洞，均匀地冷却整个AM-SMA天线。

另外的创新点在于，在天线设计中，研究人员面临着一个棘手的问题：

螺旋天线会向前后两个方向辐射能量。如果处理不当，后向辐射会与地面反射产生干扰，降低天线性能。

为解决这个问题，请再看一遍上图。

这个吸收体系统包含了蜂窝介质吸收层和磁性射频吸收材料（MagRAM）层。

蜂窝结构中的碳负载呈梯度分布，能够高效吸收入射能量，同时降低反射。

而铁基MagRAM材料则通过其独特的介电和磁性特性，进一步提升了低频段的吸收效果。

突破性热控制方案：让形状记忆合金随时切换天线形态

加热电路在这个可重构天线中扮演着关键角色，它主要用于驱动形状记忆合金（NiTi）天线的相变过程，实现天线构型的切换。具体来说：

从平面到锥形的转变：

当需要天线从平面螺旋状态变为锥形状态时，通过加热电路输入DC电流对NiTi进行加热；

当温度升至30-55℃范围（峰值45℃）时，材料发生马氏体到奥氏体的相变，驱动天线变形为锥形构型；

正如上图所展示的，当镍钛合金从马氏体相变为奥氏体相时，其电阻会发生显著变化。

研究人员巧妙地利用这一特性，通过实时监测合金的电阻变化来判断相变程度，进而精确控制加热功率。

这种方案能在-40℃的极端环境下实现可靠控制。

精确的功率控制总结：

初始转换阶段需要较大功率（约25W）快速驱动相变

当天线完成展开后，只需要较小的维持功率（约2.3W）保持形状

通过监测材料的电阻变化来实现精确的功率控制

研究团队面临的核心挑战是如何在不影响天线射频性能的情况下实现加热。这就是为什么他们开发了特殊的同轴几何传输线结构，将DC加热电路与RF信号有效隔离。

这个加热系统的创新之处在于它实现了天线的"无机械驱动"变形，仅通过材料本身的相变特性完成构型转换，大大简化了系统复杂度，提高了可靠性。

笔者认为，这种将材料特性与控制方案完美结合的设计思路，体现了增材制造不仅是一种制造手段，更是一种推动功能集成创新的催化剂。

传统制造方法难以实现如此精细的材料结构控制，而3D打印技术则为这种创新打开了可能性之门。

3D打印技术的关键作用

研究团队使用EOS M290选择性激光熔化系统进行打印，采用气体雾化制备的镍钛合金粉末（粒度20-63微米）。

研究团队通过精确控制打印参数，成功实现了具有双向形状记忆效应的镍钛合金结构。

这种合金能够在加热时自动变形为锥形，冷却时则回到平面状态。

通过精确控制激光功率（400W）和光斑尺寸（80微米），实现了高达51 J/mm³的能量密度，这对确保材料性能至关重要。

研究人员开发了独特的热处理工艺，包括溶解处理和时效处理两个关键步骤。

这个过程不仅确保了材料的形状记忆效应，还实现了双向记忆功能的"训练"。

通过差示扫描量热法测试显示，经处理后的材料在30-55℃范围内实现了可靠的相变过程。

笔者认为，这项研究最引人注目的技术突破在于实现了材料性能、结构设计和制造工艺的统一。

通过精确控制打印参数和后处理工艺，研究人员成功将形状记忆效应、射频性能和热控制功能融为一体，这在传统制造技术中几乎是不可能完成的任务。

性能突破：测试结果

研究团队在紧凑型天线测试场中进行了全面的性能验证。

如上图所示，测试系统采用了一套精密的设置：

喇叭天线配合反射器产生高质量的平面波，用于激励被测天线。

为了消除测试环境中的干扰反射，团队采用了时钟门控技术，确保测量结果的准确性。

测试场四周布置的金字塔形介电吸收体则进一步提升了测量环境的纯净度。

在下图中我们可以看到，测试过程覆盖了-90°到90°的方位角和仰角范围。

测试结果总结如下：

• 在低频段（4GHz），平躺的天线（平面构型）表现更好，信号覆盖更均匀

• 在中频段（6.5GHz），两种形态都表现不错，信号增益都能达到约5dBi

• 在高频段（11GHz），竖起来的天线（锥形构型）表现更出色，方向性更好
  
  

测试结果证明了这个可重构天线的设计是成功的：

它不仅能在两种形态之间转换，而且在各自适合的频段都能保持不错的性能，特别是实现了预期的约5dBi增益目标。

同时，创新的DC供电加热方案也被证明是可行的，没有显著影响天线的射频性能。

应用前景与市场价值不小

笔者认为，这项技术的市场价值主要体现在以下几个关键领域：

在移动通信领域，随着6G时代的临近，频谱共享将成为必然趋势，可重构天线可以大幅减少设备所需的天线数量，为移动终端的小型化提供解决方案。

在航空航天领域，这种无需机械驱动的轻量化可重构天线尤其具有吸引力，可显著降低系统复杂度和重量。

特别是在卫星通信系统中，这种可以在-40℃极端环境下稳定工作的天线技术具有很大价值。

在军事通信和雷达系统领域，这种能够动态调整工作频段和方向性的天线技术，可以显著提升军事通信系统的抗干扰能力和隐蔽性。

同时，其快速响应特性（10秒内完成构型转换）也满足了战术通信的需求。

笔者认为，这是镍钛合金3D打印医用支架之外的一个非常重要的应用方向和案例。

声   明：文章内容来源于AM易道。

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