作者

张厚超、靳茂鹏、朱晓阳、张友超、李言胜、陈硕、白彦军、李红珂、李政豪、王瑞、朱元胜、王飞、兰红波

机构

山东省增材制造工程技术研究中心

青岛理工大学

青岛宏达金属成型机械有限公司

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. 7 055103.

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

撰稿 | 文章作者

1. 文章导读

高性能透明天线在5G通信、智能穿戴、车载通信、智慧建筑、医疗健康监测等多个领域具有重大需求，针对传统制造工艺效率低、灵活性差、天线增益、效率与透光性难以兼容的难题，青岛理工大学机械与汽车工程学院兰红波教授、朱晓阳教授团队提出“电场定向沉积混合增材制造”技术，创新设计Ag/Cu核壳复合金属网结构，优化趋肤效应下的电流分布，其性能接近传统不透明铜贴片天线，为高性能柔性透明天线的快速迭代设计与制造开辟了新路径。相关成果以“Electric field oriented deposition manufacturing of low loss, high gain flexible transparent antenna utilizing the skin effect”为题，发表于SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）。

2. 图文解析

本研究的创新之处在于设计了一种由多层印刷银线和致密铜层组成的新型Ag/Cu核壳结构金属网柔性透明天线，利用趋肤效应实现极低的趋肤深度损耗和欧姆损耗（图1a），并报道了一种基于电场定向沉积的混合增材制造新方法来实现这种复合金属结构。该方法将电场定向的微喷射打印与电化学沉积相结合，灵活高效地实现了多材料复合金属网的精密沉积制造（图1b,c）。通过逐层打印高分辨率银导线作为导体核，再将外壳电镀至所需厚度，制备出具有极高增益、效率、透光性和机械柔韧性的银/铜壳-核结构天线（图1d）。该工艺无需模板，效率高、成本低，支持快速迭代和小批量生产，尤其是兼容柔性基底（如PET），具有高度可扩展性，为高性能柔性透明天线的快速迭代设计和制造提供了解决方案。

图1 电场定向沉积混合增材制造Ag/Cu 壳-核结构柔性透明天线：(a)天线结构示意图及宏/微观照片；(b)制造工艺流程；(c)打印原理；(d)Ag/Cu 壳-核结构微观结构变化示意图。

通过设计Ag/Cu壳-核复合金属网格结构，利用趋肤效应显著降低高频电流的趋肤深度损耗和欧姆损耗。其中，高导电性Cu壳层作为主要电流路径，Ag核提供辅助导电通道，有效扩大有效载流面积，同时通过多层印刷Ag导线结合电镀工艺精准调控Cu层厚度，确保其超过工作频段的趋肤深度，从而改善传统薄层导电材料因趋肤效应导致的电流分布集中与高损耗问题。

图2 Ag/Cu 壳-核结构倒F柔性透明天线：(a)天线结构及设计尺寸示意图；(b)天线反射损耗模拟结果；(c)天线峰值增益仿真结果；(d)辐射方向图；(e)不同线宽/周期组合反射损耗模拟结果；(f)不同线宽/周期峰值增益仿真结果；(g)三维辐射谱图；(h)薄铜层结构截面趋肤效应模拟；(i)多层印刷银网格截面趋肤效应模拟；(j)Ag/Cu核壳结构截面趋肤效应模拟。

采用电场定向沉积的混合增材制造新方法，实现了高精度Ag线逐层沉积和致密Cu壳层的可控生长，兼顾了天线的透明度（＞80%）、导电性（0.29 Ω/sq）和机械柔韧性。该方法摆脱传统技术的模板依赖，以低成本、高灵活性和高效率解决了高性能柔性透明天线制造中结构优化与快速迭代的难题，最终使天线增益达5.22 dB、效率达80%，性能接近不透明铜贴片天线。经过循环弯曲后，天线的反射系数和增益保持稳定，在长距离和弯曲状态下均能保持很好的无线传输效果。

图3 天线性能测试及应用演示：(a)天线的S11曲线；(b)天线效率曲线；(c)天线增益曲线；(d)E-面辐射方向图；(e)H-面辐射方向图；(f)Ag/Cu核壳结构天线与其他天线的性能比较；(g)不同弯曲角度下天线S11曲线；(h)不同弯曲次数后天线S11曲线；(i)不同弯曲角度弯曲1000次后的增益变化曲线；(j)天线在平面和弯曲状态下的视频传输效果和信号强度；(k)不同传输距离下视频传输效果和信号强度。

