圣母大学开发3D打印超节能5G天线，能耗降至不到现有系统10%

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导读：全球有20亿人使用第五代（5G）无线网络。这些用户获得了更快的上传和下载速度、更低的延迟以及更高的移动设备可靠性。然而，5G技术的推出也带来了高昂的能源成本。5G网络比前几代网络耗能更高，每个基站的能耗相当于73个美国家庭的用电量。

2025年4月10日，在美国陆军的资助下，圣母大学的研究人员基于先前低功率天线物理学的研究成果正在开发一种用于5G网络的新型低功率天线，采用3D打印的人工介电材料，旨在实现5G性能，同时能耗不到现有系统10%。

△每根天线均采用3D打印的介电材料，并带有重复排列的螺旋单元图案。摄影：Angelic RoseHubert。

研究团队由圣母大学电子工程系副教授、无线研究所成员乔纳森·奇瑟姆（Chisum）领导。Chisum表示，新型天线的关键在于他在实验室设计和制造的一种人工介电材料。Chisum说道：“目前，运营蜂窝网络的成本很大一部分来自电力。如果你观察一下蜂窝塔，你就会明白为什么：它为每个频段使用不同的天线，而这些天线依赖于有源供电芯片。我们最初的想法很简单：如果我们能够利用材料的物理特性，将类似的功能设计到一根超宽带天线中，从而让许多耗电芯片完成原本需要完成的工作，那会怎样？”

△本杰明·戴维斯手持一个天线原型，该原型经过100小时的精细工艺逐层构建而成。摄影：安吉丽克·罗斯·休伯特。

这种新型低功率天线是一种毫米波梯度折射率 (GRIN) 透镜天线。尽管 GRIN 透镜已存在一个多世纪，但开发用于 5G 网络的 GRIN 透镜天线的想法曾一度在大多数无线技术领域的研究人员看来遥不可及。然而，在过去八年里，Chisum 和他的实验室在宽带波束控制的基础科学领域取得了突破性的发现。这些发现使Chisum 和他的团队能够制造出一种能够在所有 5G 频段上运行的天线，这曾被认为是不可能实现的壮举。

5G天线的宽带、低功耗特性使其对美国陆军尤为有用。美国陆军参与了5G技术的研发，不仅依靠它进行安全通信，还用于追踪装备和监测士兵健康状况。然而，目前的5G技术在野外部署、运输和运行都存在诸多困难和成本高昂的问题。

Chisum解释说：“陆军必须在世界各地运营5G网络，而5G网络在全球各地的运行频率各不相同。因此，像我们这样的宽带解决方案至关重要。由于它功耗极低，体积相对较小、重量轻，因此可以集成到移动平台中。”

一旦实施，该技术将提供效率、安全性和多功能性均有提高的“移动5G”解决方案。Chisum还强调，开发这项新技术是将其融入民用移动网络的第一步。Chisum 说道：“由于运营商无力承担现有多天线解决方案的成本，5G 毫米波基站在当前 5G 网络中的部署陷入停滞。然而，基于 GRIN 透镜的宽带 5G 天线为降低商用无线网络的成本和效率开辟了新的可能性。”

到目前为止，Chisum 和他的团队已经在实验室中通过长达 100 小时的精细工艺，逐层逐层地生产出他们设计的原型。该团队正在开发一种高效且经济的方法来制造该设备，采用尖端的 3D 打印技术。这也将使 Chisum 的团队能够在现场演示该技术，为将其纳入 5G 网络奠定基础。

△Chisum实验室的研究人员使用计算机辅助设计软件创建并完善了透镜天线的数字模型。左图展示了透镜天线设计中的一个单独的陀螺单元。右图展示了一个 3x3 的陀螺单元立方体。图片由圣母大学工程学院微波与毫米波电路与系统系提供。

为了将这项技术从实验室转化为实际应用，Chisum 的实验室组建了一支行业合作伙伴团队。该团队将包括多家领先的供应商，他们在无线网络、天线以及特别适用于 GRIN 介质的增材制造方面拥有专业知识。

Cheshir Industries 首席执行官 Nicolas Garcia 表示：“Cheshir Industries 团队非常荣幸能够领导圣母大学 5G 移动天线开发项目的透镜和阵列设计工作。该项目不仅代表着我们国家在提升无线能力方面迈出的重要一步，也是宽带 GRIN 天线系统商业化和开发过程中的一个重要里程碑。” CheshirIndustries 是在圣母大学 IDEA 中心的支持下成立的。该公司由 Chisum 和两位圣母大学电气工程博士项目的毕业生共同创立：NicolasGarcia（22 届博士）和 Nicholas Estes（22 届博士）。

Fortify 首席客户官兼联合创始人 Karlo Delos Reyes 表示：“作为射频设计和制造领域的领导者，3DFortify 非常高兴能够与圣母大学及其行业合作伙伴携手合作，提供尖端技术。此次合作使我们能够利用自身先进的技术，突破 GRIN 透镜天线设计的极限。我们将携手整个价值链，共同打造一个变革性的解决方案，为未来的民用应用铺平道路。”