一種新型柔性微帶天線的制備與性能測試

劉筠筠，張 軍

（鄭州科技學(xué)院a.信息工程學(xué)院；b.電氣工程學(xué)院，鄭州 450064）

0 引言

近些年來，由于社會的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，傳統(tǒng)的平面電子器件已經(jīng)很難再適應(yīng)現(xiàn)在復(fù)雜多變的環(huán)境，發(fā)展迅速的柔性電子器件受到了越來越多人的追捧。柔性電子器件具有一定程度的拉伸、彎曲，且可與任意曲面共形的特點，在無線通信的領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛［1］。無線通信中最為核心的部件當(dāng)屬用來發(fā)射和接收電磁波的天線，每年都有眾多科學(xué)家為了突破天線在較大彎曲的同時具備較高的輻射穩(wěn)定性，紛紛尋找各式各樣新的柔性材料替代常規(guī)材料作為微帶天線的基底。Gerard 2012 年將注射液態(tài)金屬共晶鎵銦（Eutectic gallium indium，EGaIn）的PDMS作為基底設(shè)計并制作了長方形微帶天線，通過測量其中心頻率可達(dá)3.4 GHz［2］。到了2014 年，Song等［3］在1 mm厚PDMS基底的表面摻雜了Ag納米線，最后制造出了頻率分別為3 和6 GHz的長方形微帶貼片天線和二元貼片陣列。Hussain等［4］在2016 年通過在聚酰亞胺（Polyimide，PI）上電鍍4 μm 的銅制造出了柔性可用于穿戴的天線，制造的天線呈S形，通過測量可得其中心頻率可達(dá)2.45 GHz。到了2017 年，Yan等［5］通過磁控濺射技術(shù)在PI 膜上濺射了一層厚度為50 nm的金屬銀，當(dāng)制作的天線拉伸200%時，其中心頻率依然可達(dá)5.6 GHz。由于制造天線時對PDMS 基底的厚度無嚴(yán)格要求，且制作工藝簡單易操作，通過去膠處理后仍與各種金屬保持較強(qiáng)的黏附性，具有彈性強(qiáng)、價格便宜、可重復(fù)利用等一系列優(yōu)點［6］，因此本文也選用PDMS作為制備高穩(wěn)定性柔性天線的材料。

制備天線時，可在基底上涂一層褶皺的金屬薄膜增加天線適應(yīng)機(jī)械應(yīng)變的能力［1］。通過這種技術(shù)制成的天線不僅性能優(yōu)異，而且柔軟性特別強(qiáng)，不僅適用于可穿戴柔性皮膚中，還在無人機(jī)、生化檢測及人工智能方面有著特別廣泛的應(yīng)用。

綜上所述，本文以柔性PDMS 為基底完成柔性微帶天線的制作。為了降低制作難度，本文以單面覆銅的共面波導(dǎo)為饋電方式，結(jié)合微電子機(jī)械系統(tǒng)（Microelectro-mechanical System，MEMS）完成天線的加工與制作，并對制作的天線進(jìn)行了彎曲狀態(tài)下的仿真與實際性能測試。

1 天線的仿真設(shè)計

本文設(shè)計的天線包含兩層結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。以柔性PDMS［7］（相對介電常數(shù)和損耗角正切值分別為2.35 和0.037 5）為基底的底層結(jié)構(gòu)尺寸為30 mm×30 mm×1 mm。天線的頂層結(jié)構(gòu)主要包含20 mm×15 mm的去角矩形輻射貼片、共面波導(dǎo)傳輸線（一邊接矩形輻射貼片，另一邊接地）及兩面接地結(jié)構(gòu)。漸變的共面波導(dǎo)傳輸線（d1＜d2）是為了確保輸入的阻抗和50 Ω的SMA連接器匹配。波導(dǎo)傳輸線和位于同一側(cè)的接地面結(jié)構(gòu)一起形成共平面結(jié)構(gòu)，這種共平面結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生斷續(xù)的位移電流，因此波導(dǎo)傳輸線和接地面結(jié)構(gòu)中間的小縫隙可通過交變電場產(chǎn)生橫向和縱向電磁分量。本文使用的共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具備非常優(yōu)越的性能［8］，比如其具有非常好的色散性，在使用過程中輻射損耗非常小且易與電子器件集成，不但可提高電路的密度，而且制成的天線可實現(xiàn)微小型化。