视频3. 致

谢

3. 致谢

感谢国家自然科学基金项目的资助，感谢青岛理工大学信息与控制工程学院李言胜教授在天线单元的设计优化、性能提升、测试等方面给予的关键性指导与支持。

4. 作者团队与简介

朱晓阳

青岛理工大学

朱晓阳（通讯作者），男，教授，工学博士，博士研究生导师，泰山学者青年专家，教务处副处长。目前主要从事电子增材制造工艺及应用方面的研究工作。目前主持国家自然科学基金面上项目、中央军委装备发展部成果转化项目、泰山学者人才项目、山东省青创团队项目、山东省自然科学基金面上项目等国家级及省部级项目10项。以第一及通讯作者在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、《科学通报》《机械工程学报》《中国科学》等国内外权威期刊公开发表SCI/EI论文66篇，包括ESI热点/高被引/亮点论文/封面论文18篇/次，入选Small年度最佳论文1篇（4/1839），影响因子大于10以上的20篇。授权发明专利20项，在美国，新加坡等重要国际会议作邀请报告16次。相关成果获得国际日内瓦发明展金奖、青岛市自然科学奖二等奖、青岛市青年科技奖、中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖等奖励。中国科学院一区期刊International Journal of Extreme Manufacturing（工程/制造领域世界排名第一）、Research（综合类一区）以及Soft Science等期刊青年编委，参与制定国家标准3项，兼任全国增材制造标准化委员会工艺分会委员，中国机械工程技术路线图编写委员会委员，复合材料学会增材制造专委会委员。首位指导学生获得第十八届“挑战杯”大学生课外学术作品特等奖1项及十四届“挑战杯”大学生创新创业计划竞赛全国金奖，指导12名研究生获得山东省优秀硕士4学位论文/国家奖学金，指导研究生获得山东省优秀科研成果奖一等奖2项，山东省研究生优秀成果3项。

兰红波

青岛理工大学

兰红波，二级教授，工学博士，博士生导师，山东省增材制造工程技术研究中心主任，山东省高等学校增材制造（3D打印）技术与应用重点实验室主任。国家有突出贡献中青年专家，入选国家百千万人才工程，国务院政府特殊津贴专家，教育部新世纪优秀人才，山东省泰山学者特聘专家。中国机械工程学会增材制造（3D打印）技术分会常务委员，国际标准化组织（ISO）增材制造(ISO/TC261)标委会委员，全国增材制造标委会（SAC/TC562）委员，中国机械工程学会极端制造分会委员，国家知识产权局中国专利审查技术专家。主要从事微纳3D打印、先进电路和电子增材制造、复合/功能梯度材料增材制造等方向的研发和其工业化应用。先后主持国家自然科学基金纳米制造的基础研究重大研究计划项目、国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省重点研发计划等18项纵向课题。以第一作者或通讯作者身份在Advanced Materials、Nature Communications、Nano-Micro Letters、Advanced Science、Small、International Journal of Extreme Manufacturing、Additive Manufacturing、Composites Part B: Engineering、《科学通报》《中国科学》《机械工程学报》等国内外权威期刊发表SCI/EI收录论文180余篇。以第一作者出版英文学术专著1部，参编英文学术著作5部（Book Chapter）。以第一发明人授权美国发明专利5项，德国发明专利1项，中国发明专利58项。以第一完成人获得软件著作权6项。

主持和参与制定国家标准11项。以第一完成人获第48届日内瓦国际发明展金奖1项，山东省技术发明二等奖1项，山东省高等学校优秀科研成果奖一等奖1项。作为研究生导师指导的3名研究生获得山东省优秀硕士学位论文，1人获得山东省研究生创新成果一等奖。美国、日本、瑞典、墨西哥等重要国际学术会议邀请报告18次。标志性成果：兰红波教授带领团队提出并建立了一种原创性微纳3D打印新技术：电场驱动喷射沉积微纳3D打印，研制出国内首台具有完全自主知识产权的电场驱动喷射沉积微纳3D打印机，五轴联动曲面共形电子3D打印机，并将该技术应用到先进电子电路增材制造、生物医疗、功能梯度材料和结构一体化制造等多个领域和行业。