一種基于表面改性和原位自金屬化技術的柔性雙陷波超寬帶天線

陳慶月 王志亮 瞿慧雯

關鍵詞： 表面改性; 原位自金屬化; 聚酰亞胺; 超寬帶; 雙陷波; 柔性; WiMAX; WLAN

中圖分類號： TN805?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）05?0015?04

A flexible dual band?notched UWB antenna based on surface modification

and in situ self?metallization technique

CHEN Qingyue， WANG Zhiliang， QU Huiwen

（College of Electronic Information， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： A flexible dual band?notched ultra?wideband （UWB） antenna based on polyimide （PI） substrate is designed， fabricated and tested. The proposed UWB antenna is fabricated by surface modification and in situ self?metallization technique at room temperature. The simulated and tested bandwidth of the flexible dual band?notched UWB antenna （lower than -10 dB） fabricated by the technique is 2.58～10.7 GHz and 2.5～10.87 GHz respectively， the band?notched performance of WiMAX （3.3～3.7 GHz） and WLAN （5.15～5.825 GHz） is realized. The antenna has good omnidirectional radiation characteristic at both 3.5 GHz and 5.5 GHz. The performance of the antenna under different bending conditions is tested to ensure the practical operability of the flexible antenna. This technique has simple process and low cost， can act as the substitution of printing technology， and has broad application prospect in flexible electronic devices.

Keywords： surface modification; in situ self?metallization; polyimide; UWB; dual band?notched antenna; flexibility; WiMAX; WLAN

0 ?引 ?言

柔性電子是一種新興的電子技術，近年來備受歡迎，并且受到了越來越多的關注。在當今信息化社會中，柔性電子器件常常需要和柔性天線集成來滿足無線連接的需求[1]。顯然，柔性天線是柔性無線通信系統中重要的組成部分，其性能的好壞將直接影響到整個系統的性能。而超寬帶天線因其高的傳輸速度、低的發射功率和超寬的頻段范圍，被廣泛應用于短距離無線通信系統中[2?3]。但標準的3.1～10.6 GHz超寬帶頻段與WLAN（5.15～5.825 GHz）和WiMAX（3.3～3.7 GHz）兩個重要頻段重合[4?5]。因此，為了獲得可以集成于柔性電子器件的雙陷波超寬帶天線，首先從材料和工藝兩方面探討了柔性天線的成形技術。

目前，制備柔性天線的基板主要包括紙、紡織物和聚合物。紙張作為基板具有柔性、低剖面和低成本的優點，但它缺乏魯棒性。紡織基材易吸收液體，出現褶皺。聚合物，比如聚酰亞胺，由于具有低的介電常數、良好的機械強度、熱穩定性和化學穩定性，更適合作為柔性天線的基板[6]。而基于聚酰亞胺基板制備柔性天線的方法，主要包括噴墨打印、絲網印刷、光刻。這些方式都高度依賴設備。此外，噴墨打印很容易堵塞噴嘴;絲網印刷對圖案的一致性的控制有限;光刻工藝過程復雜繁瑣，生產效率低[1]。

本文以聚酰亞胺薄膜為基板，利用表面修飾和原位自金屬化技術在室溫下制備了一種具有高導電性的柔性超寬帶雙陷波天線。由于天線結構是從聚酰亞胺基板上通過化學方法生長出來的，所以與基板之間有優異的附著力，不容易出現裂紋。該技術工藝簡單，無需昂貴的設備和真空條件，大大降低了制造成本。此外，該技術還適用于大規模的商業化生產，可以作為印刷電子技術的替補，未來在柔性電子器件中有廣闊的應用前景。

1 ?天線設計和制備

1.1 ?天線設計

雙陷波超寬帶天線的幾何形狀如圖1所示，深色的部分代表聚酰亞胺基板，淺色的部分代表天線結構。

所提出的雙陷波超寬帶天線的輻射單元由一個半圓與一個矩形拼接而成。為進一步改善阻抗匹配，該天線采用共面波導饋電。此外，輻射元件和接地平面都印在聚酰亞胺基板的同一側，減少了制備過程的復雜性。通過在輻射單元上刻槽實現WiMAX（3.3～3.7 GHz）頻段的陷波，通過在輻射單元下方增加枝節實現WLAN（5.15～5.825 GHz）頻段的陷波，兩個陷波頻段互不影響。此外，天線在地平面上采用階梯過渡結構，實現高頻部分的頻帶阻斷。

