2025年3D打印首篇《自然·通讯》：突破复杂天线制造瓶颈

5G/6G通信、可穿戴设备以及航空航天等前沿领域对轻量化、高性能天线的需求持续增长。然而，传统制造工艺在复杂几何结构设计和多材料集成方面存在显著限制。据资源库了解，2025年3D打印开年首篇《自然·通讯》提出了一种电荷编程多材料增材制造平台，能够实现超轻天线结构的打印。

使用电荷编程多材料3D打印 (CPD) 制造的3D分形树天线

由加州大学伯克利分校副教授郑晓宇领导的研究团队开发了这一创新的3D打印平台，显著简化了复杂天线结构的生产流程。该平台被命名为“电荷编程多材料3D打印”（Charge Programmed Deposition, CPD），其核心技术是在三维结构中将高导电性金属与各种介电材料高效结合。

www.nature.com/articles/s41586-024-08352-6

与传统方法需要使用昂贵的金属粉末和高能激光不同，CPD平台采用基于光固化的3D打印技术。结合催化材料能够在聚合物基体上实现定向金属沉积，从而成功制造出结构复杂、重量轻且性能优异的天线。

一、研究背景

随着5G/6G通信、物联网（IoT）和小型卫星通信的快速发展，对轻量化、高性能天线的需求不断增长。然而，传统的光刻和机械加工工艺因复杂几何结构和多层材料集成的局限，难以满足新一代天线设计的要求。

CPD制造的梯度相位传输阵列，该天线具有三层逐渐倾斜的S环单元结构

增材制造（AM）技术为天线制造带来了新机遇，能实现一定的3D结构或多层设计。然而，大多数现有工艺只能使用单一材料，或需复杂多工艺协作来结合金属和电介质，导致流程繁琐、支撑材料消耗大，增加了整体重量。

对此，研究团队开发了一种基于电荷编程的多材料增材制造技术。通过创新组合带电光单体和中性树脂的打印，以及后续金属沉积工艺，实现了高精度、超轻量、多层互穿的金属-电介质天线结构。该技术简化了制造流程，同时提升了性能，为新一代通信与航天天线设计提供了突破性方案。

二、研究方法

研究团队通过将带有不同极性基团的光单体混入打印树脂中，利用投影立体光刻 (SLA) 技术形成三维结构。在打印件内部，特定区域带有电荷，而其他区域保持中性。随后，通过静电吸附作用，将金属墨水（如铜离子前驱体）选择性地沉积在带电区域，而同性极性或中性区域则不发生沉积。通过这一过程，能够在微观尺度上实现对金属沉积位置的精准控制。

图 1：电荷编程沉积增材制造——快速生产3D天线系统的多功能平台

其中，金属部分采用自催化过程，将钯金属纳米粒子嵌入带电区域的表面，为铜等高导电性金属的可控沉积提供基底，最终实现高导电性金属的均匀生长。

介电部分则在树脂中加入不同填料（如低介电损耗树脂、陶瓷粉末或弹性体）以满足设计需求，从而调整介电常数和力学性能，使天线具备多功能特性。

最后，为实现更大尺寸的工业级天线，研究者采用模块化拼接设计，通过卡扣式接口连接各部分组件，既提高了结构完整性，又实现了便捷的组装与替换。

图2：选择性的优化和向其他材料的扩展

关键制造流程包括以下步骤：首先，通过SLA技术打印出带有图案化电荷的3D基底；随后，将打印件浸入电镀槽中，利用静电吸附作用选择性沉积铜或其他功能性金属；根据设计需求，重复进行浸渍和固化工序，逐步构建多层金属-介电互穿结构；最后，进行后固化和表面处理，完成具有超轻量特性的高性能天线制造。

三、研究成果

超轻传输阵列天线

图3：超轻传输阵列和可扩展性

研究团队展示了一种基于CPD技术的19GHz发射阵列天线，由三层互连的S环形介电/导电元件组成。该天线整体重量仅为传统PCB天线的1/10（减重94%）。测试结果表明，其在19GHz下的传输系数和相位补偿特性与数值模拟高度一致，并在较宽的角度范围内保持了稳定的电磁性能。2. 可扩展的大孔径天线

研究者通过模块化拼接技术，将天线分割为四个模块打印并组装成直径12厘米和20厘米的发射阵列。测试显示，拼接天线的性能与一次成型天线基本一致，仅在方向性和波束宽度上存在不到0.2dB的细微差异。

3. 轻型喇叭天线与波导结构

图4：轻型喇叭天线

研究团队将CPD技术扩展至喇叭天线，设计出具有复杂内部通道的轻型天线。通过内部嵌入隔膜极化器和蜿蜒波导过渡结构，并在关键表面镀覆超薄铜层，显著减轻了重量（减重超过5倍）。同时，其辐射方向图和轴比性能与模拟值保持高度一致。

4. 波束控制与多功能集成

图5：3D打印天线系统

进一步优化设计后，研究团队将发射阵列和喇叭天线组合成全3D打印天线系统，展示了2D波束扫描的Risley棱镜天线（RPA）功能，验证了该技术在高集成度和系统化设计中的潜力。

四、总结展望

研究表明，该工艺在19GHz频段的天线性能与数值模拟高度一致，显示出在微波、毫米波及更高频段（如太赫兹）下的潜力。通过引入特殊填料或调控金属层厚度，可进一步降低损耗和提升增益。然而，目前工艺的自动化程度较低，需人工更换材料和清洗，同时在极端温度和高频下的性能仍需进一步验证。研究团队指出，通过优化材料和提高金属层均匀性，可显著降低欧姆损耗。