物联网&智慧城市创新实践｜多功能3D打印毫米波器件与天线

「为深化智慧城市建设，推广城市数字化转型先进经验，推动物联网技术与城市发展深度融合，赋能北京城市高质量发展、高效能治理与高品质生活，北京物联网智能技术应用协会、中关村智慧城市产业技术创新战略联盟、北京测绘学会在2025年全球数字经济大会物联网与智慧城市论坛期间，联合开展2025物联网与智慧城市优秀案例征集评选活动。本次活动共征集200余个案例/成果，经评审筛选，最终发布60个优秀案例/成果，并将通过多渠道进行系列展示。诚邀各界开展合作交流，详情可咨询北物联李老师（联系电话：13521200337）。」

申报单位：西安交通大学

　　随着智慧城市建设的加速推进，无线系统对信号的传输速率、系统容量与探测精度提出更高要求。传统低频微波系统受限于频谱资源，难以满足智慧城市对高速、高精度无线通信与感知的需求。毫米波技术凭借大带宽、短波长和低时延等优势，正成为突破技术瓶颈的关键技术支撑。然而，毫米波系统中的射频无源器件普遍采用单功能分立结构，依赖传统机械加工与人工组装，存在制造周期长、装配误差大、系统集成度低与成本高等问题，难以支撑智慧城市对设备小型化、高集成与低成本的现实需求。此外，传统加工方式在加工过程中会产生废气、废水、粉尘与噪声等污染，不利于城市绿色低碳发展目标的实现。因此，亟需面向智慧城市的多样化应用场景，发展集多功能、高性能与绿色制造于一体的新型毫米波射频器件与天线设计与制造方法，推动行业技术革新与工程落地。

　　(1) 针对现有毫米波阵列天线在辐射效率、带外抑制能力方面的不足，申报团队提出一种兼具高效率、增益滤波与特殊波束成型能力的毫米波阵列天线设计方案。申报团队研究了融合谐振模式与传输零点的阻抗与模式匹配方法，构建了实现功率分配、滤波、耦合等馈电网络拓扑。结合多波束、和差波束与涡旋波束的特殊波形辐射的馈电网络幅度相位关系，创新设计集成滤波特性的波束形成网络。其中，多波束阵列天线可用于大范围高增益的波束覆盖快速扫描；和差波束阵列天线可用于雷达探测精准定位；涡旋波束阵列天线可用于超高容量的无线通信。所研制的阵列天线在工作频段内表现出高增益的辐射，同时在带外实现了迅速衰减，提高了抗干扰特性。具体研究内容包括：基于滤波巴特勒矩阵的多波束阵列天线、基于滤波比较器网络的和差波束天线、基于滤波轨道角动量网络的涡旋波束阵列天线。

　　(2) 针对传统圆极化阵列天线主要依赖辐射单元实现圆极化，极化纯度受限、馈电网络集成度不足及对制造误差敏感等问题，申报团队提出了一种在馈电网络层面实现圆极化特性的毫米波阵列天线设计方案。具体研究内容包括：基于谐振腔网络并结合顺序旋转馈电幅度—相位关系的滤波馈电网络设计，以及融合传统比较器网络与顺序旋转馈电相位的顺序旋转比较器网络设计。所研制的圆极化天线在工作频带内展现出极高的圆极化纯度。

　　研究成果依托国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项青年科学家项目“多功能毫米波共口径无源封装元件设计理论与实现技术”。项目成果“面向智慧车联网的3D打印通感共口径阵列天线”获杭州市滨创低空立体交通系统概念验证中心首批概念验证项目、2023年第九届中国研究生智慧城市技术与创意设计大赛全国二等奖、第十九届中国研究生电子设计竞赛西北赛区选一等奖； “面向卫星通信的3D打印自跟踪毫米波阵列天线”获2024年第十届中国研究生智慧城市技术与创意设计大赛一等奖、2025年“思仪杯”全国微波毫米波设计大赛二等奖、2025年西安交通大学研究生优秀创新成果特等奖。