通過HFSS仿真軟件進行柔性雙陷波超寬帶天線的仿真，該軟件基于有限元法。聚酰亞胺基板的仿真模型厚度是50.8 ?m，介電常數是3.5。通過仿真優化結構參數來實現性能的最優化。最終，天線的尺寸如表1所示。

1.2 ?天線制備

該技術包括聚酰亞胺薄膜（前峰公司，上海）在KOH溶液中表面改性，在AgNO3溶液（阿拉丁公司，上海）中離子交換，以及在H2O2溶液中的還原反應，最終實現聚酰亞胺薄膜的表面金屬化。實驗所有步驟均在室溫下進行，具體過程如下：

聚酰亞胺薄膜清洗后，薄膜的一側首先浸沒在4 mol/L KOH溶液中3 h。通過這一步驟確保聚酰亞胺薄膜通過表面的酰亞胺環的裂解化學改性為聚酰胺酸[7?9]。隨后，表面改性的那一側薄膜浸入0.02 mol/L AgNO3（99.8%）和NH3[?]H2O中2 h以確保K+置換為Ag+。清洗并干燥后，將處理過的聚酰亞胺薄膜粘貼在一張A4紙上，然后使用普通的打印機將碳墨打印在聚酰亞胺膜上作為金屬銀還原的掩膜層。接著，將印有掩膜圖案的聚酰亞胺薄膜浸入H2O2（30%）溶液中確保銀離子完全還原為銀。通過此技術制備的柔性雙陷波超寬帶天線如圖2所示，更具體的工藝步驟可以參考文獻[7?9]。

2 ?天線測量和討論

2.1 ?晶體結構及表面形貌

金屬化聚酰亞胺薄膜的晶體結構通過X射線衍射儀（XRD，Bruker D8 Advance）測量，掃描角度為30°～80°。XRD測量結果如圖3所示。從圖中可以看到4個衍射峰，分別是 [ 1 1 1 ]，[ 2 0 0 ]，[ 2 2 0 ]和[ 3 1 1 ]，與JCPDS（4?783）數據卡的數據相吻合，說明聚酰亞胺薄膜上制備的金屬化薄膜是由面心立方的銀結晶顆粒構成，即構成天線結構的物質是銀。

金屬化聚酰亞胺薄膜的表面形貌通過掃描電子顯微鏡（FESEM，Hitachi，S?4800）測量。圖4a）是薄膜的頂部SEM測量結果，從圖中可以看出獲得的金屬化薄膜連續且致密。薄膜的截斷面SEM測量結果如圖4b）所示，可以發現銀層是均勻的，厚度大約為7.51 ?m。

2.2 ?導電性

金屬化聚酰亞胺薄膜的電阻率值由霍爾效應測量系統（RH 2035，phystech）測量。為了獲得準確的電阻率值，一共進行了10次測量，最后取其平均值。測量結果表明，銀薄膜的電阻率值約為4.89×10-5 Ω[?]cm，能夠滿足柔性天線的需求[7]。

2.3 ?回波損耗

由表面改性和原位自金屬化技術制備的雙陷波超寬帶天線的回波損耗由矢量網絡分析儀（VNA，Agilent E8363C）測量。通過圖5可以觀察到，該超寬帶天線低于-10 dB的仿真帶寬覆蓋范圍是2.58～10.7 GHz，仿真陷波帶寬包括3.13～3.74 GHz和5.07～5.95 GHz。實測帶寬覆蓋范圍是2.5～10.87 GHz，實測陷波帶寬包括3.22～3.94 GHz和4.99～6.04 GHz。該雙陷波超寬帶天線的仿真和實測帶寬都包括了標準的3.1～10.6 GHz超寬帶帶寬，并且都對WiMAX（3.3～3.7 GHz）頻段及WLAN（5.15～5.825 GHz）頻段實現了阻斷。此外，地平面上的階梯過渡結構也很好地實現了高頻部分的阻斷作用。仿真和測量的[S11]之間存在著差異的原因可能是測量過程中使用了連接頭，而仿真過程中沒有用到。

2.4 ?輻射性能