极端制造 | 柔性透明天线新突破：电场定向沉积工艺实现“高透明+高增益+高效率”兼得

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1. 文章导读

高性能透明天线在5G通信、智能穿戴、车载通信、智慧建筑、医疗健康监测等多个领域具有重大需求，针对传统制造工艺效率低、灵活性差、天线增益、效率与透光性难以兼容的难题，青岛理工大学机械与汽车工程学院兰红波教授、朱晓阳教授团队提出“电场定向沉积混合增材制造”技术，创新设计Ag/Cu核壳复合金属网结构，优化趋肤效应下的电流分布，其性能接近传统不透明铜贴片天线，为高性能柔性透明天线的快速迭代设计与制造开辟了新路径。相关成果以“Electric field oriented deposition manufacturing of low loss, high gain flexible transparent antenna utilizing the skin effect”为题，发表于SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）。

2. 图文解析

本研究的创新之处在于设计了一种由多层印刷银线和致密铜层组成的新型Ag/Cu核壳结构金属网柔性透明天线，利用趋肤效应实现极低的趋肤深度损耗和欧姆损耗（图1a），并报道了一种基于电场定向沉积的混合增材制造新方法来实现这种复合金属结构。该方法将电场定向的微喷射打印与电化学沉积相结合，灵活高效地实现了多材料复合金属网的精密沉积制造（图1b,c）。通过逐层打印高分辨率银导线作为导体核，再将外壳电镀至所需厚度，制备出具有极高增益、效率、透光性和机械柔韧性的银/铜壳-核结构天线（图1d）。该工艺无需模板，效率高、成本低，支持快速迭代和小批量生产，尤其是兼容柔性基底（如PET），具有高度可扩展性，为高性能柔性透明天线的快速迭代设计和制造提供了解决方案。

图1 电场定向沉积混合增材制造Ag/Cu 壳-核结构柔性透明天线：(a)天线结构示意图及宏/微观照片；(b)制造工艺流程；(c)打印原理；(d)Ag/Cu 壳-核结构微观结构变化示意图。

通过设计Ag/Cu壳-核复合金属网格结构，利用趋肤效应显著降低高频电流的趋肤深度损耗和欧姆损耗。其中，高导电性Cu壳层作为主要电流路径，Ag核提供辅助导电通道，有效扩大有效载流面积，同时通过多层印刷Ag导线结合电镀工艺精准调控Cu层厚度，确保其超过工作频段的趋肤深度，从而改善传统薄层导电材料因趋肤效应导致的电流分布集中与高损耗问题。

图2 Ag/Cu 壳-核结构倒F柔性透明天线：(a)天线结构及设计尺寸示意图；(b)天线反射损耗模拟结果；(c)天线峰值增益仿真结果；(d)辐射方向图；(e)不同线宽/周期组合反射损耗模拟结果；(f)不同线宽/周期峰值增益仿真结果；(g)三维辐射谱图；(h)薄铜层结构截面趋肤效应模拟；(i)多层印刷银网格截面趋肤效应模拟；(j)Ag/Cu核壳结构截面趋肤效应模拟。

采用电场定向沉积的混合增材制造新方法，实现了高精度Ag线逐层沉积和致密Cu壳层的可控生长，兼顾了天线的透明度（＞80%）、导电性（0.29 Ω/sq）和机械柔韧性。该方法摆脱传统技术的模板依赖，以低成本、高灵活性和高效率解决了高性能柔性透明天线制造中结构优化与快速迭代的难题，最终使天线增益达5.22 dB、效率达80%，性能接近不透明铜贴片天线。经过循环弯曲后，天线的反射系数和增益保持稳定，在长距离和弯曲状态下均能保持很好的无线传输效果。

图3 天线性能测试及应用演示：(a)天线的S11曲线；(b)天线效率曲线；(c)天线增益曲线；(d)E-面辐射方向图；(e)H-面辐射方向图；(f)Ag/Cu核壳结构天线与其他天线的性能比较；(g)不同弯曲角度下天线S11曲线；(h)不同弯曲次数后天线S11曲线；(i)不同弯曲角度弯曲1000次后的增益变化曲线；(j)天线在平面和弯曲状态下的视频传输效果和信号强度；(k)不同传输距离下视频传输效果和信号强度。