约翰霍普金斯大学应用物理实验室利用增材制造技术开发变形天线

约翰霍普金斯大学应用物理实验室 (APL) 的研究人员推出了一款可根据温度改变形状的天线。该团队利用尖端的增材制造技术和形状记忆合金 (SMA)开发出了一种在军事、商业和科学应用领域具有变革潜力的技术。

ACS Applied Engineering Materials 近期刊登了一篇论文，详细介绍了该创新设计，该设计允许天线动态改变其形状，从而能够在多个射频 (RF) 频段上工作。这种适应性可以取代对多个固定天线的需求，从而提供更高水平的操作灵活性。

JHUAPL 变形天线有望改变通信方式
利用形状记忆合金进行射频通信
传统天线受其固定形状的限制，这决定了其工作参数。变形天线为动态射频通信提供了可能性，包括：

• 使用单个天线跨多个频段进行操作。
• 通过调整波束宽度在短距离和长距离通信之间切换。
• 实时适应频谱可用性，提高灵活性。
这项突破利用了镍钛合金，这是一种镍和钛的形状记忆合金，加热后会恢复“记忆”形状。虽然镍钛合金常用于医疗设备和航空航天执行器，但其在增材制造中的应用带来了巨大挑战，因为需要进行大量机械加工才能实现形状记忆效果。

从概念到突破
该项目始于 2019 年，当时电气工程师 Jennifer Hollenbeck 受到《苍穹浩瀚》系列中变形技术的启发，试图创造一种用途更广的天线。该团队与 APL 增材制造首席科学家 Steven Storck 合作，进行了多年的努力，以克服 3D 打印镍钛合金的局限性。

最初尝试制造可变形天线时面临诸多挑战，包括刚性和难以扩展。然而，在 APL 内部推进拨款的资助下，该团队改进了设计，实现了双向形状记忆效应，即天线在冷却时在扁平螺旋盘之间转换，在加热时在锥形螺旋之间转换。

克服技术挑战
开发变形天线需要解决几个技术障碍：

1. 加热机制：
团队必须设计一条能够加热天线的电源线，同时又不损害射频特性或结构完整性。射频工程师 Michael Sherburne 领导开发了一种新型电源线，以提供足够的电流。
2. 镍钛合金的增材制造：
打印镍钛合金面临着独特的挑战，因为这种材料的形状记忆特性会导致其在打印过程中变形。增材制造工程师 Samuel Gonzalez 和 Mary Daffron 花了数周时间优化加工参数，以实现一致的结果。
3. 材料成分：
通过改变镍和钛的比例，研究团队增强了双向形状记忆效应，使天线能够在特定温度下在形状之间切换。
广泛的应用和未来计划
变形天线在各个领域都具有潜力：

• 军事行动：使特种作战人员能够适应现场的动态通信需求。
• 电信：支持移动网络适应性和扩大覆盖范围。
• 太空探索：为深空任务提供轻量级、自适应的解决方案。
APL 正在为形状自适应天线、创新电力线和相关控制方法申请专利。此外，该团队还计划将该技术扩展到不同的 SMA 材料，并优化生产，以便在增材制造系统中更广泛地使用。

创新行动
APL 首席工程师 Conrad Grant 表示：“APL 团队展示的可变形天线能力将成为许多需要在紧凑配置中实现射频适应性的应用的颠覆性推动力。”
这一成就凸显了 APL 多学科协作的力量，为可能重塑跨行业通信技术的进步奠定了基础。

来源：jhuapl.edu