Un nuovo metodo per stampare antenne ultraleggere a 19 GHz
Un’équipe congiunta dell’Università della California a Berkeley, UCLA e del Lawrence Berkeley National Laboratory ha messo a punto un processo di stampa 3D capace di realizzare antenne ad alta frequenza con un peso ridotto fino al 94 %. Il sistema, basato su una tecnica definita CPD (Charge-Programmed Deposition), integra materiali conduttivi e isolanti in un solo passaggio, eliminando l’uso di substrati e i cicli di sinterizzazione tradizionali.
Principi della stampa CPD
La tecnologia CPD combina stereolitografia proiettiva e deposizione selettiva di metallo: resine fotoindurenti vengono caricate elettricamente con polarità positive, negative o neutre, per controllare il punto in cui ioni metallici – in questo caso rame – si attaccano durante il bagno di deposizione chimica (electroless plating). In dettaglio:
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Fase di stereolitografia: uno strato di resina caricata viene solidificato alla risoluzione di 18 µm per formare la struttura dielettrica, mantenendo la piattaforma di stampa in posizione fissa durante i passaggi di cambio resina.
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Deposizione elettrolitica senza corrente: grazie alla carica programmata, il rame si deposita esclusivamente nelle aree predefinite, senza necessità di maschere o agenti termici. Questo approccio consente di ottenere tracciati conduttivi immersi nel volume del dielettrico.
Caratteristiche dei materiali
I ricercatori hanno utilizzato una gamma di formulazioni:
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Resine a base di epossidi e poliimmidi, capaci di resistere a temperature fra il criogenico e oltre 400 °C, con modulo di Young di 2,4 GPa.
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Elastomeri modificati per ospitare leghe liquide eutettiche gallio-indio (EGaIn), che mantengono continuità elettrica anche sotto deformazione.
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Compositi ceramici, come il piromero al titanate di zirconio (PZT), sinterizzato a 1 000 °C e successivamente ridotto a 300 °C per ottimizzare le proprietà dielettriche.
Lungo tutta la sperimentazione non sono emersi fenomeni di delaminazione o microfratture, né contaminazione ossidativa nei campioni trattati in atmosfera controllata.
Tipologie di antenne realizzate
La versatilità di CPD è stata dimostrata su diverse architetture:
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Transmitarray circolari polarizzati: pannelli da 12 cm di diametro con anelli S caricati in tre strati, capaci di generare rotazioni di fase per appiattire l’onda sferica in arrivo da un’antenna a corno. Ogni anello, integrato nel supporto dielettrico, lascia vuoti d’aria per ridurre la massa e controllare la banda operativa.
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Antenne a corno monolitiche: dotate di ingresso standard WR-42 e polarizzatore a settori stampato in un unico pezzo, con rame depositato solo lungo i percorsi elettrici interni. Misure a 19 GHz hanno evidenziato una direttività di 15,4 dBi e un rapporto assiale di 0,1 dB.
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Antenne pieghevoli e Vivaldi: elementi elettricamente compatti e ripiegati nello spazio, in grado di mantenere buoni guadagni nonostante dimensioni ridotte.
Prestazioni e confronto
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Peso: un transmitarray da 12 cm pesa appena 5 g, contro i circa 80 g di un pannello tradizionale in PCB.
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Direttività di sistema: l’abbinamento corno-transmitarray raggiunge 24,1 dBi, con perdite di guadagno inferiori a 1,6 dB.
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Scalabilità: la tecnica di montaggio modulare ha permesso di realizzare un array da 20 cm composto da quattro quarti stampati separatamente; il sistema ha mostrato direttività di 28,3 dBi, in linea con i 29,1 dBi previsti in simulazione, mantenendo il mass below 20 g.
Rispetto alle metodiche convenzionali che richiedono stampi, forni e sequenze multiple, CPD riduce l’intero ciclo a una singola stampa – tipicamente sotto due ore – seguita da meno di dodici ore di bagno chimico.
Prospettive applicative
Questo approccio trova impiego in:
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Comunicazioni satellitari e radar militari, dove ogni grammo risparmiato si traduce in prestazioni migliorate e costi di lancio ridotti.
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Internet of Things (IoT) e dispositivi indossabili, grazie alla possibilità di realizzare antenne conformi alla forma dell’oggetto.
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Veicoli aerei senza pilota e droni, che richiedono payload minimi e sistemi di comunicazione ad alta frequenza.
L’uso di laptop e stampanti desktop – come il modello Photon Mono X di Anycubic – abbassa la barriera d’ingresso, permettendo anche a startup e laboratori accademici di sperimentare soluzioni custom.
