BIT-5G通信アンテナにおける3Dプリント技術の応用の進展と課題（I）

出典: 積層造形技術フロンティア

5G通信の登場やミリ波以上の高周波数帯への通信システムの発展に伴い、アンテナにはより高い利得、より広い帯域幅、より低い消費電力が求められます。 3D プリンティングでは、構造的に複雑な部品を層ごとに積み重ねて準備できるため、あらゆる形状のアンテナをより安価に、より速く、より柔軟に製造できます。最近、北京理工大学の研究チームが、さまざまな周波数の3Dプリントアンテナの最先端の製造プロセスと材料を検討し、アンテナ製造における3Dプリントのさらなる発展方法についての理解を深めるための主な課題と展望について議論しました。

過去10年間でより高速なデータレートに対する需要が高まるにつれ、研究者たちは5Gと呼ばれる新世代の通信システムの開発に取り組んできました。 5G の登場により、さまざまなデバイスが環境と相互作用し、センサーが組み込まれたオブジェクトの数が飛躍的に増加します。したがって、無線通信における大きな課題は、アンテナを含む高性能システムを開発することです。従来の通信周波数帯域は限られており、過負荷状態にあるため、将来を予測することが難しいデータレートを提供することが困難になっています。ミリ波やサブミリ波などのより高い周波数の通信システムを使用する必要があります。これらの高周波通信システムの制限部分の 1 つは送信機と受信機であり、ここでアンテナが重要な役割を果たします。 mmWave 周波数帯域での通信では、自由空間での減衰を軽減するために、アンテナの指向性を高める必要があります。これらの要件により、アンテナ構造が複雑になり、高度な統合、軽量化、小型化が求められ、既存の製造プロセスに負担がかかります。

図1 3Dプリントアンテナの概要
3D プリント技術は、付加製造とも呼ばれ、迅速なプロトタイピング、低コスト、高い材料利用率、金型が不要などの利点により、業界や研究界から幅広い注目を集めています。層ごとに積み重ねるプロセスを採用しており、複雑な形状の部品を簡単に製造できます。これらの利点は、ミリ波や高周波帯域のアンテナなどの RF デバイスの要件を満たす 3D 印刷技術の可能性を示しています。さまざまな種類の 3D プリントアンテナに関する研究がいくつか行われており、通常は金属、ポリマー、セラミックを使用して作られています。例としては、レンズ、誘電体共振器、アンテナなどが挙げられます。これらのアンテナの多くはミリ波周波数帯で動作し、高い利得と優れた放射効率を備えており、移動体通信、衛星、リモートセンシングなどの分野に適しています。このレポートでは、図 1 に示すように、異なる周波数での異なるタイプのアンテナの比較など、材料分類に基づいた 3D プリントアンテナの概要を示します。

さまざまな機能を備えたさまざまな3Dプリント技術が開発されています。アンテナの製造には、熱溶解積層法（FDM）、ステレオリソグラフィー（SLA）、ポリマージェッティング（ポリジェット）、選択的レーザー溶融法（SLM）、バインダージェッティング（BJ）などの技術が使用されています。これらの技術の概略図を図2に示します。 FDM で最近導入された、アンテナ構造を 1 ステップで印刷できる新しい材料は、従来のフィラメントよりも導電性が高く、「Electrifi」と呼ばれる市販のフィラメントです。これは、主に無害な生分解性ポリエステルと銅で作られた独自の金属ポリマー複合材料で構成されています。ポリマー SLA は、高フィルタリングおよび RF パッケージングアプリケーションで効果的に使用されてきましたが、マイクロ波周波数では損失が大きいため、低損失のミリ波アプリケーションには適していません。現在までに、Poly-jet を使用して、多くの種類の誘電体アンテナと電磁バンドギャップ構造が製造されてきました。 Poly-jet は、ミリ波、サブミリ波、THz 周波数のアンテナを 3D プリントするのに最適です。従来の方法と比較して、Poly-jet は複雑な構造のアンテナをより低コストで製造でき、製造プロセスは正確で便利かつ迅速です。さらに、SLMを使用して印刷されたアンテナは、高密度、穴なし、高強度などの利点があります。SLMはマイクロ波アンテナの製造に広く使用されていますが、BJによって作成されたアンテナに関するレポートはあまりありません。

図 2 アンテナ 3D 印刷技術の概略図図 3 アンテナのさまざまな 3D 印刷技術の比較図 3 は、アンテナのさまざまな 3D 印刷技術の特性を比較しています。 FDM は、コストが低く処理が簡単なため、ポリマーアンテナの製造で最も一般的に使用される方法です。しかし、FDM は印刷精度が低いため、ミリ波などの高周波分野での応用には限界があります。 SLA は他の 3D 印刷技術の中で最も精度が高く、セラミックアンテナの印刷に広く使用されています。純金属アンテナは SLM を介して直接印刷でき、導電性要素を使用することで損失が低減され、高い放射性能を実現できます。場合によっては、ポリジェットや BJ もアンテナの製造に使用されます。多様な印刷プロセスは、数多くのアンテナシステムの製造において重要な役割を果たし、通信システムなどの分野の研究を前進させます。

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