In einem Pilotprojekt haben die Forscher des ProtoSpace der University of Technology Sydney (UTS) und der 3D-Drucker-Hersteller für additiv gefertigte Elektronik (AMEs) Nano Dimension die Entwicklung von 5G-AME-Geräten mit Hilfe von 3D-Druck untersucht. Ihre Arbeit stellen sie in einer Fallstudie. Mit ihrem DragonFly LDM 3D-Drucker stellte Nano Dimension 5G-Millimeterwellen-Antennen-in-Package-Designs (AiP) her, die für eine verbesserte Bandbreite sorgen und die Lücke zwischen Chips und AME-AiP schließen sollen. Der erfolgreiche Druck der Prototyp-Antennen-Arrays könnte die 5G-Mobilfunkelektronik weiterbringen.
Details zum Projekt
Der DragonFly LDM-3D-Drucker kombiniert Freiformgeometrien mit eingebetteter Elektronik. Er ist mit zwei Tintenstrahldruckköpfen ausgestattet. Diese können gleichzeitig dielektrische Photopolymer-Tinten, welche den umgebenden Strukturen mechanischen Halt, thermischen Widerstand und elektrische Isolierung geben, mit leitfähigen Silber-Nanotinten drucken, die den Großteil der Verbindungen der gedruckten Schaltung bilden.
Dr. Yang Yang, der Gruppenleiter für Millimeterwellen-Integrierte Schaltkreise und Antennen im Tech Lab von UTS, leitete das Projekt. Das Ziel der Forscher ist es, die 3D-gedruckten Millimeterwellen- und Terahertz-Antennen und -Schaltkreise voranzubringen und die 5G auch für die Raumfahrt nutzen zu können. Ein drahtloses Ökosystem soll Milliarden von Hochgeschwindigkeits-Wireless-Geräten und hochintegrierten AME-Geräteantennen im Millimeterwellenband auf mobile Geräte packen. Hohe Kosten und lange Produktionszyklen für Millimeterwellen-AiPs erschweren kundenspezifisches Prototyping und ein Proof-of-Concept.
Der Bedarf an steuerbaren, mehrstrahligen Hochgeschwindigkeits-Mobilantennen in digitalen Umgebungen ist groß, da herkömmliche Geräteantennen an ihre Grenzen stoßen. Die Forscher suchten nach der bestmöglichen Integration und Miniaturisierung verpackter Antennenarrays, ohne die kritische Leistung zu beeinträchtigen.
AME-Prozess zur Herstellung von 5G-Millimeterwellen-AiP-Designs
Dazu entwickelten sie einen neuartigen AME-Prozess zur Herstellung von 5G-Millimeterwellen-AiP-Designs, der mehrere leitfähige Einzelsubstratschichten mit maßgeschneiderten Gehäuseprofilen herstellen kann, ohne die Vertraulichkeit oder IP-Sicherheit zu gefährden.
Das Team produzierte mehrere Single -Substrat-Multi-Metal-Layer-Antennen mit ihrem auf piezoelektrischem 3D-Druck basierenden AME-Verfahren. Die Metallschichten wurden vertikal zu einem 3D-gedruckten Einzelsubstrat gestapelt, damit ein Antennenprototyp entsteht, der die Vorteile einer großen Bandbreite und eines niedrigen Profils aufweist.
Sie entwarfen mehrschichtige Linearpolarisations-(LP)-Patch-Antennenelemente und 2×2-LP-Antennen-Arrays als Beweis ihres Konzepts. Ihr „Feeding-Network“ könnte in das gleiche Substrat des Antennen-Array-Elements integriert werden. Profil und Größe des Arrays bleiben dabei gleich. Es gelang ihnen, die Impedanzbandbreite von 5,9% auf 10,9% (drei Schichten) und 83% (sieben Schichten) zu verbessern. Die Designs entstanden in einem einzigen 1,5 mm dicken Substrat und eignen sich für Anwendungen mit ultraflachen und breitbandigen Patchantennen. Die Forscher gehen davon aus, dass ihre AME AiP-Technologie die Lücke zwischen AME AiP und Chips schließen kann bei weitaus günstigeren Prototypen-Kosten.
