IJEM

作者

張厚超、靳茂鵬、朱曉陽、張友超、李言勝、陳碩、白彥軍、李紅珂、李政豪、王瑞、朱元勝、王飛、蘭紅波

機構

山東省增材制造工程技術研究中心

青島理工大學

青島宏達金屬成型機械有限公司

Citation

Zhang H C, Jin M P, Zhu X Y，et al. 2025. Electric field oriented deposition manufacturing of low loss, high gain flexible transparent antenna utilizing the skin effect. Int. J. Extrem. Manuf.7055103.

免費獲取全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/add8cb

撰稿 | 文章作者

1. 文章導讀

高性能透明天線在5G通信、智能穿戴、車載通信、智慧建筑、醫療健康監測等多個領域具有重大需求，針對傳統制造工藝效率低、靈活性差、天線增益、效率與透光性難以兼容的難題，青島理工大學機械與汽車工程學院蘭紅波教授、朱曉陽教授團隊提出“電場定向沉積混合增材制造”技術，創新設計Ag/Cu核殼復合金屬網結構，優化趨膚效應下的電流分布，其性能接近傳統不透明銅貼片天線，為高性能柔性透明天線的快速迭代設計與制造開辟了新路徑。相關成果以“Electric field oriented deposition manufacturing of low loss, high gain flexible transparent antenna utilizing the skin effect”為題，發表于SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）。

2. 圖文解析

本研究的創新之處在于設計了一種由多層印刷銀線和致密銅層組成的新型Ag/Cu核殼結構金屬網柔性透明天線，利用趨膚效應實現極低的趨膚深度損耗和歐姆損耗（圖1a），并報道了一種基于電場定向沉積的混合增材制造新方法來實現這種復合金屬結構。該方法將電場定向的微噴射打印與電化學沉積相結合，靈活高效地實現了多材料復合金屬網的精密沉積制造（圖1b,c）。通過逐層打印高分辨率銀導線作為導體核，再將外殼電鍍至所需厚度，制備出具有極高增益、效率、透光性和機械柔韌性的銀/銅殼-核結構天線（圖1d）。該工藝無需模板，效率高、成本低，支持快速迭代和小批量生產，尤其是兼容柔性基底（如PET），具有高度可擴展性，為高性能柔性透明天線的快速迭代設計和制造提供了解決方案。

圖1電場定向沉積混合增材制造Ag/Cu 殼-核結構柔性透明天線：(a)天線結構示意圖及宏/微觀照片；(b)制造工藝流程；(c)打印原理；(d)Ag/Cu 殼-核結構微觀結構變化示意圖。

通過設計Ag/Cu殼-核復合金屬網格結構，利用趨膚效應顯著降低高頻電流的趨膚深度損耗和歐姆損耗。其中，高導電性Cu殼層作為主要電流路徑，Ag核提供輔助導電通道，有效擴大有效載流面積，同時通過多層印刷Ag導線結合電鍍工藝精準調控Cu層厚度，確保其超過工作頻段的趨膚深度，從而改善傳統薄層導電材料因趨膚效應導致的電流分布集中與高損耗問題。

圖2Ag/Cu 殼-核結構倒F柔性透明天線：(a)天線結構及設計尺寸示意圖；(b)天線反射損耗模擬結果；(c)天線峰值增益仿真結果；(d)輻射方向圖；(e)不同線寬/周期組合反射損耗模擬結果；(f)不同線寬/周期峰值增益仿真結果；(g)三維輻射譜圖；(h)薄銅層結構截面趨膚效應模擬；(i)多層印刷銀網格截面趨膚效應模擬；(j)Ag/Cu核殼結構截面趨膚效應模擬。

采用電場定向沉積的混合增材制造新方法，實現了高精度Ag線逐層沉積和致密Cu殼層的可控生長，兼顧了天線的透明度（＞80%）、導電性（0.29 Ω/sq）和機械柔韌性。該方法擺脫傳統技術的模板依賴，以低成本、高靈活性和高效率解決了高性能柔性透明天線制造中結構優化與快速迭代的難題，最終使天線增益達5.22 dB、效率達80%，性能接近不透明銅貼片天線。經過循環彎曲后，天線的反射系數和增益保持穩定，在長距離和彎曲狀態下均能保持很好的無線傳輸效果。

圖3天線性能測試及應用演示：(a)天線的S11曲線；(b)天線效率曲線；(c)天線增益曲線；(d)E-面輻射方向圖；(e)H-面輻射方向圖；(f)Ag/Cu核殼結構天線與其他天線的性能比較；(g)不同彎曲角度下天線S11曲線；(h)不同彎曲次數后天線S11曲線；(i)不同彎曲角度彎曲1000次后的增益變化曲線；(j)天線在平面和彎曲狀態下的視頻傳輸效果和信號強度；(k)不同傳輸距離下視頻傳輸效果和信號強度。