本文對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真的軟件為ANSYS HFSS軟件，天線回波損耗S11和輻射效率re的仿真結(jié)果如圖1（b）所示。首先分析回波損耗，從仿真結(jié)果上可以看出，-10 dB 的阻抗帶寬為1.68 GHz，中心頻率為7.55 GHz時對應(yīng)的S11為-45 dB，可看出阻抗匹配非常完美；接著對輻射效率進(jìn)行分析，通過觀察看到，re在中心頻率7.55 處及1.68 GHz 帶寬內(nèi)均大于0.7，說明本文設(shè)計的天線往外輻射的有效功率為總輸入功率的70%，具有低損耗且高效率特點。輻射方向的3D仿真結(jié)果如圖1（c）所示。左邊的一列數(shù)據(jù)代表天線的增益，當(dāng)中心頻率為7.55 GHz 時，在XOY面上，非接地方向最大輻射高達(dá)4 dB；而接地面方向，由于縫隙產(chǎn)生的交變電場對天線的方向具有一定的影響，使得增益低于4 dB；在YOZ面上，可以看到天線實現(xiàn)了全向輻射，從天線輻射的整體來看，本文設(shè)計的天線具有穩(wěn)定的輻射方向。

圖1 天線的設(shè)計結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果（mm）

2 天線的制備

采用MEMS工藝完成柔性天線的制作與加工，首先進(jìn)行柔性基底的制備，PDMS 聚合物和固化劑按照質(zhì)量比為15∶1的比例放入燒杯中，然后用玻璃棒不斷地攪拌直至均勻，接著將均勻的PDMS 混合物倒入玻璃板上旋涂均勻后放至烘臺上，溫度調(diào)至80 ℃加熱4 h確保PDMS 固化。將固化的PDMS 從玻璃板上小心撕下剪成7 cm×4 cm 的長方形備用，如圖2 所示。將拉伸50%的PDMS 放入等離子體機(jī)（Plasma）中處理1 min，Plasma的功率設(shè)置為200 W，氣流量設(shè)置為150 mL。處理完畢后緩慢釋放拉伸后的PDMS。將釋放的PDMS薄膜通過磁控濺射蒸鍍一層厚度為1 μm的金屬銅薄膜，不銹鋼掩膜版如圖3（a）所示。濺射完畢后去掉掩膜版可看到蒸鍍的銅膜結(jié)構(gòu)，即天線實物，如圖3（b）所示。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察天線的表面形貌如圖3（c）所示，從圖上可以看到，天線的表面褶皺以周期為200 nm的正弦波分布。

圖2 PDMS的裁剪與預(yù)拉伸

圖3 天線的制備過程及表面形貌

3 測試及結(jié)果

本文利用Agilent N5224A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成柔性天線的各種性能測試。如圖4（a）所示，從圖上可以看到，天線無拉伸時，天線的回波損耗在中心頻率為7.61 GHz處具有最佳效果，S11為-29.54 dB，實測效果與仿真結(jié)果具有很高的吻合度。隨后對天線處于拉伸狀態(tài)下進(jìn)行性能測試，假設(shè)天線的拉伸長度為x，將天線分別拉伸至10%（即3 mm）、20%（即6 mm）、30%（即9 mm）、40%（即12 mm），中心頻率的波動范圍為7.61～7.85 GHz，如圖4（b）所示。通過對柔性天線進(jìn)行重復(fù)拉伸測試后發(fā)現(xiàn)中心頻率基本無變化，較為穩(wěn)定。本文對天線的最大拉伸量為40%，測試過程中制造的柔性天線始終保持良好的性能。接著對柔性天線進(jìn)行彎曲狀態(tài)下的性能測試，以圖3（b）中的x軸為中心軸，假設(shè)天線的彎曲角度為α，對天線分別彎曲0°、90°、180°、270°、360°，如圖4（c）所示。從圖可以看出，無論天線的彎曲程度如何，中心頻率均保持在7.61 GHz附近。通過對柔性天線進(jìn)行重復(fù)彎曲測試后發(fā)現(xiàn)中心頻率基本無變化，較為穩(wěn)定，始終保持在7.61 GHz附近。

通過微波暗室完成柔性天線在自然狀態(tài)下的輻射性能測試，測試圖如圖4（d）所示，從圖上可看到輻射實測圖與仿真基本吻合。圖上的圓形表示圖1（c）中的YOZ平面，可看出與仿真效果基本一致，均實現(xiàn)了全向輻射；蝴蝶狀表示圖1（c）中的XOY平面，從圖上可看出，仿真中最大輻射方向的增益為4.5 dB，實測中最大輻射方向的增益可達(dá)4 dB。接著對這兩種不同形態(tài)的柔性天線進(jìn)行性能測試，通過反復(fù)測試發(fā)現(xiàn)對天線的拉伸或彎曲均不會對天線的輻射產(chǎn)生任何影響，柔性天線始終保持較穩(wěn)定的輻射性能。

圖4 對柔性天線的測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文以柔性PDMS為基底完成了柔性微帶天線的制作。首先利用ANSYS HFSS仿真軟件對設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，然后通過對PDMS 的制備及磁控濺射工藝完成了柔性微帶天線的制備，最后對柔性天線進(jìn)行了電性能和機(jī)械性能的測試，實測的結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，達(dá)到了非常良好的效果。本文設(shè)計與制造的柔性微帶天線不僅適用于可穿戴柔性皮膚中，還可應(yīng)用于無人機(jī)、生化檢測及人工智能方面。