一種基于PDMS 的可拉伸折疊天線的設計

王婷

（南京郵電大學，江蘇 南京210023）

1 概述

近些年來，隨著智能電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，終端設備逐步趨向便攜性，小型化，可穿戴的方向發(fā)展[2]。而天線作為通信設備中必不可少的接收信號和發(fā)射信號的設備也相應的向著小型化，可拉伸延展，可折疊，多功能的方向發(fā)展[1]。

對于可拉伸天線的研究主要涉及兩個方面：一是設計和創(chuàng)新出新的模型結構使天線實現(xiàn)可拉伸的特性；二是利用創(chuàng)新的柔性材料和特殊的工藝技術使天線具有可拉伸的特性[3]。對于以上兩種研究方法來說，由于第二種方法完全依賴于柔性材料和復雜工藝技術的發(fā)展，所以對于可拉伸天線的研究和發(fā)展就會局限于柔性材料和工藝技術的發(fā)展情況，因此我們需要研究和探索新型的天線模型結構。

微帶貼片天線相比其他的微波天線來說，其具有體積小，低剖面，易于共性，可穿戴，制作簡單等特點[6]，這些優(yōu)點使得微帶天線受到眾多廠商的青睞，廣泛應用于小型的智能終端產(chǎn)品。我們利用折疊的模型結構使微帶天線實現(xiàn)可拉伸特性，傳統(tǒng)的微帶天線的介質基底通常使用PCB板，例如FR4 等，這類材料不具有可延展性，因此為了使天線可拉伸，我們采用聚二甲基硅氧烷（PDMS)作為基底的材料，其具有光學透明性、溫度穩(wěn)定性好、室溫固化時不放熱、良好的電磁特性、柔性和彈性好等優(yōu)點，這些優(yōu)點使其成為最有前景的柔性材料之一[7]。

圖1 天線結構

2 天線設計

天線結構如圖1 所示，微帶天線由輻射貼片（A）、介質基板（B）、1/4 波長阻抗轉換器（C）、微帶傳輸線（D）、長方形槽縫（E）和接地板（F）構成。其中輻射貼片（A）由A1 和A2 兩部分組成，輻射貼片A1 位于介質基板上側并與1/4 波長阻抗轉換器相接，輻射貼片A2 由6 個相同尺寸的貼片單元組成，每個貼片單元都與介質基板之間形成相同的角度，這樣整個輻射貼片構成一個可折疊的結構，可以做到橫向拉伸。在輻射貼片上燭刻一條長方形槽縫，降低天線的諧振頻率以達到減小貼片天線尺寸的目的。

式中，c 為光速。輻射貼片A1 的長L=5mm，輻射貼片A2 的6 個完全相同的貼片單元長為L0=6mm，輻射貼片與介質之間的初始夾角為α。通過參數(shù)優(yōu)化之后，在理論天線尺寸的基礎上進行微調(diào)使天線達到最佳性能。改變輻射貼片與介質之間的夾角大小，即改變天線的拉伸程度，分析天線在拉伸過程中的工作性能。

3 仿真結果與分析

利用Ansys HFSS 對設計的天線進行建模和仿真。如圖2，3所示，天線在不受外力拉伸時，天線的中心諧振頻率為3.6GHz,S11 的最小值為-42dB。天線的主要輻射方向為z 軸正方向且增益較大，有利于制作成可穿戴設備，有利于減少天線對人體的輻射。

圖2 天線的S11 仿真結果

圖3 天線的三維增益方向圖

天線在受到外力拉伸過程中S11 的仿真結果如圖4 所示：

圖4 天線不同拉伸程度的S11 仿真結果

由圖4 可以看出，在輻射貼片受到外力拉伸過程中，天線的工作頻率基本保持不變且S11 的最小值都小于-10dB，不影響天線的工作性能。

4 結論

綜上所述，本文設計的基于PDMS 的可拉伸折疊天線，采用具有良好的電磁特性和彈性的PDMS 作為介質材料，將傳統(tǒng)的輻射貼片天線設計成一種三維立體的折疊結構，使其具有可拉伸的特性。在拉伸過程中天線的工作頻率基本保持不變且不影響天線的工作性能。天線的主要輻射方向為z 軸正方向，因此制成可穿戴電子設備的話可以減小天線對人體的輻射。