視頻1無人機信號傳輸。

3. 致謝

感謝國家自然科學基金項目的資助，感謝青島理工大學信息與控制工程學院李言勝教授在天線單元的設計優化、性能提升、測試等方面給予的關鍵性指導與支持。

4. 作者團隊與簡介

朱曉陽

青島理工大學

朱曉陽（通訊作者），男，教授，工學博士，博士研究生導師，泰山學者青年專家，教務處副處長。目前主要從事電子增材制造工藝及應用方面的研究工作。目前主持國家自然科學基金面上項目、中央軍委裝備發展部成果轉化項目、泰山學者人才項目、山東省青創團隊項目、山東省自然科學基金面上項目等國家級及省部級項目10項。以第一及通訊作者在Advanced Materials、Progress in Materials Science、Nature Communications、International Journal of Extreme Manufacturing、ACS Nano、Advanced Science、Small、Additive Manufacturing、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry A、《科學通報》《機械工程學報》《中國科學》等國內外權威期刊公開發表SCI/EI論文66篇，包括ESI熱點/高被引/亮點論文/封面論文18篇/次，入選Small年度最佳論文1篇（4/1839），影響因子大于10以上的20篇。授權發明專利20項，在美國，新加坡等重要國際會議作邀請報告16次。相關成果獲得國際日內瓦發明展金獎、青島市自然科學獎二等獎、青島市青年科技獎、中國發明協會發明創業獎創新獎二等獎等獎勵。中科院一區期刊International Journal of Extreme Manufacturing（工程/制造領域世界排名第一）、Research（綜合類一區）以及Soft Science等期刊青年編委，參與制定國家標準3項，兼任全國增材制造標準化委員會工藝分會委員，中國機械工程技術路線圖編寫委員會委員，復合材料學會增材制造專委會委員。首位指導學生獲得第十八屆“挑戰杯”大學生課外學術作品特等獎1項及十四屆“挑戰杯”大學生創新創業計劃競賽全國金獎，指導12名研究生獲得山東省優秀碩士4學位論文/國家獎學金，指導研究生獲得山東省優秀科研成果獎一等獎2項，山東省研究生優秀成果3項。

蘭紅波

青島理工大學

蘭紅波，二級教授，工學博士，博士生導師，山東省增材制造工程技術研究中心主任，山東省高等學校增材制造（3D打?。┘夹g與應用重點實驗室主任。國家有突出貢獻中青年專家，入選國家百千萬人才工程，國務院政府特殊津貼專家，教育部新世紀優秀人才，山東省泰山學者特聘專家。中國機械工程學會增材制造（3D打?。┘夹g分會常務委員，國際標準化組織（ISO）增材制造(ISO/TC261)標委會委員，全國增材制造標委會（SAC/TC562）委員，中國機械工程學會極端制造分會委員，國家知識產權局中國專利審查技術專家。主要從事微納3D打印、先進電路和電子增材制造、復合/功能梯度材料增材制造等方向的研發和其工業化應用。先后主持國家自然科學基金納米制造的基礎研究重大研究計劃項目、國家自然科學基金面上項目、山東省自然科學基金重大基礎研究項目、山東省重點研發計劃等18項縱向課題。以第一作者或通訊作者身份在Advanced Materials、Nature Communications、Nano-Micro Letters、Advanced Science、Small、International Journal of Extreme Manufacturing、Additive Manufacturing、Composites Part B: Engineering、《科學通報》《中國科學》《機械工程學報》等國內外權威期刊發表SCI/EI收錄論文180余篇。以第一作者出版英文學術專著1部，參編英文學術著作5部（Book Chapter）。以第一發明人授權美國發明專利5項，德國發明專利1項，中國發明專利58項。以第一完成人獲得軟件著作權6項。

主持和參與制定國家標準11項。以第一完成人獲第48屆日內瓦國際發明展金獎1項，山東省技術發明二等獎1項，山東省高等學校優秀科研成果獎一等獎1項。作為研究生導師指導的3名研究生獲得山東省優秀碩士學位論文，1人獲得山東省研究生創新成果一等獎。美國、日本、瑞典、墨西哥等重要國際學術會議邀請報告18次。標志性成果：蘭紅波教授帶領團隊提出并建立了一種原創性微納3D打印新技術：電場驅動噴射沉積微納3D打印，研制出國內首臺具有完全自主知識產權的電場驅動噴射沉積微納3D打印機，五軸聯動曲面共形電子3D打印機，并將該技術應用到先進電子電路增材制造、生物醫療、功能梯度材料和結構一體化制造等多個領域和行業。

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領軍期刊。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利：

? 金色開放獲取

? 提供綠色通道快速評審原創突破性成果

? 接收后24h內在線

? 免費全球化宣傳推廣

? 免費高質量圖片編輯與規范化文獻校對

專題征稿

動態封面

2025-01

2024-06

2024-05

2024-04

2024-03

2024-02

2024-01

2023-04

2023-03

2023-02

2023-01

微信號丨IJEM-Editor

掃碼加小編微信

邀您進極端制造群

撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

本文旨在傳遞、分享最新科研信息。如涉及作品版權問題，請及時聯系我們，我們會及時處理以保障您的權益。感謝一直關注和支持本公眾號的朋友們！